Beschreibung

Im Kontext des Klimawandels, der zunehmenden Verknappung fossiler Energieträger sowie geopolitischer Veränderungen gewinnen erneuerbare Energien eine immer größere Bedeutung. Der Ausbau und die optimierte Nutzung der Windenergie spielen hierbei eine zentrale Rolle. Da Wartung und Instandhaltung den größten Kostentreiber während des Betriebs einer Windkraftanlage darstellen, liegt ein gegenwärtiger Fokus auf der Optimierung der Wartungsaktivitäten unter Zuhilfenahme digitaler Technologien. Zudem sehen sich Anlagenbetreiber mit der Frage des so genannten End of Life konfrontiert. Aktuelle Studien deuten darauf hin, dass bis zum Jahr 2030 nahezu die Hälfte der Windkraftanlagen in Europa das Ende ihrer Entwurfslebensdauer erreichen. Dies fordert Entscheidungen über den Rückbau der Anlagen, einem Repowering oder einer Laufzeitverlängerung. Vor diesem Hintergrund wird im Rahmen des Forschungsprojektes WinDT ein digitaler Zwilling entwickelt, mit dessen Hilfe die Restlebensdauer von Windkraftanlagen prognostiziert wird, um einerseits Wartungsaktivitäten zu optimieren und andererseits eine mögliche Laufzeitverlängerung der Anlage abzuschätzen.

Um dies zu erreichen, werden Messdaten an der realen Windkraftanlage aufgenommen und über eine geeignete Schnittstelle an den digitalen Zwilling übertragen. Anschließend werden die Messdaten vom Kernbestandteil des digitalen Zwillings - dem Lastsimulationsmodell - verarbeitet. Das Modell simuliert das auf die Anlage wirkende Lastkollektiv und ermittelt die Restlebensdauer. Die Ergebnisse werden über eine Dashboard-Applikation visualiert, sodass Anlagenbetreiber eine optimale Übersicht über die Restlebensdauer ihrer Windkraftanlagen erhalten. Somit können einerseits Wartungsaktivitäten verbessert und Entscheidungen über die Laufzeitverlängerung von Windkraftanlagen fundiert unterstützt werden.

Projektziel

Die übergeordnete Zielsetzung einer zuverlässigen Restlebensdauerprognose für Windkraftanlagen durch den Aufbau eines digitalen Zwillings setzt Lösungen in drei Teilbereichen voraus, die im Rahmen des Projektes adressiert werden:
- Aufbau eines Modells zur Durchführung der erforderlichen Lebensdauersimulationen
- Aufbau einer IT-Plattform für den digitalen Zwilling zur Datenspeicherung, -auswertung und -visualisierung
- Erarbeitung einer optimalen Strategie zur Instrumentierung von Windkraftanlagen

Im Zentrum des digitalen Zwillings steht das Lastsimulationsmodell zur Prognose der Restlebensdauer. Dies soll auf bereits etablierten Modellen aufbauen, welche im Rahmen der Konzeptionierung und Entwicklung von Windkraftanlagen eingesetzt werden. Es soll untersucht werden, inwieweit die Güte des Modells durch die kontinuierliche Anreicherung mit realen Messdaten erhöht werden kann und sich somit Modelle der Produktentwicklung für die Anwendung in digitalen Zwillingen eignen können. Ein weiteres Teilziel betrifft die Gestaltung des Daten- und Informationsflusses des digitalen Zwillings. Es soll eine geeignete IT-Plattform ausgewählt bzw. aufgebaut werden, welche standardisierte Services nutzt und somit den Aufwand beim Aufbau weiterer digitaler Zwillinge reduziert. Im Zentrum steht hierbei die Identifikation von Kernfunktionen des digitalen Zwillings, welche die Grundlage von standardisierten Services darstellen. Um Anlagenbetreibern einen umfassenden Leitfaden für den Aufbau von digitalen Zwillingen für Windkraftanlagen anzubieten, soll letztlich der Nachrüstungsprozess systematisiert und zu einer ganzheitlichen Strategie zusammengeführt werden. Zur Erreichung dieses Teilziels sollen sowohl die benötigten Sensoren und Hardwareprodukte als auch deren Anbringungskomponenten in Abhängigkeit von der spezifischen Windkraftanlage identifiziert und in Katalogen gesammelt werden. Auf Basis dessen sollen anwenderfreundliche Auswahlwerkzeuge entwickelt werden, um Anlagenbetreiber bei der Nachrüstung systematisch zu unterstützen.

Produktergebnisse

Im Rahmen des Projektes WinDT konnte ein digitaler Zwilling für die Lebensdauerprognose von Windkraftanlagen erfolgreich aufgebaut werden. Hierzu wurde eine service-orientierte Architektur bestehend aus vier Hauptservices aufgebaut, welche den Grundsätzen der Standardisierung und Wiederverwendbarkeit folgt:
1) Datenmessung & Bereitstellung
2) Datenablage
3) Datentransfer und -verarbeitung
4) Datenausgabe

Das für den digitalen Zwilling notwendige Prognosemodell  konnte durch den Projektpartner P.E. Concepts entwickelt werden. Hierzu wurde eine Messkampagne an einer realen Anlage durchgeführt, welche die stetige Optimierung des Simulationsmodells und die Validierung ermöglichte. Zusätzlich konnte die im Rahmen des Projektes erarbeitete Nachrüstungsstrategie am Beispiel der realen Anlage nachgewiesen werden.
Die Projektergebnisse wurden letztlich zu einem Dienstleistungsprodukt zusammengeführt, welches einen ganzheitlichen Leitfaden für die Nachrüstung von Windkraftanlagen sowie den Aufbau eines digitalen Zwillings für die Lebensdauerprognose beinhaltet und durch den Projektpartner P.E. Concepts in Zukunft weiterentwickelt werden kann.

Zeitraum

01.04.2020 bis 30.06.2022

Industriepartner

P.E. Concepts GmbH     

​​

Projektträger

AiF Projekt GmbH