TP V.3 Ausbreitung von betriebsbedingtem Unterwasserschall

Ein Teilprojekt im Innovationsbereich V – Marine Belastungsgrenzen und kumulierte ökologische Folgewirkungen

Es soll ein akustisches Modell entwickelt werden, das alle relevanten Schallquellen im Lebenszyklus eines Windparks umfasst.

Das resultierende Modell soll anschließend mit einem hydrodynamischen Modell der Nordsee gekoppelt werden und somit eine präzise Bestimmung von Geräuschszenarien unter externen Umweltbedingungen und WEA-Betriebsbedingungen ermöglichen.

Zur Validierung des Modells werden umfangreiche Unterwasserschallmessungen in der Nähe einer Offshore-Windturbine im Betrieb durchgeführt.

TP V.1 Hydro- und morphodynamische Belastungen

Ein Teilprojekt im Innovationsbereich V – Marine Belastungsgrenzen und kumulierte ökologische Folgewirkungen

Im Fokus diese Teilprojekts steht die Fluid-Struktur-Boden-Wechselwirkung mit der Meeresphysik und deren Relevanz für hydro- und morphodynamische Belastungsabschätzungen.

Um eine nachhaltige Bemessung und den Betrieb von OWPs zu gewährleisten, ist eine robuste Bewertung und Vorhersage dieser Wechselwirkungen und der damit verbundenen Belastungen auf Gründungsstrukturen erforderlich. Hydrodynamische Belastungen als Folge von brechenden Wellen und Gezeitenströmungen sowie Erosionsprozessen in der Nähe von Turbinen müssen in Auswirkungsbewertungen sowie in Bemessungsansätzen berücksichtigt werden.

Hierzu werden Messkampagnen entwickelt und Strömungsund Wellenmessungen in der Nähe von Offshore-WEA durchgeführt. 

TP IV.5 Auslegung und Regelung von Offshore-Windpark-Clustern

Ein Teilprojekt im Innovationsbereich IV – Systemdienliche Integration und Aerodynamik von Offshore Windenergieanlagen und -parks

Zur Integration der über Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) angebundenen Offshore-Windparks in das Stromnetz müssen diese zukünftig die Bereitstellung von Systemdienstleistungen für das Onshore-Übertragungsnetz übernehmen.

Weiterhin wird erwartet, dass in Zukunft netzbildende Umrichter auch in OWPs eingesetzt werden, wodurch sich das durch die Regelung bestimmte Einspeiseverhalten und damit auch die Erbringung von Systemdienstleistungen durch die Windparks grundlegend ändert bzw. teilweise erst ermöglicht wird.

Entwickelt werden somit Regelungen für die Bereitstellung von Wirkleistung insbesondere zur Frequenzregelung mit netzstützenden oder netzbildenden Umrichtern zur Sicherung der Netzstabilität durch Anpassung der mechanischen Leistung und gleichzeitigen mechanischen Entlastung der einzelnen WEA zur Verbesserung der Wartung und Verlängerung der Lebensdauer. Dabei müssen die HGÜ diese Erbringungen für das Onshore-Übertragungsnetz ermöglichen.

TP IV.4 Kohärente Strömungsstrukturen in Windparks

Ein Teilprojekt im Innovationsbereich IV – Systemdienliche Integration und Aerodynamik von Offshore Windenergieanlagen und -parks

Die Strömungsbedingungen, Belastungen und abgegebene Leistung eines Windparks werden unter anderem durch kohärente Strukturen in der Einströmung beeinflusst.

Ein verbessertes Verständnis des Zusammenspiels dieser Strukturen mit den Anlagen ist nötig, um zukünftige Windparks effizienter und langlebiger zu gestalten.

Ziel dieses Teilprojekts ist es, zu untersuchen, wie sich kohärente Strömungsstrukturen durch einen Windpark hindurchbewegen.

TP IV.3 Strömungsbedingungen zukünftiger Windenergieanlagen

Ein Teilprojekt im Innovationsbereich IV – Systemdienliche Integration und Aerodynamik von Offshore Windenergieanlagen und -parks

Offshore-Windenergieanlagen werden immer höher und erreichen bald atmosphärisch gänzlich andere Windbedingungen.

Wie sich diese laminar-turbulenten Winde anstelle der bekannten turbulenten Winde auf die Anlagenleistung und -lasten sowie die Nachläufe auswirken, ist nahezu unbekannt.

Ziel ist es, die komplexen Strömungsdynamiken zu erfassen, erste Prognosen für Leistung, Lasten und insbesondere Nachläufe zu erstellen und schließlich zu überprüfen.

