Intelligente Entwicklung von Windkraftanlagen durch den digitalen Zwilling

Herausforderungen für die Windenergiebranche

Windenergie ist eine der am schnellsten wachsenden erneuerbaren Energiequellen der Welt. Nach der rasanten Entwicklung der letzten zehn Jahre steht die Windenergiebranche jedoch vor enormen technischen Herausforderungen und ihre Wirtschaftlichkeit wird hinterfragt. Ein neuer, branchenweit anerkannter Maßstab für die Energieeffizienz ist der Levelized Cost of Electricity (LCOE), der versucht, verschiedene Methoden der Stromerzeugung auf einer konsistenten Grundlage zu vergleichen. Die Stromgestehungskosten sind die Kosten für den Bau und Betrieb einer Stromerzeugungsanlage über ihren Lebenszyklus, dividiert durch die Erlöse aus der Stromerzeugung über den gesamten Lebenszyklus. Um diese Kosten zu senken, müssen Hersteller von Windenergieanlagen nach kontinuierlicher Innovation streben und größere, leichtere und intelligentere Windturbinen entwickeln. Ziel ist es, die Produktions-, Betriebs- und Wartungskosten zu senken und den Stromertrag pro Einheit zu erhöhen.

Windparks sind eine weitere Herausforderung für die Windenergiebranche. In den letzten 20 Jahren wurden traditionelle Windparkressourcen für hohe Windgeschwindigkeiten genutzt, doch sie stoßen an ihre Grenzen. Daraus ergibt sich für die Branche die dringende Herausforderung, Ressourcen mit niedrigen Geschwindigkeit zu erkunden, wobei die minimale Windgeschwindigkeit bei etwa 5 bis 5,5 Metern pro Sekunde liegt.

Die Windenergiebranche ist in eine neue Ära der niedrigen Geschwindigkeiten eingetreten. Diese Faktoren müssen bei der Entwicklung neuer Produkte berücksichtigt werden und bringen eine Reihe von technischen Herausforderungen mit sich.

Herausforderungen für die Konstruktionsabteilungen

Eine Windkraftanlage ist eine große, flexible Struktur, die zufälligen transienten aerodynamischen Anregungen ausgesetzt ist. Zu den Kernkomponenten gehören Schaufeln, Türme, Direktantriebsmotoren und Getriebe. Aufgrund der Auswirkungen komplexer dynamischer Lasten fallen manchmal Komponenten aus, und die Ausfallrate trägt am meisten zu den Lebenszykluskosten bei. Zuverlässigkeit ist immer eine wichtige Anforderung im Konstruktionsprozess von Windenergieanlagen.

Herkömmliche Entwicklungsprozesse für Windenergieanlagen werden separat durchgeführt, was sich negativ auf die Zuverlässigkeit dieser Anlagen auswirkt. Zum einen ist die Windlastanalyse im Konstruktionsprozess von der konstruktiven Auslegung getrennt, wodurch Ingenieure gezwungen sind, zahlreiche, mitunter unangemessene Annahmen zu treffen. Zum anderen ist auch das Steuerungsprogramm für den Konstruktionsprozess vom strukturellen Konstruktionsprozess entkoppelt. Konstrukteure von Steuerungsprogrammen müssen Annahmen über die strukturellen Reaktionen unter den gegebenen Lasten treffen. Aufgrund von technischen Ressourcenbeschränkungen können Statiker oft nicht schnell genug die tatsächliche strukturelle Reaktion bestimmen.

Noch gravierender ist das Problem auf dem Markt der Energieerzeugung bei niedrigen Windgeschwindigkeiten, da die Turbinenschaufel viel länger ist und das Turmrohr bis zu 120 bis 140 Meter hoch sein kann, was die Turbine noch empfindlicher gegenüber den dynamischen Lasten macht. Eine genaue Vorhersage des dynamischen Verhaltens von Windenergieanlagen ist für die Produktentwicklung unerlässlich. Die Erstellung eines hochgenauen digitalen Simulationsmodells der gesamten Windenergieanlage ist die grundlegende Aufgabe bei der Vorhersage ihrer dynamischen Reaktion.

Große Windkraftanlagen sind strukturell sehr komplex und umfassen viele Teile und komplexe Oberflächen. Die herkömmliche Finite-Elemente-Simulation erfüllt weder hinsichtlich der Modellierungs- noch der Recheneffizienz die Anforderungen an eine schnelle Entwicklung. Daher muss das Modell parametrisiert und vereinfacht werden, um eine vollständige Simulation der dynamischen Leistung der Anlage vorzubereiten.

Neben den Herausforderungen bei der Auslegung einzelner Windkraftanlagen müssen Hersteller auch die Gesamtsteuerung von Windparks mit mehr als einer Anlage berücksichtigen. Ein wichtiger Faktor, um die Stromgestehungskosten zu senken, ist der Einsatz von Sensortechnologie zur Echtzeitüberwachung von Windkräften und Windrichtungen und die anschließende Verwendung eines Optimierungsalgorithmus, um alle Turbinen im Park so anzupassen, dass eine optimale Stromerzeugungseffizienz und ein sicherer Betrieb erreicht werden. Der Einsatz eines „digitalen Zwillings“ – eines intelligenten virtuellen Modells, das die realen Eigenschaften und Leistungen physischer Produkte genau nachbildet und simuliert – unterstützt die optimale Simulation und intelligente Steuerung physischer Systeme.

