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Rolfes 29.06.2012
Fortschritte der Windenergie
Raimund Rolfes
www.energiexperten.org
LeiterInstitut für Statik und DynamikLeibniz Universität Hannover
Leiter des Standorts HannoverFraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik
Rolfes 29.06.2012
Gliederung
• Historisches der Windenergie
• Aktuelle Forschung
• Internationale Forschungszentren
• Visionen der Zukunft
Chinesische Windmühle, etwa 1000 n.Chr. [wikipedia]
Offshore-Windpark alpha ventus
Rolfes 29.06.2012
Gliederung
• Historisches der Windenergie
• Aktuelle Forschung
• Internationale Forschungszentren
• Visionen der Zukunft
Windkraftnutzung zum Antrieb von Pumpen zwecks Entwässerung im Harz, Konstrukteur: Gottfried Wilhelm Leibniz, Clausthal 1678. Modell: P. Strommeyer, 1979, Historisches Museum Hannover
Misserfolg als Initialzünder der modernen Windenergie
Rolfes 29.06.2012
GROWIAN, Kaiser-Wilhelm-Koog bei Marne [sonnenertrag.eu]
GroWiAn • Öffentlich geförderte Windkraftanlage (BMFT)
• 3 MW Anlage
• Nabenhöhe / Rotordurchmesser: 96 m / 100 m
• Einweihung: Oktober 1983 (weltgrößte Anlage)
• Stilllegung: August 1987, nur 420 Betriebsstunden
• nicht beherrschbare Lasten und Materialprobleme (Risse in Rotorblättern) , Auslegung als zweiblättriger Lee-Läufer
Erkenntnisse aus dem Projekt:
• Einzelne Großanlagen können nicht mit konventionellen Kraftwerken konkurrieren
Konzept Windkraftwerk: Zusammenfassung mehrerer kleinerer Anlagen zu Windenergieparks
Rolfes 29.06.2012
Entwicklung der Windenergienutzung zu einem bedeutenden Wirtschaftszweig
Wissenschaftliches Mess- und Evaluierungsprogramm WMEP• Vom BMU gefördertes Programm (1990-2006)
• Ziel: Gewinnung von statistisch relevanten Erfahrungswerten über den praktischen Einsatz von Windenergieanlagen in Deutschland
Ausfälle von Windenergieanlagen in Deutschland
• wissenschaftlich-technische Auswertungen bezüglich:
▫meteorologischer Bedingungen
▫ Zuverlässigkeit der Anlagen
▫Beitrag der Windenergie zur Deckung des Stromverbrauchs
▫Kosten für die Bereitstellung der elektrischen Energie
Leistungssteigerung von WEA, Upscaling
Rolfes 29.06.2012
1980 1985 1990 1995 2000 2005
Nennleistung [kW] 30 80 250 600 1500 5000
Rotordurchmesser 15 20 30 46 70 115
Nabenhöhe 30 40 50 78 100 120
Jahresenergieertrag [MWh]
35 95 400 1250 3500 17000
Quelle: IWR, 2008
Weitere Anlagenoptimierung der letzten 10 Jahre neben Upscaling, u.a.:
• verbesserter Umgang mit Lasten
• Verringerung des Gewichts durch neue Designansätze
• Verbesserung der Systeme und Komponenten
Erste Offshore-Projekte in Dänemark
Rolfes 29.06.2012
• Pionierarbeit in Vindeby 1991
• 11 x 450 kW Bonus WEA
Prognose: Offshore-Markt, Europa
Rolfes 29.06.2012
Bis 2020: überdurchschnittliches Wachstum
Prognose: Offshore-Markt, Europa
Rolfes 29.06.2012
2020 – 2030: kontinuierlicher Zubau
Prognose: Offshore-Markt, Welt
Rolfes 29.06.2012
Offshore-Windenergie wird auch mittelfristig ein europäisches Thema bleiben
Offshore-Markt: globale Entwicklung
Rolfes 29.06.2012
