Tätigkeitsfelder
Floating Structures
Windkraftanlagen in tiefen Gewässern
.In tieferen Gewässern, ab etwa 50 Meter Tiefe, können Windkraftanlagen nicht mehr auf bekannte Fundamente, wie Monopile, Tripod oder Jacket gestellt werden. Stattdessen werden sie schwimmend befestigt. Das bietet hinsichtlich der Kosten sogar Vorteile. Während die herkömmlichen Gründungsstrukturen für jeden Standort gesondert zu berechnen und zu bauen sind, können floating structures universell für einen Anlagentyp wie am Fließband entwickelt und gebaut werden. Hauptsache das Wasser ist tief genug. In Frage kommen an der Wasseroberfläche schwimmende Plattformen oder aber auch Schwimmkörper, deren Schwerpunkt weit unterhalb der Wasseroberfläche liegt und die somit eine hohe Lagestabilität gewährleisten. An der Wasseroberfläche schwimmende Plattformen sind hier klar im Nachteil, weil sie die Wellenbewegung mitmachen müssen. Es entsteht hier zudem der physikalische gyroskopische Effekt, den man aus Schulversuchen mit drehenden Fahrradreifen kennt. Die Verbindung zum Meeresgrund erfolgt jeweils über Drahtseile. Durch diese Konzepte ist es möglich, Windkraftanlagen auch vor der Küste Norwegens, Kaliforniens oder den Großen Seen in den USA zu errichten. Die Stabilität gegen pitch und roll wird durch die Verankerung und dem Auftrieb erreicht. In der Simulation ist ein gekoppeltes nichtlineares Modell für eine aero-hydro-servo-elastische Untersuchung zu bewerten. In Polarregionen bleiben Eislasten zu berücksichtigen. In Frage kommt hier beispielsweise das Simulationsprogramm FAST des US-Amerikanischen Instituts NREL. Wichtig ist es, die MetOcean Parameter mit statistischen Methoden sorgsam zu analysieren und entsprechend (statistisch) in dem Simulationsmodell zu berücksichtigen. Zur Bestimmung der Lastfälle kann die Norm IEC 61400-3 dienen. Erwartungsgemäß liefern die Extremereignisse von Wind und Welle für 1- und 50 Jahre übergroße Lasten, die es zu beherrschen gilt. Hinzu kommt, daß man im Pazifik nicht nur mit hohen Wellen aus Dünung und Sturm sowie Tsunamis zu kämpfen hat. Es besteht auch die Gefahr von Hurrikans, auch wenn bislang wohl keiner das kalifornische Festland erreichte. Dem Verhalten der Extremlasten folgt auch das Fatigue-Verhalten. Die Barge schneidet hier generell wieder am schlechtesten ab. EnBW beabsichtigt, schwimmende Anlagen in der Nähe von Los Angeles zu errichten. Somit bietet sich hier Gelegenheit, Erfahrung zu sammeln.
Strukturen im Eis
Berücksichtigung von Treibeis in der Lastrechnung
Offshore Windkraftanlagen (WKA) in der nördlichen Ostsee, wie auch in den großen Seen in Nordamerika, stehen in eisbelasteten Gewässern. Entsprechend bleiben die dynamischen Lasten von Meereis im Hinblick auf die Funktionsfähigkeit der WKA zu untersuchen.
Hierzu begannen bereits in 2013 bei Hochtief in Hamburg Untersuchungen zur Wirkung eisbelasteter Gewässer, insbesondere der nördlichen Ostsee, auf WKA. Eine Kooperation mit Entwicklern der Simulationssoftware für Windkraftanlagen HAWC 2 der Technischen Universität Kopenhagen in Risö sowie mit Eisspezialisten des technischen Forschungszentrum VTT von Finnland wurde begonnen. Mit dem Wechsel der Geschäftsführung von Hochtief wurde die Offshore-Abteilung in Hamburg aufgelöst und das Projekt beendet. Fortan untersuchte VTT intern entsprechende Simulationsmodelle.
Daneben beauftragte auch das National Renewable Energy Laboratory (NREL) der USA das Zertifizierungsunternehmen DNV in Kopenhagen mit der Entwicklung einer solchen Simulationsumgebung.
Das Hauptproblem jeweils ist, daß die notwendigen Eingangsdaten nicht bekannt sind. In loser Folge soll hier die Problematik diskutiert und Lösungsmöglichkeiten aus der Strukturdynamik aufgezeigt werden.
Künstliche Intelligenz
Neuronale Netze in der Offshore Windindustrie
In der künstlichen Intelligenz treffen Softwareprogramme automatisierte Entscheidungen. In der Teildisziplin Maschinelles Lernen bilden Trainingsdaten die Grundlage, anhand derer ein
Algorithmus mit den Mitteln der Datenanalyse entsprechenden Entscheidungen veranlaßt. Welche Entscheidungen das sein sollen, müssen allerdings vorgegeben werden.
Die Methoden der künstlichen Intelligenz erlauben es aber, Ausfallzeiten und Reparaturabläufe von Offshore Windkraftanlagen zu optimieren. Dazu wird das Anlageverhalten zunächst in Echtzeit simuliert und dann mit den gemessenen Ist-Parametern verglichen. Die zentrale Steuerung ermöglicht dem System, die selbstständige Analyse der Fehler und bewertet die Dringlichkeit zu deren Behebung. Angesichts der Schwierigkeiten, die Offshore Windkraftanlagen hinsichtlich Wetterverhältnisse, weite Entfernung vom Festland usw. mit sich bringen, wird so der Zustand eines Windparks in Echtzeit maschinell bewertet und Reparaturmaßnahmen eingeleitet.
