Gesamtanlagenvermessung und Simulationen: Wie IWES Windenergiesysteme optimiert und die Schifffahrt nachhaltiger gestaltet

© Jens Meier
Umfangreiche Mess- und Modelldaten helfen bei der Verbesserung von Anlagendesigns.

Zuverlässige Aussagen zu Effizienz, Funktionstüchtigkeit und Lebensdauer von Windenergieanlagen sind für ihre Realisierung unverzichtbar. Zu diesem Zweck vermisst das IWES im Anwendungszentrum für Windenergie-Feldmessungen (AWF) laufende Anlagen, prüft mechanische Beanspruchungen und bestimmt ihr Leistungsverhalten. Zur Erforschung der aero-servo-hydro-elastischen Simulation von WEA programmiert das IWES das MoWiT-Simulationsmodell zur Lastrechnung und Echtzeitsimulation. Das MoWiT dient der Optimierung von Windenergiesystemen und Entwicklung von KI-Modellen. Zudem forciert das IWES die Entwicklung einer nachhaltigen Schifffahrt. In Kooperation mit der Hochschule Emden/Leer liegt der Fokus auf Windantriebssystemen, Designkonzepten und Emissionsreduzierung.

Anwendungszentrum Windenergie-Feldmessungen

Kundenspezifische und akkreditierte Vermessung von Windenergieanlagen

Der rasant wachsende Wettbewerb in der Windenergie verlangt hochqualitative, effiziente Prozesse, mit denen Prototypen und Altanlagen im Feld vermessen, analysiert und optimiert werden können. Entwickler, Hersteller, Betreiber und technische Dienstleister benötigen ebenso wie Banken und Versicherungen zuverlässige Aussagen über die Effizienz, Funktionstüchtigkeit und Lebensdauerperspektive ihrer Anlagen.

Das Anwendungszentrum für Windenergie-Feldmessungen (AWF), eine Kooperation des Fraunhofer IWES und der "fk-wind" der Hochschule Bremerhaven, bietet (als Partner in Forschungs- und Entwicklungsprojekten) die Vermessung laufender Anlagen als Dienstleistung an.

Das AWF verfügt über hochqualifiziertes (wissenschaftliches und technisches) Personal und ist als Prüflaboratorium nach ISO 17025 für die Prüfung mechanischer Beanspruchungen und die Bestimmung des Leistungsverhaltens von Windenergieanlagen akkreditiert. Zudem kann auf die einzigartige Test- und Prüfinfrastruktur des gesamten IWES zurückgegriffen werden.

Das AWF am IWES plant Vermessungen von Windenergieanlagen und führt diese durch. Dabei werden nach Absprache mit dem Kunden die relevanten nationalen und internationalen Normen und Richtlinien angewendet. Erfasst werden zum Beispiel meteorologische Größen und die produzierte Leistung nach IEC 61400-12 und/oder Beanspruchungsgrößen nach IEC 61400-13.

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Neben den Normspezifischen Messungen der Gesamtanlage werden insbesondere auch Messungen von spezifischen Komponenten der Windenergieanlagen (z. B. Lager, Rotorblätter etc.) durchgeführt. Dabei kann das gesamte an den IWES-eigenen Prüfständen erworbene Know-how der anderen IWES-Abteilungen über diese Komponenten in die Planung, Durchführung und Auswertung der Messkampagnen einfließen.

Zur Auswertung und Interpretation der Messdaten werden außerdem die wichtigsten Betriebsdaten der Windenergieanlage, wie z. B. Azimutposition und Drehzahl, miterfasst. Zusätzlich bietet das AWF an, an allen Anlagenkomponenten spezielle Messkampagnen (z. B. nach VDI 3834) sowie weitere kundenspezifische Messungen durchzuführen. Dies umfasst unter anderem die Vermessung des aeroelastischen Verhaltens von Rotorblättern, bei dem in den vergangenen Jahren umfangreiche Erfahrungen gewonnen werden konnten. Im Bereich der Akustik bietet das AWF sowohl Messungen des Gesamtschalldruckpegels gemäß IEC 61400-11 als auch Messungen mit der akustischen Kamera zur Lokalisation von Geräuschquellen an.

Zertifizierung I Akkreditierung

Ausblick von oben: Ausführung von standardisierten und kundenspezifischen Messkampagnen an Windenergieanlagen © Fraunhofer IWES

Kompetenz in der Anwendung

 

Mehr Energieertrag durch individuelle Steuerung von Rotorblättern

 

Aerodynamik bei hohen Reynoldszahlen für große Offshore-Windenergieanlagen

 

Prädiktive Regelungen realisierbar durch Punktmessung vor dem Rotor

Gesamtanlagendynamik

Simulative Analyse der Systemdynamik, Lasten und Frequenzen von Windenergieanlagen

Die Gruppe Gesamtanlagendynamik am Fraunhofer IWES forscht auf dem Gebiet der aero-servo-hydro-elastischen Simulation von Windenergieanlagen (WEA). Im Fokus steht die Verbesserung von Simulations- und Validierungsmethoden für On- und Offshore sowie für schwimmende Windenergieanlagen. Dafür wurde das MoWiT-Simulationsmodell für die Lastrechnung und die Echtzeitsimulation programmiert. MoWiT bildet die Grundlage zur Optimierung von Windenergiesystemen mittels eines eigens entwickelten Python-basierten Optimierungs- und Automatisierungsframeworks sowie zur Entwicklung von KI-Modellen.