Wesentliche OEMs im aktuellen Markt
Rolfes 29.06.2012
Forschungsverbund ForWind - IWES
Rolfes 29.06.2012
ForWind Hannover(Koordinationsbüro
ForWind-IWES)
ForWind Oldenburg(Geschäftsstelle)
ForWind Bremen
IWES Bremerhaven
IWES Kassel
IWES Gruppe„Tragstrukturen“
IWES Gruppe„Numerische
Strömungs- und Systemdynamik“
Rolfes 29.06.2012
Gliederung
• Historisches der Windenergie
• Aktuelle Forschung
• Internationale Forschungszentren
• Visionen der Zukunft
Offshore Round 3 in Großbritannien
Rolfes 29.06.2012
• Errichtung von 9 Offshore-Windparks ab 2013
• Bis 2020 installierte Gesamtkapazität von 32 GW
• Beteiligung deutscher Konzerne (RWE, E.ON, Siemens)
• Far Offshore: neue WEA-Generation und Elektrizitätsinfrastruktur erforderlich
Quelle: cleantech.infoponic.com
Rolfes 29.06.2012
Deutsche Offshore-Projekte
[BSH]
Herausforderungen: Entfernung zur Küste, Wassertiefe, Boden
Deutsche Nordsee
Rolfes 29.06.2012
Nordsee, In Betrieb
Rolfes 29.06.2012
Testfeld alpha ventusWassertiefe: 27 - 30 mAnlagentyp:(Nabenhöhe / Rotordurchmesser)• 6 x REpower 5M 92 m / 126 m
Gründungstyp: Jacket• 6 x Multibrid M5000 94 m / 116 m
Gründungstyp: Tripod
Gesamtleistung: 60 MW
[gigawind] [energynet]
Nordsee, Im Bau
Rolfes 29.06.2012
BARD Offshore IWassertiefe: ca. 40 mAnlagentyp:(Nabenhöhe / Rotordurchmesser)• 80 x BARD 5 MW 90 m / 122 m
Gründungstyp: Tripile
Gesamtleistung: 400 MW
[bard-offshore]
Nordsee, Im Bau
Rolfes 29.06.2012
Borkum West IIWassertiefe: ca. 30 mAnlagentyp:(Nabenhöhe / Rotordurchmesser)• 80 x AREVA Wind M5000 90 m / 116
m
Gründungstyp: Tripod
Gesamtleistung: 400 MW
[trianel-borkum]
Nordsee, Im Bau
Rolfes 29.06.2012
RiffgatWassertiefe: 18 - 23 mAnlagentyp:(Nabenhöhe / Rotordurchmesser)• 30 x Siemens SWT-3.6-120 90 m / 120
m
Gründungstyp: Monopile
Gesamtleistung: 108 MW
[siemens]
Ostsee, In Betrieb
Rolfes 29.06.2012
Baltic IWassertiefe: 16 - 19 mAnlagentyp:(Nabenhöhe / Rotordurchmesser)• 21 x Siemens SWT 2.3-93 67 m / 93
m
Gründungstyp: Monopile
Gesamtleistung: 48,3 MW[EnBW]
Deutsche Offshore Windpark-Projekte sind anspruchsvoll
Rolfes 29.06.2012
Deutsche Offshore-Bedingungen im internationalen Vergleich, Quelle: EWEA
Durchschnittliche Wassertiefe in m
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Forschung im Offshore-Testfeld alpha ventus www.rave-offshore.de
Rolfes 29.06.2012
Gründungs- und Tragstrukturen• Gründungen• GIGAWIND alpha ventus
Ökologie, Sicherheit und Akzeptanz• Hydroschall• Ökologie• soziale Akzeptanz• Ozeanographie• Betriebsschall• Sonartransponder
Anlagentechnik und Monitoring• AREVA Multibrid M5000 Optimierung• REpower Rotorblatt• RAVE – Lidar • Offshore – WMEP
Netzintegration• elektrische Übertragungsnetze
GIGAWIND alpha ventus
Rolfes 29.06.2012
www.gigawind.de
Ganzheitliches Dimensionierungskonzept für OWEA-Tragstrukturen anhand von Messung im Offshore-Testfeld alpha ventus
Forschungsverbund: LUH (75%), IWES (25%)Förderer: BMU Industriepartner: Areva Wind GmbH, REpower Systems SE
Projektziele Kostenminimierung von Offshore-Tragstrukturen (Türme,