Zur Anlagensimulation sind die Methoden bekannt.
Ein weiterer Punkt ist die Steuerung der Windparks hinsichtlich des aktuell tatsächlich benötigten Stromverbrauchs. Im Gegensatz zu Kohle-, Öl- und Gaskraftwerken ist hier die Stromerzeugung von aktuellen Wetterbedingungen abhängig. Um die fossilen Kraftwerke ersetzen zu können, muß deshalb nicht nur der Stromverbrauch räumlich und zeitlich vorhergesagt werden können, sondern auch die Wetterverhältnisse am jeweiligen Standort der Windkraftanlagen. Somit ist auch hier der Einsatz von künstlicher Intelligenz naheliegend. Mithilfe neuronaler Netze kann die Vielzahl der Daten aus den Sensoren der Anlage mittels maschinellen Lernens verarbeitet werden. Es werden Muster erkannt und entsprechend beispielsweise der Anstellwinkel der Rotorblätter verändert. Bei Böen oder Änderung der Windrichtung ändert sich die Leistungsfähigkeit der Anlage. Mittels einer Änderung der Anstellwinkel der Rotorblätter kann die Änderung ausgeglichen werden.
Jedoch müssen für dieses Spielchen auch Vorhersagen zum Stromverbrauch getroffen werden. Hierzu liegen den Energiekonzernen Daten vor, die mittels statistischer Datenanalyse ausgewertet werden können. So kann beispielsweise vorhergesagt werden, wie sich der Stromverbrauch in der Halbzeitpause eines Fußballspieles ändert. Diese Daten fließen dann über maschinelles Lernen direkt in die Steuerung der Windkraftanlagen ein.
Offshore Windenergie hat mithin mehr mit Mathematik und Physik zu tun, als man als laienhafter Beobachter vielleicht zu glauben meint. Da sieht man nur eine Windmühle, die sich dreht, auf Land die Anwohner belästigt und die Zugvögel killt. Aber auch hier hilft maschinelles Lernen, um die Lebenserwartung der Piepmätze zu erhöhen. Wie? Das mag als kleine Hausaufgabe für den geneigten Leser dienen. Selbst der Lärm der Anlage kann reduziert, wenn nicht gar ausgeschaltet werden. Man denke nur an die Methoden der Lärmreduzierung mittels inverser Sinuswellen a la Bose. Wir helfen gerne weiter.
Offshore Elektrolyse
Autarke schwimmende Windkraftanlagen zur Wasserstofferzeugung in Entwicklungsländer
Als Windkraft nutzbar ist derzeit nur der Anteil, der auf dem Land oder in küstennahen Gewässern zur Verfügung steht. Der Hauptanteil des Potentials, also auf hoher See und in großen Höhen, bleibt ungenutzt. Wirtschaftlich sinnvoll erscheinen Regionen ab einer Windgeschwindigkeit von 4 m/s im Jahresmittel in 10 m Höhe über dem Boden. Eine Studie der Universität Colorado sagt zudem eine Reduzierung der Windgeschwindigkeit in der nördlichen Breiten um bis zu 20% wegen des Klimawandels voraus.
Mithin gilt es, langfristig nach Alternativen zu küstennahen (bis 100 km Gürtelbreite) und Onshore Standorten zu suchen. Der Anteil in großen Höhen wird sicherlich auch weiterhin ungenutzt bleiben. Jedoch bietet sich für die Hochsee eine Lösung an. Die rechtliche Grundlage zur Errichtung dortiger künstlicher Inseln bildet Artikel 87 des Seerechtsübereinkommens von 1982.
In der Hochsee, also außerhalb der Festlandsockel, ist zwar das Wasser sehr tief, eine Netzanbindung gibt es nicht, aber es ist genügend Wind vorhanden, um wirtschaftlich interessant zu werden. Der Weg führt deshalb auf schwimmende Windkraftanlagen mit einer gekoppelten Wasserstofferzeugung auf hoher See mittels Elektrolyse. Der Wasserstoff wird in Containern per Schiff an Land transportiert und dort in elektrische Energie umgewandelt. Hier bietet sich zudem die Möglichkeit, Entwicklungsländer kostengünstig mit Energie zu versorgen.
Das Konzept der Offshore Wasserstoffproduktion geht an vielen Stellen über das bestehende know-how hinaus. Eine Zusammenarbeit von Technologiefirmen, Entwicklern und Betreibern erscheint unter staatlicher Förderung sinnvoll.
Offene Fragen, wie die Errichtung großer Elektrolyseanlagen Offshore für die benötigte Größe, bleiben zu klären. Zudem ist die Containerverladung auf der Hochsee zu untersuchen. Es handelt sich hier aber lediglich um technische Problemstellungen, die lösbar erscheinen. Die größte derzeit installierte Elektrolyseanlage befindet sich am Assuan Staudamm mit einer installierten Leistung von 156 MW. Daneben laufen Vorhaben, in der Nord- und Ostsee entsprechende Anlagen zu errichten, die per Pipeline mit dem Festland verbunden werden sollen. Hier will man sich aber lediglich die Netzankopplung sparen.
Wir stehen in Fragen zur innovativen Offshore Technik, insbesondere aus dem Windbereich, gerne zur Verfügung und bieten unser physikalisch-technisches Fachwissen an. Gerne arbeiten wir auch mit Schwellenländern aus Afrika zusammen. Insbesondere in Südafrika streben wir eine Erweiterung des Kundenkreises an.