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

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Gliederung

• Historisches der Windenergie

• Aktuelle Forschung

• Internationale Forschungszentren

• Visionen der Zukunft

Chinesische Windmühle, etwa 1000 n.Chr. [wikipedia]

Offshore-Windpark alpha ventus

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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

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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

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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

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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

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• Pionierarbeit in Vindeby 1991

• 11 x 450 kW Bonus WEA

Prognose: Offshore-Markt, Europa

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Bis 2020: überdurchschnittliches Wachstum

Prognose: Offshore-Markt, Europa

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2020 – 2030: kontinuierlicher Zubau

Prognose: Offshore-Markt, Welt

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Offshore-Windenergie wird auch mittelfristig ein europäisches Thema bleiben

Offshore-Markt: globale Entwicklung

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Wesentliche OEMs im aktuellen Markt

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Forschungsverbund ForWind - IWES

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ForWind Hannover(Koordinationsbüro

ForWind-IWES)

ForWind Oldenburg(Geschäftsstelle)

ForWind Bremen

IWES Bremerhaven

IWES Kassel

IWES Gruppe„Tragstrukturen“

IWES Gruppe„Numerische

Strömungs- und Systemdynamik“

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Gliederung

• Historisches der Windenergie

• Aktuelle Forschung

• Internationale Forschungszentren

• Visionen der Zukunft

Offshore Round 3 in Großbritannien

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• 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

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Deutsche Offshore-Projekte

[BSH]

Herausforderungen: Entfernung zur Küste, Wassertiefe, Boden

Deutsche Nordsee

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Nordsee, In Betrieb

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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

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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

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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

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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

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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

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Deutsche Offshore-Bedingungen im internationalen Vergleich, Quelle: EWEA

Durchschnittliche Wassertiefe in m

Du

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Forschung im Offshore-Testfeld alpha ventus www.rave-offshore.de

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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

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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

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2011: über 4400 Volllaststunden und bis zu 97 % Verfügbarkeit

Messdaten aus alpha ventus

Forschung an Tragstrukturen

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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?

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• 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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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?

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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

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Gliederung

• Historisches der Windenergie

• Aktuelle Forschung

• Internationale Forschungszentren

• Visionen der Zukunft

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Internationale Forschungszentren

Schwerpunkt: Erneuerbare Energien

NREL

RISØ / DTU

ECN / TUDCENER

NaRECIWES / ForWind

• Biomasse• Geothermie• Brennstoffzellen• Solarenergie• Windenergie• Photovoltaik•

Gebäudenachhaltigkeit

• Netzintegration

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Gliederung

• Historisches der Windenergie

• Aktuelle Forschung

• Internationale Forschungszentren

• Visionen der Zukunft

Schwimmende Anlagen

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• Konzepte schwimmender Windenergieanlagen für das Mittelmeer

• Realisierung bis 2020 denkbar

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Schwimmende Windkraftwerkplattform, Quelle: green-hype.de ©Hexicon

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