verschiedene Gründungskonstruktionen, Gründung. Kostenanteil der Tragstruktur an OWEA: 30 - 35%)
Entwicklung leichterer Gründungskonstruktionen (Materialkosten)
Optimierung des Entwurfsprozesses (Personalkosten)
Integration unterschiedlicher Software-Tools in DESIO
Validierung mittels Messdaten aus dem Testfeld “alpha ventus”
GIGAWIND alpha ventus
Rolfes 29.06.2012
2011: über 4400 Volllaststunden und bis zu 97 % Verfügbarkeit
Messdaten aus alpha ventus
Forschung an Tragstrukturen
Rolfes 29.06.2012
Standardgründungskonzepte eignen sich je nach Wassertiefe
• bis etwa 20m: Monopile, Schwergewicht• 20m bis 40m: Tripod, Jacket, Bucket
„Jacket“
„Bucket“
Ziel: Designoptimierung
Dimensionierung der Tragstruktur, so dass
• die WEA den Bedürfnissen und Anforderungen gerecht wird und
• zugleich möglichst kostengünstig erstellt werden kann.
Iterativer Prozess
Warum Schadensfrüherkennung?
Rolfes 29.06.2012
• Heutige Windenergieanlagen:Ein bis fünf zum Teil unvorhergesehene Schäden pro Jahr
• Zukünftige Offshore-Windenergieanlagen:
• Lange Perioden ohne Wartung
• Notwendigkeit spezieller Schiffe
• Hohe Effizienzverluste durch Stillstand
• Zustandsorientierte Instandhaltungsstrategien:Effizienz- und Zuverlässigkeitssteigerung
Schadensfrüherkennung
Rolfes 29.06.2012
SH
MAnsprüche an die Überwachung einer Offshore-Tragstuktur (SHM):(Gründung, Turm und Rotorblätter)
Inverse Lastermittlung aus gemessenen Strukturantworten
Schadensfrüherkennung und Lokalisierung Abschätzung der Resttragfähigkeit
und Restlebensdauer Serienmäßiger, kostengünstiger
Offshore-Einsatz
SHM-System für Offshore-WEA
Erprobung des Systems an der angespannten Onshore-Anlage
„Südwind 1200“ in Rambow
Schadensfrüherkennung
Rolfes 29.06.2012
Proportionalitätsmethode
• Ansatz Schadensfrüherkennung– Maximale dynamische Spannung
ist proportional zur maximalen Schwinggeschwindigkeit bezogenauf die jeweilige Eigenform
– Proportionalitätsfaktor als Schadensindikator
– Beobachtung der Abweichung zum Referenzwert
Größere Sensitivität im Vergleich zur Eigenfrequenz
maxmax, vpsystemdyn
Testanlage in San Diego
Intaktes Systems: psystem,ref = 59.5 MNs/m3
Mit gelösten Bolzen: psystem, dam = 56.7 MNs/m3
Abweichung: 4.7%Veränderung der Eigenfrequenz: nur 1.7% (Δf0 = 0.03 Hz)
Schadensfrüherkennung für Rotorblätter
Rolfes 29.06.2012
Spitze
Messung der Beschleunigungen oder Auslenkungen
Erweiterung des SHM-Systems auf Rotorblätter:• Notwendig: Innovatives, kabelloses Messsystem• Extrem variabler Querschnitt
Messung der Dehnungen
Flügelhinterkante
Anschluß-bereich
Schadensfrüherkennung für Rotorblätter
Rolfes 29.06.2012
Spitze
Messung der Beschleunigungen oder Auslenkungen
Messung der Dehnungen
Flügelhinterkante
Befestigung der passiven Einheit
Aktive Einheit
Dehnungsmessung mit faseroptischen Bragg-Gittern
gespannte Carbonfaserstränge
Erweiterung des SHM-Systems auf Rotorblätter:• Notwendig: Innovatives, kabelloses Messsystem• Extrem variabler Querschnitt
Anschluß-bereich
Rolfes 29.06.2012
Neue Ermüdungsmodelle für Rotorblätter
