Forschungsprojekt ermöglicht Kostensenkung für Offshore-Windenergie um bis zu 9%

Offshore-Windturbinen sind höheren Windgeschwindigkeiten ausgesetzt als Onshore-Turbinen und zudem mit starken Meeresströmungen konfrontiert, was robustere Konstruktionen und deutlich höhere Kapitalkosten erfordert. Während sie aufgrund der stärkeren Winde mehr Energie erzeugen, führen diese höheren Kosten zu höheren Stromgestehungskosten (LCOE). Im Rahmen des HIPERWIND-Projekts wurden neue Konstruktionssimulationsmodelle entwickelt, die die Stromgestehungskosten um bis zu 9% senken und damit den Bau und Betrieb von Offshore-Windturbinen kostengünstiger und zuverlässiger machen.

In diesem Jahr hat die Windenergie eine kumulierte Installationskapazität von 1 TW erreicht. Es wird erwartet, dass die Kapazität bis zum Jahr 2050 auf 10TW ansteigen wird. Bei dieser Größenordnung ist eine Kostenreduzierung von 9% eine gewaltige Leistung.

Hiperwind Logo„HIPERWIND hat sich zum Ziel gesetzt, die Stromgestehungskosten deutlich zu senken, indem wir herausfinden, wie wir mit Unsicherheiten in der Modellierungskette für Windturbinen umgehen können“, sagt Projektkoordinator Nikolay Dimitrov von DTU Wind. „Wir untersuchten, wie man verschiedene Unsicherheiten quantifizieren und identifizieren kann, angefangen bei den Umweltbedingungen bis hin zu den Lasten und der Zuverlässigkeit der Windkraftanlagen. Mit diesen Informationen konzentrierten wir uns auf die Reduzierung des Materialverbrauchs durch ein besseres Verständnis der Modellleistung und die Verringerung der Unsicherheit. Dieser Ansatz half, den Materialverbrauch zu minimieren und die Energiekosten zu senken. Diese Methodik hat gezeigt, dass es möglich ist, effizientere Systeme zu entwerfen.“

Im Mittelpunkt von HIPERWIND steht der Umgang mit Unsicherheiten. Unsicherheiten führen zu höheren Sicherheitsmargen, zusätzlichen Materialien für Komponenten, kürzeren Wartungszyklen und höheren Kosten für die Finanzierung von Windparks. Das Management von Unsicherheiten ist daher eine Triebkraft für die Senkung von Kosten und Risiken – und damit für die Verbesserung der Produktionssicherheit und letztlich des Wertes der Offshore-Windenergie.


Game changer

„HIPERWIND könnte ein Wendepunkt sein“, sagt Clément Jacquet von EPRI Europe. „Wir haben eine signifikante Senkung der Stromgestehungskosten von bis zu 9% erreicht – und sogar 10% sind möglich, wenn wir den optimistischsten Fall betrachten, den wir haben. Im am wenigsten optimistischen Fall liegt die Senkung immer noch bei 5%“. EPRI bewertete die Auswirkungen der HIPERWIND-Technologien auf die Stromgestehungskosten, was sowohl einen ganzheitlichen Ansatz als auch eine detaillierte Analyse der Kosten von Offshore-Windparks erforderte. Das Ergebnis dieser Arbeit ist ein neuer, anpassungsfähiger Rahmen, den EPRI in zukünftigen Projekten einsetzen wird, um die wirtschaftliche Effizienz von Onshore- und Offshore-Windparks zu verbessern.

Im Rahmen des Projekts wurde eine reale Fallstudie mit dem Offshore-Windpark Teesside vor der englischen Küste durchgeführt, der dem Projektpartner EDF gehört. Anhand von Daten und Modellen, die für den Windpark spezifisch sind, wurden Unsicherheiten bei der Konstruktion von Turbinentürmen und Fundamenten ermittelt und quantifiziert. Anschließend bewertete das Team, ob die verbesserten Kenntnisse die Kosten senken könnten, wenn der Windpark neu gebaut würde.

HIPERWIND konnte so zeigen, dass durch den Einsatz von weniger Material beim Bau der Turbinen die Investitionskosten gesenkt werden können, die etwa 30% der Gesamtkosten für Energie ausmachen. Weitere Kostensenkungen wurden durch die Planung von Wartungsarbeiten in Zeiten niedriger Energiepreise erreicht, was sowohl die Kosteneinsparungen als auch die Betriebseffizienz erhöht.


Verwertung

Durch die Nutzung der Messdaten und fortschrittlicher physikalischer und datengesteuerter Modelle wurde diese Philosophie des Unsicherheitsmanagements und der Unsicherheitsreduzierung in der gesamten Modellierungskette für Offshore-Windturbinen – und darüber hinaus – angewendet.

Auch das IFP Energies Nouvelles (IFPEN) wendet die Ergebnisse von HIPERWIND bereits an und verbessert die Modellierungskette durch eine genaue Quantifizierung der Ermüdungslasten von Windturbinen. „Das Projekt hat einige wichtige Verfahren zur Zuverlässigkeitsauslegung hervorgebracht, die marktreif sind und damit über den Forschungsbereich hinausgehen“, erklärt Martin Guiton vom IFPEN. „Unter Berücksichtigung der Unsicherheiten erreichen wir eine Reduktion der Masse der Windturbinenstruktur um 21%, was sehr viel ist.“

Die ETH Zürich setzt diese Methoden nicht nur bei der Lösung von Windproblemen ein, sondern auch bei Erdbebenproblemen, wie der seismischen Fragilität von Gebäuden in komplexen Umgebungen und dem Entwurf von Hochhäusern bei zufälligen Winderregungen.

„Für das Projekt mussten wir von Grund auf eine neue Methodik entwickeln, um mit Unsicherheiten in hochdimensionalen Inputs und Reaktionen umzugehen“, sagt Senior Scientist Stefano Marelli, Leiter der Professur für Risiko, Sicherheit und Quantifizierung von Unsicherheiten an der ETH Zürich. „Unsere Arbeit an Surrogat-Modellierungstechniken, die die Entwicklung von Algorithmen beschleunigte und eine partnerübergreifende Zusammenarbeit ermöglichte, erwies sich als erfolgreich.“

 

Aufschlüsselung der Ergebnisse

 

Hiperwind wichtige Highlights

 

Weitere Informationen zum Projekt

Das HIPERWIND-Konsortium bestand aus sieben Partnern aus dem akademischen Bereich und der Industrie: DTU Wind and Energy Systems, ETH Zürich, EDF, IFPEN, EPRI Europe, University of Bergen, und DNV.
Dieses Projekt wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union unter der Finanzhilfevereinbarung Nr. 101006689 finanziert und hatte eine Laufzeit von 3,5 Jahren. Es wurde von DTU Wind and Energy Systems geleitet. Alle Daten und Veröffentlichungen, die aus dem Projekt resultieren, sind auf der Website https://www.hiperwind.eu/ öffentlich zugänglich.

Video-Interviews mit den Projektpartnern ansehen:

 

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