Digitale tvillinger – en vej til mere rentabel havvind

Havvindmølleparker blev introduceret for omkring 30 år siden og betragtes nu som en moden branche, hvor ”business cases” indtil for nylig har været baseret på subsidierede markeder. Disse markeder er dog ved at forsvinde. Sammen med de senere års udfordringer i havvindsektoren har dette krævet implementering af ny teknologi for at optimere designet af nye vindmøller og for at holde eksisterende vindmøller i gang mest effektivt og så længe som muligt – også ud over deres forventede levetid. 

Den afslørende tvilling

“Uden at tænke over det bruger folk digitale tvillinger på daglig basis til at finde rundt,“ forklarer Nadir Azam, Strategic Leader i Vattenfalls Support Structure Integrity-team. 

"Google Maps er et godt eksempel. Den er vores digitale spejl af verden og indeholder oplysninger om en lang række ting såsom restauranter, deres åbningstider, menuer og bedømmelser af dem, og så tilbyder den også oplysninger i realtid om rejsetid baseret på afstand, trafikpropper osv. Den er meget simpel at bruge og forstå, men bag overfladen er det et komplekst system baseret på avancerede teknologier såsom maskinlæring og AI. Vi udvikler det, der svarer til Google Maps, for havmølleparker”  

I vindsektoren kan digitale tvillinger være et stærkt værktøj til at optimere vindmølledesign, til brug i proaktiv drift og vedligeholdelse og til potentielt at forlænge møllernes levetid. Vattenfalls avancerede digitale tvillinger er baseret på data fra sensorer installeret på de fysiske vindmøller. Sensorerne leverer data om, hvordan den enkelte vindmølle opfører sig konstruktionsmæssigt, og disse data fusioneres med alle Vattenfalls øvrige tilgængelige data såsom drifts- og miljødata, til én fælles digital tvilling-løsning.  

Løsningen med den digitale tvilling præsenterer oplysninger om hele Vattenfalls flåde af vindmølleparker, samtidig med at den leverer detaljerede oplysninger om hver enkelt vindmøllepark og vindmølle. 

”Designmodeller af vindmøller er typisk baseret på brancheregler og -standarder samt antagelser. Det, vores avancerede digitale tvilling tilbyder, er, hvordan vindmøllerne opfører sig i det virkelige liv, og der er typisk en uoverensstemmelse mellem det, man forventede i designet, og hvordan vindmøllen rent faktisk opfører sig,” forklarer Johan Toftekær, Lead for In-house Tool Development i Vattenfall. “Den unikke egenskab ved vores digitale tvilling er, at den ser på både hvordan den fysiske mølle opfører sig og på de drifts- og miljømæssige forhold og bruger dataene til at kalibrere den originale designmodel, så den matcher den virkelige adfærd.“ 

Fra antagelser til målinger i realtid 

Designregler og -standarder er typisk udviklet til at være konservative for at give sikre konstruktioner, men det bliver stadigt vigtigere, at vi er mere præcise i vores skøn og antagelser uden at gå på kompromis med sikkerheden. Det er især tilfældet inden for havvind, hvor de seneste projekter ikke var i stand til at vise, at de rent faktisk ville være rentable. 

“Vindmøller oplever materialetræthed i løbet af deres levetid, og det bestemmer den forventede driftslevetid for den enkelte mølle,“ forklarer Michael Sandholm Jepsen, Technical Authority Support Structure Integrity hos Vattenfall. “Vi har med vores digitale tvillinger vist, at slitagen på vindmøller er lavere end forudsagt i de oprindelige designs. Vi er nødt til at bruge disse oplysninger proaktivt, da det vil give os mulighed for at forlænge levetiden af vores eksisterende vindmølleparker på en sikker og omkostningsoptimal måde, ligesom disse erfaringer vil gøre det muligt at optimere vores fremtidige design af nye vindmølleparker.”  

Den digitale tvilling kan for eksempel vise, at en konstruktion, der er designet til 25 år, rent faktisk har en forventet levetid på 45 år eller mere. Dette vil give meget værdifulde 20 års ekstra drift, som sikrer vedvarende energi til markedet samt større indtjening.  

Skaber værdi i alle faser af livscyklussen

De digitale tvillinger skaber værdi i alle faser af en vindmølles livscyklus – design, drift og vedligeholdelse (O&M) og i dens potentielt forlængede levetid. De erfaringer, der gøres i løbet af en vindmølles levetid, kan også anvendes til at optimere design af nye vindmøller gennem såkaldt datadrevet design. Når de fysiske møllekonstruktioner løbende måles i det virkelige liv af den digitale tvilling, er det eksempelvis muligt at undgå et stort antal fysiske inspektioner, og afhjælpende foranstaltninger kan iværksættes tidligt i tilfælde af vindmøller med dårlig ydeevne.  

“Vi ønsker at drive vores vindmølleparker, indtil vores business case ikke giver mening længere,” forklarer Michael Sandholm Jepsen. “Det kan være 20, 30, 40 år eller mere ud over den oprindeligt forventede levetid. For at gøre dette muligt har vi udviklet en plan for en foruddiskonteret potentiel 10-årig levetidsforlængelse af nye vindmølleparker, som er indarbejdet i den oprindelige business case. Ved at være proaktive og bruge vores digitale tvilling-løsning fra installationen og gennem hele vindmøllens levetid kan vi have kontrol i realtid med dens ydeevne. Planen for den foruddiskonterede levetiden er blevet verificeret af certificeringsfirmaet DNV og implementeret i to af vores seneste vindmølleparker. 

Johan Toftekær tilføjer, at det på baggrund af de tendenser, man har konstateret i de første digitale tvillinger, virker realistisk også at opnå en væsentlig reduktion i mængden af stål, der anvendes i nye vindmølledesigns, hvilket giver en markant reduktion i omkostningerne.  

Rykker branchen 

Mens mange af de nuværende regler og standarder, som ingeniørerne anvender, er baseret på bl.a. laboratorietest, er brugen af digitale tvillinger en egentlig fuldskala laboratorietest i det virkelige liv. Digitale tvillinger er blevet brugt i mange år i olie- og gasindustrien til at bevise, at en konstruktion har et højere sikkerhedsniveau end forventet, hvilket giver mulighed for en sikker og omkostningseffektiv forlængelse af levetiden. En særlig certificering af sådanne konstruktioner er blevet givet til hvert enkelt specifikke projekt.  

Vattenfall mener, at samarbejde i vindsektoren på tværs af virksomheder og grænser kan rykke branchen. Sammen med andre eksperter bidrager et dedikeret team på 17 specialister i Support Structure Integrity-teamet med deres store erfaring på det operationelle niveau, og de er allerede nu involveret i arbejdet med en lang række regler og standarder. De planlægger at deltage i et fælles brancheprojekt, der skal gennemgå adskillige regler og standarder inden for havvind med det formål at udvikle anbefalinger til fremtidige modifikationer, f.eks. på basis af resultater fra Vattenfall’s digitale tvillinger. 

“Med de tusindvis af vindmøller, der forventes opført på verdensplan, ville det give mening, at regler og standarder blev opdateret i overensstemmelse med nye resultater og opdagelser fra de digitale tvillinger,” slutter Nadir Azam. “Lad os sige, at data fra 500 vindmøller på tværs af flere vindmølleparker alle viser, at eksisterende regler og standarder er for konservative - skal vi så ikke sammen se på de sikkerhedsniveauer, der anvendes i disse regler og standarder?”