• Rotorblätter sind mehr als 10^8 Lastzyklen ausgesetzt
• Ein Rotorblatt weist mehr als 180 verschiedene Laminate auf
• Neues Ermüdungsschädigungsmodell auf Schichtebene
Rolfes 29.06.2012
Schallemission von Offshore-WEA
Hydroschalleinleitung ins Meereswasser:
• Schalleintrag aus der Luft (vernachlässigbar)
• Schalleintrag über die Struktur
• Schalleintrag über den Meeresboden
Schalleintrag während der Betriebsphase
Schalleintrag während der Bauphase
Schweinswal
Schallmindernde Maßnahmen
Rolfes 29.06.2012
Erprobung des Blasenschleiers bei FINO 3
Schallminderung bei der Ausbreitung• Installation eines Blasenschleiers
→ Erzeugung eines Blasenstroms durch druckluftgefüllte Rohrleitungen am Meeresboden
→ Reflexion und Dämpfung an den Luftblasen abhängig von deren Größe und Verteilungsdichte
Quelle: Abschluss-bericht „Schall II“
Test verschiedener Blasenformationen
Gestufter vs. Großer Blasenschleier
Gestufter Blasenschleier:beste Minderung für f > 300 Hz SEL: 12 - 14dB
Großer Blasenschleier: beste Minderung für 1 kHz < f < 3 kHz SEL: 12 dB
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Vergleich der Ergebnisse im Frequenzbereich
Wohin mit dem Strom?
Rolfes 29.06.2012
Offshore-Windpark „alpha ventus“, Quelle DPA
Nord.Link • Planung eines 600 km langen
1400-Megawatt-Kabels (HGÜ) zwischen Norwegen und Schleswig-Holstein bis 2018
• Norwegische Wasserkraftwerke können als Zwischenspeicher für deutschen Solar- und Windstrom genutzt werden
Rolfes 29.06.2012
Gliederung
• Historisches der Windenergie
• Aktuelle Forschung
• Internationale Forschungszentren
• Visionen der Zukunft
Rolfes 29.06.2012
Internationale Forschungszentren
Schwerpunkt: Erneuerbare Energien
NREL
RISØ / DTU
ECN / TUDCENER
NaRECIWES / ForWind
• Biomasse• Geothermie• Brennstoffzellen• Solarenergie• Windenergie• Photovoltaik•
Gebäudenachhaltigkeit
• Netzintegration
Rolfes 29.06.2012
Internationale Forschungszentren
NREL_National Renewable Energy Laboratory (USA)
Quelle: www.nrel.gov
Themen im Bereich Wind
„Low wind speed technologies“Komponententechnologie
Kleine WindräderNetzintegration
BeratungUmweltverträglichkeit
2,5 MW Antriebsstrang- und Getriebe-Teststand mit variablerTestgeschwindigkeit
Resonanz-Rotorblatttestsfür Blattlängen von 37 m
„National wind technology center“ in Calorado (USA)mit 1,5 – 2,3 MW Anlagen
Rolfes 29.06.2012
Internationale Forschungszentren
RISØ_National Laboratory for Sustainable Energy (DK)
Quelle: www.risoe.dtu.dk
Projekt ENDOW – Efficient develop-ment of offshore wind farms
Themen im Bereich Wind
MeteorologieAeroelastischer Entwurf
WindenergiesystemeWindturbinen
Test und MessungAusbildung
Windgeschwindigkeits-messung mit LIDAR
Zusammenarbeit mit der DTU – Technical University of Denmark
Rotorblatteststand für Blätter bis 100 m (www.blaest.com)
• VELUX Open Jet Facility (Windkanal)• Testfeld für große Windturbinen in Høvsøre• BLAEST – Rotorblattestzentrum in Kooperation mit DNV und FORCE
Technology
Testeinrichtungen
Rolfes 29.06.2012
Internationale Forschungszentren
ECN_Energy Research Center of the Netherlands (NL)