TP IV.2 Rekonstruktion der Dynamik von Offshore-Windpark-Clustern

Ein Teilprojekt im Innovationsbereich IV – Systemdienliche Integration und Aerodynamik von Offshore Windenergieanlagen und -parks

Fluktuationen der Windströmung, besonders Windrampen, behindern den systemdienlichen Windparkbetrieb und Stromhandel. Beobachtergestützte Prognosen im Minutenbereich können deren Vorhersage unterstützen.

Hochaufgelöste Lidar-Windmessungen ermöglichen die Erforschung der Vorhersage der lokalen Winddynamik in kürzeren, hochfrequenten Zeitskalen. So könnten nachlaufinduzierte Ertragsverluste und Lasten reduziert und Systemdienstleistungen genauer bereitgestellt werden. 

TP IV.1 Offshore-Messkampagnen in Windpark-Clustern

Ein Teilprojekt im Innovationsbereich IV – Systemdienliche Integration und Aerodynamik von Offshore Windenergieanlagen und -parks

Zwei meteorologische Messkampagnen und die hochaufgelösten Windparkbetriebsdaten (SCADA) bilden die Grundlage für die weiteren Teilprojekte sowie die Unterstützung des Structural Health Monitoring im IB III und der ozeanographischen Messungen im IB V.

Auf Basis der mit den Stakeholdern erarbeiten Messspezifikation werden die Messungen durchgeführt.

TP III.3 Standortbezogene Bewertung der Restlebensdauer von Rotorblättern durch datengestützte Finite Elemente-Modellierung

Ein Teilprojekt im Innovationsbereich III – Life-Cycle-Management von Offshore-Windenergieanlagen und Windparks

Das Verständnis der realen Belastungs- und Umgebungsbedingungen ist entscheidend für die Analyse der tatsächlichen Leistungsfähigkeit (Lebensdauer) des Blattes.

Eine Herausforderung in diesem Zusammenhang ist die begrenzte Verfügbarkeit lokaler Beanspruchungsdaten für die Neubewertung der Lebensdauer des Blattes unter realen Betriebsbedingungen.

Hier bietet das „Reallabor Wind“ die einmalige Gelegenheit, Daten des SHM-Systems für eine reale und lokal aufgelöste Ermüdungsanalyse unter Verwendung eines generischen FE-Modells des Rotorblatts zu nutzen, um die standortspezifischen Ursachen der Schadensentwicklung zu ermitteln.

TP III.2 Datengetriebene Methoden zur Bestimmung der Restlebensdauer von Tragstrukturen

Ein Teilprojekt im Innovationsbereich III – Life-Cycle-Management von Offshore-Windenergieanlagen und Windparks

Auf der Grundlage des SHM-Konzepts aus TP III.1 werden datengetriebene Methoden zur Bestimmung der Restlebensdauer von Tragstrukturen entwickelt und validiert und damit die Grundlage für ihre Akzeptanz im Zertifizierungsprozess gelegt.

Das Hauptziel dieses Teilprojekts ist die (Weiter-)Entwicklung datengetriebener Methoden in der Co-Produktions- Phase, so dass auch bei unvollständiger Datenlage Restlebensdauern von Tragstrukturen abgeschätzt werden können.

Die Weiterentwicklung zielt darauf ab, erstens die vorhandenen Daten möglichst umfassend zu nutzen, zweitens den Nutzen von zusätzlichen Messdaten zu untersuchen und drittens die Unsicherheit in den Extrapolationen quantifizieren zu können.

TP III.1 Datenbasiertes Structural Health Monitoring (SHM)

Ein Teilprojekt im Innovationsbereich III – Life-Cycle-Management von Offshore-Windenergieanlagen und Windparks

In diesem Teilprojekt wird ein geeignetes SHM-Konzept für die kontinuierliche Überwachung von Tragstruktur, Turm und Rotorblättern auf im Offshore-Windpark vorhandene Sensoren und Messtechnik angewendet und nach Bedarf ergänzt.

Inwieweit vorhandene Sensor- und Überwachungsinfrastruktur sowie bereits aufgezeichnete Daten genutzt werden können, muss mit dem Betreiber abgestimmt werden. Die Innovation liegt in der umfassenden Analyse von Struktur- und SCADA-Daten, die im OWP bereits vorhanden sind, mit Methoden der probabilistischen und deterministischen Systemidentifikation und KI-basierten Methoden.

Das Ziel ist einserseits die Identifikation aller relevanten Betriebszustände und Systemparameter und andererseits die Identifikation kritischer Betriebszustände und Schadensszenarien, die, sofern sie bekannt sind, eliminiert werden können, um eine signifikante Verlängerung der Restlebensdauer eines Windparks zu bewirken.