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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Smarte Windenergieanlagen und Parks brauchen
Digitalisierung
Manfred Imiela (DLR), Berthold Hahn (IEE), Jan Wenske (IWES)
SMART
FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Die Frage - Optimierungspotentiale & wie heben wir sie ?
Herausforderungen auf verschiedenen Gebieten
Windparkplanung:
• Limitierte Genauigkeit von Messungen, Annahmen und Modellen
Anlagendesign und Herstellung (außer immer größer)
• Keine Erfassung des individuellen Anlagenzustands zum Zeitpunkt t=0
• Fehlende / ungenaue Modelle für Belastung, Verschleiß, Ermüdung sowie Fehlerfortschritt
Betrieb:
• Vernachlässigung der jeweils aktuellen Betriebs-, Markt und Umweltbedingungen
• Unzureichende Anpassungsfähigkeit bezüglich Ungenauigkeiten und Veränderungen
• Ungenaue Zustandsbewertung und Unkenntnis des individuellen Zuverlässigkeitsverhaltens
• Mangelhafter Datenfluss von und zur WEA bzw. mangelhafte Verknüpfung von Datenströmen
Die aktuell größten Potentiale liegen in einer möglichst vollständigen Datenlage
und einer umfassenden Verknüpfung von Datenquellen und Datenströmen!
Aktuelle WEA und Parks sind noch nicht „smart“ genug !
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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Vision – „smarte“ Windenergieanlagen und Parks
Smart =
Intelligent, anpassungsfähig, interagierend,
(ressourcenschonend, umweltfreundlich, nachhaltig)
Selbsttätig anpassungsfähige WEA / Parks bezüglich:
• Site Conditions (spezifische Windbedingungen, Prognosefähigkeit)
• Parklayout /-betrieb (Nachläufe, gegenseitige Beeinflussung)
• Netzbedingungen am WEA oder Park PCC
• Netzanforderungen (Systemdienstleistungen, techn. Anforderungen z.B. aus Sektorkopplung)
• Erkennung der Systemkonfiguration (Selbstidentifikation, Konfigurationsmanagement)
• Anlagen-/Subsystemzustand (von t=0 – individuelle online Restlebensdauer / „Fatigue Budget“)
• Marktbedingungen (z.B. Preis pro kWh,, zus. Vergütung für spezifische Systemdienstleistungen)
• Geschäftsmodellen der Betreiber (z.B. Anpassung an die aktuellen Optimierungsziele)
• Kommunikationskanälen (nach außen – Störungen, Bandbreitenänderungen, Bussysteme)
• O&M (Ressourcen an Ersatzteilen, Service- & Wartungspersonal, Ertragsausfall, Zugänglichkeit)
• Anlagendesign (modular, update fähig, erweiterte Aktuatoren, probabilistische Auslegung)
• Kenntnisstand (z.B. Implementierter Modelle, allg. Betriebserfahrungen, Erfahrungen WEA-Fleet)
• Richtlinien, gesetzliche Randbedingungen
• Akzeptanz (Mensch, Naturschutz – Emissionen, Gefährdung)
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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
„Smart“ benötigt mehr Digitalisierung in jeder Phase !
Entwurfs-, Design-, Planungsphase:
• Optimierte Auslegungsmethoden und durchgängige Toolketten, Modellierung & Simulation, …
• Leistungsfähige Kommunikationsschnittstellen, intelligente Sensoren und Aktuatoren, …
Validierungs- und Testphase:
• Design for Test DFT, of Experiment DOE, Testmanagementsysteme, virtuelle Tests, Digital Twin, …
Produktions-/ Herstellungsphase:
• Individuelle Zustandscharakterisierung (t = 0) & Werkstoff/Prozessdaten,, IIoT, Input Digital Twin, ...
Errichtungsphase:
• Erfassung und Update des Zustand bis zur Inbetriebnahme, Input Digital Twin, …
• Smart WEA-Commissioning – selbsttätiges Einmessen, Anmeldung beim Parkregler, …
Rückbau-, Recyling-, Entsorgungsphase:
• Identifikation der technischen / wirtschaftlichen Gebrauchsdauer durch Digital Twin, …
• Digitale Signatur/ Recyclingpass über Inhaltsstoffe: Wertstoffen, Gefahrstoffen, usw.
Datenformate
Datenbanken
Daten- und Prozessmodelle
Schnittstellen / Verknüpfungen
Standardisierung !
Betriebsphase:
• „echtes“ CMS & SHM–Restlebensdauerermittlung, Zuverlässigkeitsregelung, Digital Twin, 5G, IoT,…
• selbsttätige Performance Bewertung / Konfigurationsmanagement, Fleet Data Space, KI, …
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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Aktueller Designprozess einer WEA
Vermessung der Standortbedingungen grobe Klassifizierung WEA Auslegung
klassenbezogen !
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WEA Auslegung mit Hilfe von Simulationen
FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Standardisierte Gesamtanlagensimulation - Zeitverläufe
Viele Softwaretools am Markt – signifikante Varianz der Ergebnisse
Verifizierung von neuem Code erfolgt überwiegend durch vergleichende Simulationen!