Quelle: www.ecn.nl
Testfeld in Wieringermeermit fünf 2,5 MW Anlagen
Themen im Bereich Wind
Aero-servo-elastische SimulationIntegrierte Windparkanalyse
RisikoanalysenBetrieb und Wartung
In-situ-MessungenIntelligente Netze
WMC Testzentrum
• statische Test • Ermüdungstests• an Komponenten herkommlicher WEA,
z.B. Rotorblätter bis 60 m
WMC _ Knowledge center for testing of wind turbine, material and constructions
Zusammenarbeit mit der TUD – Delft University of Technology
Rolfes 29.06.2012
Internationale Forschungszentren
CENER_Centro nacional de energías renovables (ESP)
Quelle: www.cener.com
links: Teststand An-triebsstrang (bis 5 MW)
unten: Rotorblattprüf-stand (bis 85 m)
Themen im Bereich Wind
WEA Analyse und EntwurfWEA Zertifizierung
WindprognosenOffshore Windenergie
WEA Testzentrum
• Rotorblattprüfstand (bis 85 m)• Teststand Antriebsstrang (bis 5 MW)• Generatorteststand• Gondelteststand (Tests + Montagetraining +Wartung) • Windkanal (2-D aerodynamische Profile und 3-D aeroakustik)• Verbundmateriallabor• Test-Windpark (bis 5 MW, Prototypentest + Zertifizierung)
Testeinrichtungen
Rolfes 29.06.2012
Internationale Forschungszentren
NaREC_New and renewable energy center (UK)Quelle: www.narec.co.uk
Rotorblattteststand für Blattlängen bis 70 m
Themen im Bereich Wind
Entwicklung von Generator und AntriebsstrangVerbundmaterialien
NetzintegrationPrototypenentwicklung „small“ und „full-scale“
Testeinrichtungen
• Gondelteststand bis 10 MW• Rotorblatttests für Blattlängen bis zu 100 m• Prototyptests und Testgelände (On- und Offshore)• Hafenanbindung für Offshore Lieferung und Vertrieb
→ zeiteffiziente Entwicklung vom Prototypen zum Fertigung
geplant: großeTesteinrichtungen
Rolfes 29.06.2012
Versuchsinfrastruktur ForWind - IWES
IWES_Versuchsinfrastruktur
• Virtuelles Stromversorgungssystem• Virtuelle Systemtechnik• Testfeld für elektrische Netze
Kassel
• Rotorblattprüfständ e(bis 90 m)• Gondel-Prüfstand (geplant)• Offshore Vermessung Wind und See (Bojen, LIDAR)• Prüfstände für Erosion (Regen, Hagel) und kombinierte
Umweltbelastungen (Temperatur, Feuchte, Mechanik)
Bremerhaven
• Testzentrum Tragstrukturen (Nutzung)
Hannover
• Rechencluster
Oldenburg
Rotorblatt-Teststand in Bremerhaven
Gondel-Prüfstand in Bremerhaven
Rolfes 29.06.2012
Versuchsinfrastruktur ForWind - IWES
ForWind_Versuchsinfrastruktur
• Forschungsanlage• Großverzahnungslabor)
Bremen
• Testzentrum Tragstrukturen • Generator Umrichter-Prüfstand 1MW• Großer Wellenkanal• Wälzlagerprüfstand• 3D Wellenbecken
Hannover
• Turbulenzwindkanal (geplant)
OldenburgTurbolenzkanal
Testzentrum Tragstrukturen
Rolfes 29.06.2012
Gliederung
• Historisches der Windenergie
• Aktuelle Forschung
• Internationale Forschungszentren
• Visionen der Zukunft
Schwimmende Anlagen
Rolfes 29.06.2012
• Konzepte schwimmender Windenergieanlagen für das Mittelmeer
• Realisierung bis 2020 denkbar
Rolfes 29.06.2012
Schwimmende Windkraftwerkplattform, Quelle: green-hype.de ©Hexicon
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!