“Reduzierung der kWh-Kosten erneuerbarer Energie durch...

1Dipl.-Ing. Jörg Litzba (G&GC, PT)

Hannover 05.04.2011 – MDA-Forum

Reduzierung kWh-Kosten erneuerbarer Energie / Erhöhung Zuverlässigkeit von Windkraftgetrieben

MDA-Forum Hannover Messe

“Reduzierung der kWh-Kosten erneuerbarer Energie durch Erhöhung der Zuverlässigkeit

von Windkraftgetrieben”

Hannover, 05.04.2011




Inhalt der Präsentation¬ Kennzahlen Hansen Transmissions Int. N.V.

¬ Einleitung

¬ Kostenreduzierung aus konstruktiver Sicht

¬ Aspekte der Zuverlässigkeit

¬ Methoden und Technologien zur Zuverlässigkeitserhöhung bei Hansen � DORoTe

� 13.2 MW Prüfstand

� Dynamischer Lagersystemprüfstand

� Dynamische Simulation (MKS)

� Komponenten

¬ Zusammenfassung




Kennzahlen Hansen Transmissions¬ Hansen Transmissions Int. N.V.

� Produkte: Design, Fertigung und Service von Getrieben für Windkraftanlagen

� Hauptsitz: Kontich (Belgien)

� Produktionsstandorte in Belgien , Indien und China

� Kunden: Vestas, Gamesa, Siemens, Suzlon, Repower, Sinovel und andere




Kennzahlen Hansen Transmissions




Einleitung¬ Signifikante Veränderung des Marktes für Windenergie innerhalb der

letzten 2 Jahre:� Marktverschiebung hin zu einem Käufermarkt

� Hart umkämpfter chinesischer Markt

� Veränderung erfordert unter anderem:- Kostenreduzierung- Erhöhung der Zuverlässigkeit- Reduzierung Time to Market




Einleitung – Kostenmodell Windenergie¬ Kostenmodell einer Windkraftanlage:

� 50% der Anlagenkosten durch Turm und Rotor� ca. 20% der Anfangsinvestition durch Netzanbindung

und Fundament (Onshore)� ca. 2% Betriebs- und Wartungskosten

(Basis Onshore, eventuell höher bei Offshore)

Quelle: Deutsche Energie-Agentur (www.thema-energie.de), MAKE 10/2010

Kosten kWh = CAPEX + O&M

jährliche Stromproduktion x Laufzeit [Jahren]




Einleitung – Imageproblem Getriebe¬ Negatives Image von Getrieben für Windkraftanlagen, aufgrund von

Schäden in der Vergangenheit

¬ Untersuchungsergebnisse des EU-Projektes „Reliawind“ zeigen ein anderes Bild:� Getriebe außerhalb der Top 5 der unzuverlässigsten Komponenten (u.a. Pitch,

Yaw, Frequenzumrichter, Generator)

� Getriebeschäden resultieren allerdings in höherer Downtime,Nummer 5 bezüglich höchster Downtime

� Downtime durch Getriebeausfall jedoch signifikant niedriger verglichen mit z.B. Pitch, Frequenzumrichter, Generator




Einleitung – Imageproblem Getriebe

Quelle: EWEC 2010Anmerkung: Ergebnisse auf Basis von 31500 Downtime Events




Kostenreduzierung aus konstruktiver Sicht –Ein Blick auf zukünftige Getriebe

¬ Leistungssteigerung bei Onshore und Offshore Windkraftgetrieben

¬ Beispiel: Trend bei Offshore zu MMW-Getrieben:� 2 – 3.6 MW Turbinen aktuell im Markt in Serienproduktion