Durch kundenspezifische Simulationsstudien werden Fragen, wie die Fähigkeit schwimmender Windenergieanlagen zur Selbstausrichtung und Rückwirkung auf den Energieertrag, beantwortet und der Gültigkeitsbereich aktueller Simulationsmodelle durch Anwendung neuer Validierungsmethoden abgesichert.

 

Die MoWiT-Simulationsbibliothek

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Schwimmende Windenergie

Das Fraunhofer IWES forscht auf dem Gebiet der schwimmenden Windenergieanlagen und bietet Dienstleistungen von der Modellierung bis zur Validierung numerischer Simulationsmodelle an. Das umfasst die Validierung von Herstellerangaben zur Dynamik des schwimmenden Systemmodells durch numerische Simulationsstudien und den Vergleich mit Messdaten aus Tanktests. Ebenfalls dazu gehören simulative Untersuchungen zur Selbstausrichtungsfähigkeit bei Verwendung einer Single-Point-Mooring und die resultierende Auswirkung auf den jährlichen Energieertrag.

Das Leistungsspektrum umfasst auch das Skalieren schwimmender Windenergiesysteme auf zukünftige Anlagengrößen. Für verschiedene Fundamentkonzepte können so mechanische Lasten bestimmt und Kosten zukünftiger, schwimmender Windparks bewertet werden.

Für künftige Fragestellung zur Erbringung von Systemdienstleistungen werden in einem ganzheitlichen Ansatz Modelle der Leistungselektronik und vom mechanischen Triebstrang gekoppelt und deren Wechselwirkung bei Netzfehlern sowie die Auswirkung auf die Dynamik der schwimmenden Windenergieanlage untersucht.

© Fraunhofer IWES
Schwimmende Windenergiesysteme

Echtzeitmodelle für Hardware-in-the-Loop

Das schwimmende Systemmodell in MoWiT ist echtzeitfähig und eignet sich damit zur Integration in gängige Echtzeithardware (z. B. Opal-RT, Beckhoff) für Hardware-in-the-Loop Anwendungen. MoWiT wird unter anderem an den IWES-Prüfständen DyNaLab und HilGridCop als Echtzeitmodell zur Hardware-in-the-Loop-Simulation als digitaler WEA-Zwilling der Kunden-WEA eingesetzt.

Gültigkeitsbereich von Simulationsmodellen

Für künftige Anlagengrößen spielen Komponententests eine immer größere Rolle, wodurch die Relevanz von validierten Komponentenmodellen weiter steigt. Das IWES bietet Validierungsmethoden, die den Gültigkeitsbereich existierender Simulationsmodelle bewertbar machen und dem Kunden dabei helfen, Risiken in der Modellierung zu reduzieren.

© Fraunhofer IWES
Komponenten einer Offshore-Windenergieanlage in MoWiT.

Zertifizierung I Akkreditierung

IEA Task 30 OC4 Phase II schwimmende Halbtaucher Offshore-Windenergieanlage in MoWiT © Fraunhofer IWES

Kompetenz in der Anwendung

 

Potenzial für Offshore-Windenergie an Standorten mit mittleren Windgeschwindigkeiten

 

Einfluss von flexiblen Regelungsstrategien auf Windenergieparks

 

Marktakzeptanz für schwimmende Windenergieanlagen beschleunigen

Nachhaltige Maritime Mobilität

Entwicklung, Bau und Betrieb zukunftsweisender Windantriebssysteme für die Schifffahrt

Die Fraunhofer Arbeitsgruppe „Nachhaltige Maritime Mobilität“ (NMM) des IWES stärkt die Forschung und Entwicklung für eine nachhaltige Schifffahrt. Unter gemeinsamer Leitung konzentrieren sich die Teams der Hochschule Emden/Leer in Leer und des Fraunhofer IWES in Bremerhaven auf Windantriebssysteme, Designkonzepte und wissenschaftliche Studien für eine emissionsfreie Schifffahrt.

Systemunabhängige Forschungs- und Beratungsleistungen für die Berufsschifffahrt

Die Arbeitsgruppe NMM liefert systemunabhängige Forschungs- und Beratungsleistungen zu allen diskutierten Windantriebssystemen für die Berufsschifffahrt. Das Spektrum reicht von Flettnerrotoren, Wing- oder Dyna-Riggs bis zu Membran- und klassischen Tuchsegeln. Im experimentellen Bereich bildet das Maritime Technikum in Leer das Herzstück.

Die einzigartige Prüfinfrastrukturen der weiteren Standorte des IWES ergänzen die Validierungsmöglichkeiten bis zum Originalmaßstab. Durch die langjährige Erfahrung aus dem Bereich der Offshore-Windenergie werden in der Arbeitsgruppe Synergien geschaffen.

Expertise durch Crossover- und Upscaling-Effekte

Die gemeinsamen methodischen Schwerpunkte liegen im Bereich der maritimen Hydro- und Aerodynamik, der Automatisierungs- und Systemtechnik und der Werkstofftechnologie. Hybride Modellkonzepte ergeben sich aus der Verschneidung leistungsfähiger Modellierung und Simulation mit Messtechnologie im Labor und auf See. Eine besondere gemeinsame Expertise liegt in der Nutzung sogenannter Crossover- und Upscaling-Effekte zwischen Segeltechnologie und klassischen Windenergiesystemen.

Kompetenz in der Anwendung

 

Hybridschiffe aus leistungsfähigen Segelsystemen und wasserstoffbasierten Antrieben

 

Flettnerrotor für unterschiedliche Schiffstypen weiterentwickeln

 

Broschüre: Nachhaltige Berufsschifffahrt