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Mathe hilft bei zukünftigen Offshore-Windparks zu sparen

Ein neues mathematisches Tool ermöglicht es, sowohl die Stromerzeugung als auch die Kosten von Offshore-Windparks bereits in der Planungsphase zu optimieren. Der Wissenschaftlerin, die dieses Tool entwickelt hat, wurde der Industrial Researcher Prize 2019 des Innovation Fund Denmark verliehen.

Ein neuer Ansatz

Martina Fischettis Arbeit mit den Optimierungstools war die Inspiration für Thomas Hjort, sich auf die Entwicklung eines größeren Modellrahmens zu konzentrieren – Vattenfalls Front End Park Model (FEPM), an dem ihre Optimierungstools wichtigen Anteil hatten. Dieser Modellrahmen ist das Herzstück der standardisierten Arbeitsweise von Windfarm Design und bietet täglich Einblicke in die Auswirkungen verschiedener Lösungen auf das Geschäft Vattenfalls. Er stellt eine wichtige Verbindung zwischen Technologie und Geschäft dar. Heute wird FEPM in der BU Offshore von sechs Modellexperten und ihrem Teamleiter Jesper Runge Kristoffersen in der Abteilung System Design betrieben und entwickelt.

Die Herausforderungen bei der Planung von Offshore-Windparks hinsichtlich der Optimierung sind äußerst komplex. Bei der Planung eines modernen Windparks müssen unzählige Faktoren wie Windrichtung, Wassertiefe, Erosionszonen, Gründungskosten, physikalische Hindernisse, Arten von Kabeln, Kabelverlust und der Umstand, dass keine Windturbine im „Schatten“ einer anderen stehen darf, berücksichtigt werden. Der Standort jeder einzelnen Turbine in einem Windpark ist von äußerster Wichtigkeit, um zu vermeiden, dass die vorn platzierten Turbinen den dahinter stehenden Energie „wegnehmen“.

Neue Software entwickelt

Martina Fischetti, Lead Engineer und PhD

Die Planung eines Windparks war früher eine umständliche Angelegenheit, die mehrere Wochen in Anspruch nehmen konnte. Jetzt ändert sich sowohl die Gestaltung von Windparks als auch das Planungsverfahren aufgrund eines neuen, von Lead Engineer und PhD Martina Fischetti entwickelten Systems grundlegend.

Bevor solche Tools im Unternehmen angewendet wurden, beruhte die Planung von Windparks auf einem mehrstufigen Verfahren, das stark von der Erfahrung des jeweiligen Ingenieurs und von Standardtools abhängig war. Es wurde ein erster Entwurf erstellt, der dann nach bestimmten Kriterien geprüft wurde. Wenn der aktuelle Entwurf nicht vertretbar war, wurden die Standorte der Turbinen manuell angepasst, der Entwurf dann an ein anderes Team weitergereicht, das anhand anderer Kriterien prüfte und Anpassungen vollzog usw. An dem gesamten Verfahren waren viele Personen beteiligt, es war sehr zeitaufwendig und die Ergebnisse suboptimal.

Geringere Kosten für Offshore-Windparks

„Das neue Tool vereinfacht das Verfahren so, dass alle Kriterien von der Software gleichzeitig berücksichtigt werden. Über Nacht führt das Programm unter Berücksichtigung aller Kriterien Tausende von Simulationen durch und liefert dann einen optimierten Entwurf für den Standort der Turbinen und die Kabelführung an die Ingenieure“, sagt Martina Fischetti und fügt hinzu: „Durch die Optimierung der Anordnung der Windturbinen und der Kabelführung können wir die Kosten für Windparks senken und ihre Produktionsleistung steigern sowie Gesamtgewinne in der Größenordnung von zehn Millionen Euro je Windpark erzielen. Auf diese Wiese können wir den Preis der Windenergie senken.“

Dänemark, Horns Rev 1: Der ursprüngliche, manuelle Entwurf für den Betrieb, wie er jetzt aussieht (linke Darstellung) im Vergleich zu dem Entwurf, wie er mit dem neuen Optimierungstool (rechte Darstellung) ausgesehen hätte. Der optimierte Entwurf ist 1,5 Millionen EUR billiger als die manuelle Lösung.

Die Software wurde für die Planung des dänischen Windparks Kriegers Flak in der Ostsee verwendet, bei dem die Ausschreibung mit einem rekordverdächtig niedrigen Gebot gewonnen wurde, und für Hollandse Kust Zuid 1+2 in den Niederlanden, das weltweit erste Projekt, das ohne Subventionen gebaut wird. 

Auszeichnung für Innovation  

Das Tool wurde von Martina Fischetti in enger Zusammenarbeit mit der Dänischen Technischen Universität und Vattenfall entwickelt. Für ihre Arbeit wurde ihr der Industrial Researcher Prize 2019 des Innovation Fund Denmark verliehen. Das Projekt gehört auch zu den Teilnehmern der Endausscheidung für den prestigeträchtigen amerikanischen 2019 INFORMS Franz Edelman Award for Operational Research and Analytics, bei dem es gegen Unternehmen wie Microsoft und IBM antritt.

Erstentwurf* für den Windpark Hollande Kust Zuid 1+2: Optimierter Entwurf mit dem Optimierungstool (rot) und mit herkömmlichen Methoden (gelb).

Der optimierte Entwurf ermöglicht einen zusätzlichen Gewinn von 10,2 Millionen Euro über die gesamte Lebensdauer des Parks, indem lediglich die Windschatten zwischen den Turbinen minimiert wurden. Die blauen Punkte stehen für einen bereits vorhandenen Windpark.

Insgesamt hat das neuartige Entwurfsoptimierungstool wesentlich zur Wettbewerbsfähigkeit Vattenfalls bei Offshore-Ausschreibungen beigetragen, indem es bessere Entwürfe erstellt, die Auswirkungen neuer Planungsentscheidungen quantifiziert und Entwurfsvorschläge für alternative Geschäftsmodelle für jeden Windpark liefert. Das Entwurfs- und Kabeloptimierungstool kann für die ehrgeizigen Expansionspläne Vattenfalls im Windbereich wichtig werden.

 

 

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