� Aktuelle Turbinenentwicklungen 5 – 6 MW

� Zukünftige Turbinen von 7 – 15 MW

¬ Herausforderungen:� Abmessungen und Gewicht MMW Getriebe

� Offshore Windparks weit vor der Küste

� Kosten pro kWh Windenergie im Vergleich

zu anderen Energieträgern




Kostenreduzierung aus konstruktiver Sicht –Konzeptuelle Möglichkeiten

Getriebevolumen

Leistungsdichte

Optimierung des Standart Getriebedesign durch Ausnutzung bekannter

technischer Möglichkeiten

Optimierung Getriebedesign durch Ausnutzung bekannter

technischer Lösungen z.B. auf Basis von FVA Ergebnissen

Getriebemasse

Neue Getriebekonzepte, anlagenoptimierte Lösung unter

Ausnutzung bekannter und Entwicklung neuer Lösungen

Getriebemasse

Getriebevolumen

Leistungsdichte

Konventionelles Getriebedesign auf Basis bestehender Normen

und Richtlinien

Getriebemasse

Getriebevolumen

LeistungsdichteVariante 2Variante 1




aktuelle Werkstoffe,aktuelles Komponentendesign,

aktuelle Randbedingungen (z.B. Normierung)

traditionelle Fertigungsstandorte

Kostenreduzierung aus konstruktiver Sicht –Ansatzpunkte in Design und Fertigung

Neue Getriebekonzepte: „Low Speed Hybrid“ oder

„Vollintegriert“, Fertigung von MMW Komponenten

mit konventionellen Maschinen, Vermeidung hochkomplexer

Speziallösungen

Ausgangssituation

andere Werkstoffe,Standardisierung von

Komponenten, Fertigung in Low-Cost Ländern =

Design für globale Fertigung, Reduzierung überflüssiger Sicherheiten (z.B. Wellen)

Erhöhung der Effizienz im Antriebsstrang am Beispiel Windkraftgetriebe: niedrigere Rauheiten, optimierte Schmierung




Kostenreduzierung aus konstruktiver Sicht –Designlösungen zur Unterstützung von O&M

¬ Ziel: Vermeidung (Begrenzung) von Downtime der Turbine und Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit

¬ Einsatz von CMS zur frühzeitigen Erkennung von Schäden und Planung von Wartungsaktivitäten

¬ Getriebedesign mit Austauschmöglichkeiten im Feld:� Beispiel: 3te Stufe konventioneller

PHH oder PPH Getriebe, Ritzel und Lager in der Turbine austauschbar – daher kein Getriebeaustausch notwendig




¬ “Design for Reliability”(Zuverlässigkeit ist die Basis einer jeden Auslegung) � Failure Mode Avoidance = essentieller Bestandteil des Designprozesses

� Langjährige Erfahrung notwendig – Analyse des Einsatzverhaltens im Feld(incl. statistische Untersuchung, Beispiel Hansen: weit über 20.000 Windkraftgetriebe im Feld im Einsatz)

� Reduzierung Downtime = Kostenreduzierung

¬ Technologische und konstruktive Neuerungen erfordern eine ausgiebige experimentelle Validierung

¬ Randbedingungen:� Alle Getriebekonzepte benötigen eine exakte Kenntnis der auftretenden

Belastungen

� Grenzen der Auslegung bei erhöhter Leistungsdichte müssen bekannt sein

� Interaktion des gesamten Antriebsstranges muss bekannt sein

Aspekte zur Zuverlässigkeit




¬ DORoTe = Design Operational Robustness Test� Verschnellter Lebensdauertest von Getriebe und allen Getriebestrukturen

� Lastfälle entsprechen den Bedingungen der realen Windturbine(z.B. typischen Time Series von Kunden für die Getriebeauslegung)

� Zeitraffung im Test: 2 Jahre Feldeinsatz werden in 3 Monaten abgebildet

¬ Hochmodernes CMS-System zur konstanten Überwachung

¬ Komplette Demontage, Inspektion und Dokumentation aller Bauteilenach Testende, vergleichbar einer ausführlichen Prototype Validierungnach der Felderprobung

¬ Zielsetzungen:� Frühzeitige Entdeckung möglicher Fehler während der Prototypen Fase, vor

der Felderprobung.