Validierung der Ergebnisse u.a. durch Feldvermessung, Windkanalmessungen
Blade 1 out-of-
plane shear
force at root
Electrical
generator
power
Low speed
shaft
torque
OC4 – Results of Coupled Simulations of an Offshore Wind Turbine with Jacket Support Structure, Popko et al., 2012
- 6 -
Quelle: Boorsma, K.; Schepers: J.G.: „Mexnext: Definition of first round of calculations“, October, 2015
Quelle: Madsen, H. Aa. et al.: „Measured aerodynamic forces on a full scale 2MW turbine in comparison with EllipSys3D and HAWC2 simulations“, Torque 2018
FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Analyse der simulierten Lasten mittels Zählverfahren
Fatique Lasten
Extremlasten
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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Materialeigenschaften, Fertigungsqualität & Toleranzen
Static
Strength
endurance
strength
Fatigue strength
variance
number of cycle
failure
probability
Lo
gari
thm
of
the
alt
ern
ati
ng
lo
ad
ing
Mean stress sensitivity for metallic materials sample: flat rod with internal notch
Gray cast
cast steel
steel
annealed
cast iron
Al-alloy
Titanium-alloy
𝐿10 =𝐶
𝑃
𝑝in 106 rev.
𝐿10ℎ = 𝐿ℎ ∙106
60 ∙ 𝑛
1
𝐿= 𝑛1 ∙
𝑞1
𝐿1+ 𝑛2 ∙
𝑞2
𝐿2+⋯+ 𝑛𝑛 ∙
𝑞𝑛
𝐿𝑛= 𝑛𝑖 ∙
𝑞𝑖
𝐿𝑖
𝑛𝑖=1 with 𝐿𝑖 =
𝐶
𝑃𝑖
𝑝
Verkettung von Sicherheitsfaktoren im aktuellen Designprozess
𝝈𝑾
∗ = 𝝈𝑾 𝑪𝑶 𝑪𝑮 𝑪𝒔𝒐𝒏𝒔𝒕. = 𝝈𝑾 𝑪𝒈𝒆𝒔.
- 8 -
!
FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Monte Carlo Simulation
Response surface methode
Design
input variables
Simplified Schematic of a
Probabilistic development process / tool chain
Pre-processing Definition
der Unsicherheiten
Post-processing Design Optimierung
•S
en
sit
ivit
y a
naly
sis
•D
istr
ibu
tio
n o
f fa
ilu
res
a
nd
oth
er
de
sig
n g
oa
ls
Dete
rmin
isti
c S
imu
lati
on
mo
del
or
su
b-m
od
els
(M
KS
, F
EM
, etc
.)
Probabilistic algorithms and deterministic models
Smartes Design = Berücksichtigung der Unsicherheiten
Möglichst durchgängige probabilistische Auslegungsmethodik für WEA
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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Smartes Design = Smarte Systeme z.B. Smart Blades
Verwendung von intelligenten Sensoren und zusätzlicher Aktuatorik
Hohe Lasten & Lastwechsel, u.a. durch
• Heterogene & turbulente Zuströmung
• Maximierung der Windernte
• Lange Blätter für hohe Ausbeute
bereits bei geringen Windgeschwindigkeiten
• Späte Abschaltung bei hohen
Windgeschwindigkeiten
Kompensation durch Flexibilität - Smart Blades
• Passive Technologien mit planmäßiger
Biege-Torsions-Kopplung
• Aktive Technologien mit flinken Mechanismen
an Vorder- oder Hinterkanten
• Optimierte Controller
Source: Oltmann (DLR)
Source: Manso Jaume (DLR), 2015
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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Rotor der Zukunft
Aerodynamik:
Turbulenz,
Interaktion,
Nachlauf
Datenfernerkundung:
Topographie,
Windverhältnisse
Akustik: Entstehung, Ausbreitung,
Wirkung Aeroelastik:
Betriebseigenschaften,
Deformation,
Dynamische Stabilität
Produktion:
Kosten,
Verfahren
Fertigbarkeit
Struktur:
Dimensionierung,
Deformation,
Strukturelle Stabilität
Meteorologie:
Turbulenz,
Schichtung,
Orographie
Optimierung:
Zielfunktion,
Randbedingung,
Ersatzfunktion
Smart in der Designphase – durchgängige Toolketten
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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Smart in der Designphase – durchgängige Toolketten
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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Smart in der Designphase – durchgängige Toolketten
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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Smart in der Designphase – durchgängige Toolketten
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Toolentwicklung (off- und online Optimierung)
FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Smarte Tests und Validierung von smarten WEA
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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Smarte Tests und Validierung von smarten WEA
Beispiel: Reliablade (virtuelles Testen, Digital Twin, IIoT)
Quelle: DTU Wind Energy, Xiao Chen Öffentlich gefördertes binationales Forschungsprojekt
DTU Wind Energy, ForWind Hannover, Fraunhofer IWES
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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Smart Work-Station - Instrumentierte Fertigung
IIoT, Digital Twins von Komponenten in der Produktion, Digitale Recylingpässe,
Smart-Work-Station (SWS) % Eco-Efficiency Assessment Model (EEAM)
Sensoren in der Form Kameras zur Überwachung
Modellupdate und
Qualitätsbewertung
Anwenden auf
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Quelle: DLR
FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Smarter Aufbau / Installation von WEA / Parks
Quelle: esa buisness applications
Schlüssel sind auch hier Daten, Kommunikationstechnologien, digitale Modelle
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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Smarter Aufbau / Installation von WEA / Parks
Schlüssel sind auch hier Daten, Kommunikationstechnologien, digitale Modelle
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IWES Offshore Times
FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Smart in der Betriebsphase – Lieferung von kWh & mehr
American Public Power Association/unsplash.com
What‘s the best way to operate a wind turbine?