Die Wahl von SANY Heavy Energy

Seit 2016 entwickelt das Produktentwicklungsteam von SANY Heavy Energy neue Methoden zur Vorhersage dynamischer Lasten, entwickelt digitale Konstruktionsmethoden für Produktplattformen und unterstützt Betrieb und Wartung durch die Optimierung der mechanischen Leistungs- und Steuerungsstrategien für bestehende Produkte.

Das Team hat einen vollständigen, ausgereiften und effizienten digitalen Simulationsprozess etabliert und verwendet Software für die externe Windlastberechnung und die anschließende Strukturfestigkeitsanalyse von Teilen. Der wichtigste Schritt in diesem Prozess ist die Vorhersage des dynamischen Verhaltens der gesamten Anlage. Zu diesem Zweck verglich SANY Heavy Energy mehrere auf dem Markt verfügbare technische Lösungen und entschied sich für die Implementierung von Simcenter-Lösungen von Siemens Digital Industries Software, darunter die Software Simcenter Samcef™ Wind Turbines für die digitale Simulationsmodellierung und den Simcenter Samcef-Solver für die Vorhersage der gesamten dynamischen Reaktion der Anlage.

Simcenter Samcef Wind Turbines ist eine spezialisierte Lösung für die Entwicklung von Windturbinenanlagen. SANY Heavy Energy nutzt die Software, um ein hochpräzises Simulationsmodell zu erstellen, das den gesamten Entwicklungszyklus (einschließlich Konzeption, Detailkonstruktion, Prototypen- oder modifizierte Modellentwicklung, Zertifizierung, Fehlerbehebung und andere Aufgaben) unterstützt und so traditionell getrennte Konstruktionsprozesse koordiniert.

Das hochpräzise Modell der kompletten Anlage bietet einen wichtigen Mehrwert. Erstens verbessert es die Simulationsqualität durch die Unterstützung von In-the-Loop-Simulationen. SANY Heavy Energy ist in der Lage, tatsächliche Windparklasten zu importieren und dynamische Reaktionen schnell und genau zu berechnen, um die Strukturen und Steuerungssysteme von Windkraftanlagen zu optimieren. Darüber hinaus kann das Modell auch durch Befehle des Steuerungssystems gelenkt werden, die relevante Parameter anpassen, um schnelle Steuerungsreaktionen zu ermöglichen.

Eine zusätzliche Komplexität bei der Simulation von Windkraftanlagen besteht in der Nichtlinearität. Bei großen, flexiblen Mechanismen wie Windkraftanlagen können starke Rotationen und Verformungen zu Simulationsungenauigkeiten führen. SANY Heavy Energy nutzt die nichtlinearen Mehrkörpersimulationsfunktionen von Simcenter Samcef-Solver, um genauere dynamische Lasten zu berechnen.

Eine der wichtigsten Funktionen von Simcenter Samcef Wind Turbines ist die parametrische Modellierung von Turbinen. Parametrisierte Modelle ermöglichen es Konstrukteuren, verschiedene Konstruktionen problemlos zu vergleichen und zu verifizieren oder bestehende Konstruktionen ohne komplexe und zeitaufwendige Modell-Rekonstruktion zu ändern. Das Ergebnis sind kürzere Entwicklungszyklen und reduzierte Kosten. Die Software enthält auch Tools, welche die Zertifizierung von Windkraftanlagen optimieren und es SANY Heavy Energy ermöglichen, Standardsätze von Berechnungen und Berichten, die von den Aufsichtsbehörden gefordert werden, schnell auszuführen.

Digitaler Zwilling und intelligente Windkraftanlagen

SANY Heavy Energy hat zudem intelligente Steuerungen für den Betrieb und die Wartungsprozesse von Windkraftanlagen implementiert. Wenn sich die Wetterbedingungen verschlechtern oder das Fernüberwachungssystem Echtzeit-Meldungen sendet, kann das Betriebs- und Wartungsteam von SANY Heavy Energy den Status schnell vorhersagen und eine optimale Steuerungsstrategie oder einen Wartungsplan entwickeln, wodurch die Gesamteffizienz des Windparks verbessert und gleichzeitig Ausfälle der Windkraftanlage vermieden und die Stromerzeugungszeit verlängert werden. Diese intelligente Bedienung und Wartung führt zu deutlich reduzierten Stromgestehungskosten.

Der Einsatz von Simcenter-Lösungen bei SANY Heavy Energy hat zu sehr positiven Ergebnissen geführt. Die Erkenntnisse aus modernsten Simulationen haben es dem Unternehmen ermöglicht, den Wirkungsgrad von Windturbinen und Parks um 50 Prozent zu steigern und den prognostizierten LCOE um mehr als zehn Prozent zu senken.

„In der sich schnell verändernden Windenergiebranche mit zahlreichen Großunternehmen liegt der Schlüssel zum Erfolg von SANY Heavy Energy darin, intelligente Technologien wie den digitalen Zwilling umfassend zu nutzen, um die Entwicklungseffizienz und Produktzuverlässigkeit zu verbessern und dadurch die Stromgestehungskosten zu senken und unsere Produktstrategie für extrem niedrige Windgeschwindigkeiten zu unterstützen“, erläutert Wu Shengfei, CAE-Simulationsmanager bei SANY Heavy Energy. „Simcenter 3D von Siemens Digital Industries Software ist dabei ein zentraler Erfolgsfaktor.“