� Aufdeckung unerwarteter Fehler und Fehlermodes, durch Integration von Low-load Bedingungen und transienten Belastungsfällen (z.B. Notstop)

Methoden und Technologien zur Zuverlässigkeitserhöhung: DORoTe




Methoden und Technologien zur Zuverlässigkeitserhöhung: DORoTe

wind rotor drive train generator electricitygrid

tow

er

sea waves

Controlsystem

Umsetzung der realen Belastungen in ein

Prüfstandsprogramm




¬ Dynamischer Getriebeprüfstand im Back-to-back Verfahren

¬ Nominale Leistung: 13.2 MW

¬ Maximale Leistung: 16.8 MW

¬ HALT (Highly Accelerated Lifetime Testing)

¬ Repräsentative Lastbedingungen:� Dynamische Lastfälle: Start-Stop, variable Last bei nominalem Betrieb

� Notstopp Situationen

� Stationäre Lastbedingen

¬ Drehzahl: bis 2600 U/min

¬ Investition: ~ 10 Millionen €

¬ Größe:� Fundament: 35 m x 10 m

� 1000 t Stahl & 1000 m³ Beton

Methoden und Technologien zur Zuverlässigkeitserhöhung: 13.2 MW Prüfstand




¬ Weltweit einzigartiger Lagerprüfstand

¬ Versuchsanordnung entspricht dem Design der Lagerlösung im Windkraftgetriebe:� Lagergröße

� Lageranordnung

� Belastungen aus Windkraftanlage

¬ Spezielles Prüfstandsdesign ermöglicht Abbildung von:� Verformung aus Wellen / Gehäuse

� Echte Lastverteilung im Lager

� Reale Schmierbedingungen

¬ Versuche basieren auf DORoTe

¬ Ziel: robuste Lageranordnungen

Methoden und Technologien zur Zuverlässigkeitserhöhung: Lagersytemprüfstand




¬ Komplexe Mehrkörpermodelle (MKS-Modelle) von Windkraftgetrieben

¬ MKS-Modell = unbegrenzte Anzahl von Sensoren im Vergleich zu limitierter Sensoranzahl am realen Getriebe

¬ Validierung der MKS-Modelle in kontrollierter Prüfstandsumgebung

¬ Bestandteil der Produktentwicklung mittels „Virtual Drivetrain“

¬ Zielsetzungen:� Vorhersage dynamischer Phänomene

während des Designprozesses

� Globale und lokale Resonanzanalyse

� Analyse der Wechselwirkungen (Getriebe in Turbine) in Zusammenarbeitmit dem Turbinenhersteller

� Reduzierung Time-to-Market

Methoden und Technologien zur Zuverlässigkeitserhöhung: MKS-Modelle




¬ Beispiel Verzahnungen:� FZG- und Pulsatorprüfstände

� Prüfung der Zahnradtragfähigkeit an repräsentativen Prüfverzahnungen

� Validierung von Schmierstoffen (z.B. Graufleckentragfähigkeit)

� Beurteilung neuer Lieferanten (Werkstoffe)

Methoden und Technologien zur Zuverlässigkeitserhöhung: Komponenten




Zusammenfassung¬ Getriebe sind ein essentieller Bestandteil heutiger und zukünftiger

kosteneffizienter Windkraftanlagen

¬ Die Zuverlässigkeit von Getrieben wird durch F&E weiter ansteigen –Downtime wird deutlich sinken

¬ Methoden und Technologien sind in der Lage Belastungen besser zuquantifizieren und werden beitragen Getriebe kleiner, leichter und billiger zu machen

¬ Kleinere und leichtere Getriebe ermöglichen insgesamt kompaktere Antriebsstränge in Windkraftanlagen. Hierdurch können auch Türme, Fundamente und notwendige logistische Maschinen kleiner und damit auch deren Kosten reduziert werden

¬ Hierdurch wird der kWh Preis der Windenergie gesenkt.




Danke für Ihre Aufmerksamkeit!




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