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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
U.S. Air Force photo/Lance Cheung
What‘s the perfect time for maintenance?
Smart in der Betriebsphase – O&M Strategie
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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Smart in der Betriebsphase – Ende der Nutzung
Karsten Würth/unsplash.com
23
ye
ars
17
ye
ars
32
ye
ars
24
ye
ars
26
ye
ars
31 y
ears
29
ye
ars
2
7 y
ea
rs
25 y
ears
22 y
ears
What‘s the perfect time to repower a wind farm?
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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Welche Anlagenzuverlässigkeit streben wir an ?
Steeper slope: more predictable failure behavior
Lifetime extension
for all turbines
T. Meyer, IWES 2017
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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Zuverlässigkeit ist (gezielt) beeinflussbar Weak systems are preserved
Strong systems work harder
T. Meyer, IWES 2017
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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Reliability Control – KWh vs. Fatigue Budget Multiple (contradictory) optimization criteria Pareto principle
Power vs. Damage rate (Reliability) is always
a trade-off
Operating point needs to be selected
carefully
Continuous adaptation required!
T. Meyer, IWES 2017
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En
erg
y y
ield
Pareto-Front
FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Wind turbine
Reliability Control – Prinzip der Zuverlässigkeitregelung
Aerodynamic system
Power-, pitch- and
yaw-control
Condition monitoring
Reliability control
Realtime control of each wind turbine
Supervisory process control
System condition
Control configuration
T. Meyer, IWES 2017
- 26 -
„real“-Condition Monitoring
quantitative online Zustandsbestimmung
(Digital Twin, IoT, …)
FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Selection of
parameters
Selection of
compromise
Real wind turbine
System model
Quantification of objectives
Quantification of objectives
=
Parameter
values
Objective
values
Multiobjective optimization as parameter search
Optimal compromises
Optimal parameters
=
T. Meyer,IWES 2017
Reliability Control – Prinzip einer Implementierung
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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Zuverlässigkeitsregelung von WEA und Windparks
Karsten Würth/unsplash.com T. Meyer, IWES 2017
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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Richtig Smart - eine Art von „Wind Energy“ Data Space
laboratory forecast (wind
& weather)
component
supplier
plant
manufacturer
independent
authorized expert
Diverse activities and support
wind power
plant(s)
controller/
SCADA
WT: Automatic data acquisition
SP: Data acquisition during
maintenance
service/
maintenance
technician
technical operation
Operator: O&M Management
commercial operation
R&D: wind turbine reliability
data base
analysis for optimizing
design and optimizing the
O&M-process
Owner: Investment
technical data
commercial data
Interfaces of data
communication
Quelle: Jung 2015, IEE
Basis: Kontinuierliche Datenerfassung & Datenaustausch und Standardisierung !!!
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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Zusammenspiel der Akteure im „Data Space“
Mehrwert durch Datenaustausch / Dienste / Netzwerke
Quelle: Otto, Boris: Industrial Data Space.
Brief Overview. Dortmund, Oktober 2015,
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• Vertrauensschutz
• Offenheit
• Skalierung
• Governance
• Vernetzung
• Souveränität
• Sicherheit
• Dezentralität
FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Zusammenfassung
Potenziale
• Miniaturisierung, Quantität, Qualität und Automatisierung der Datenerfassung
ermöglichen eine stark verbesserte Datenlage in allen Lebenszyklusphasen
• Umfassende Verknüpfung von Datenströmen mittels leistungsfähigen
Netzwerkarchitekturen, Cloud- und Datenbanklösungen Basis für Datenanalyse
• Smarte Anlagen, Subsysteme und Baugruppen bieten kontinuierliche und aktuelle
Generierung abgeleiteter (höherwertiger) Daten
• Einsatz neuer Datenanalyseverfahren und leistungsfähige Hardware ermöglichen
online- bzw. Echtzeit Auswertungen Neue Geschäftsfelder
Herausforderungen
• Datenhoheit und Datensicherheit müssen technisch und vertraglich gesichert werden
• Smarte Technologien müssen in der Breite und trotz hohem Kosten- und Zeitdruck
weiterentwickelt und eingeführt werden
• Standardisierungen über die Grenzen verschiedener Fachgebiete hinweg sind
erforderlich
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FVEE – Jahrestagung 2018: Die Energiewende – smart und digital
Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!
Fragen ?
COGNITIVE WEA SMART
Was kommt nach SMART