Digital Twins − op weg naar meer winstgevende offshore windenergie

Offshore windparken werden zo'n dertig jaar geleden geïntroduceerd en worden nu beschouwd als een volwassen industrie, waar businesscases tot voor kort gebaseerd waren op gesubsidieerde markten. Deze markten zijn nu echter aan het verdwijnen. Samen met de uitdagingen van de afgelopen jaren op het gebied van offshore wind leidde dit tot de implementatie van nieuwe technologie om het design van nieuwe windturbines te optimaliseren en om bestaande windturbines zo efficiënt en zo lang mogelijk te laten draaien − ook na hun oorspronkelijke verwachte levensduur vanuit het ontwerp.

Digitale spiegel

"Mensen gebruiken zonder erbij na te denken dagelijks Digital Twins om hun weg te vinden", zegt Nadir Azam, Strategic Leader bij Vattenfalls Support Structure Integrity.

"Google Maps is zo'n voorbeeld. Het is onze digitale spiegel van de wereld en bevat informatie over een heleboel zaken zoals restaurants, hun openingstijden, menu's en beoordelingen. Het biedt ook realtime-informatie over reistijd op basis van afstand, verkeersopstoppingen enzovoort. Het is heel eenvoudig te gebruiken en te begrijpen, maar achter de schermen is het een complex systeem op basis van geavanceerde technologieën zoals machine learning en kunstmatige intelligentie. Wij ontwikkelen het equivalent van Google Maps voor offshore windparken.”

In de windsector kunnen Digital Twins een krachtig hulpmiddel zijn om het design van windturbines te optimaliseren, met proactief onderhoud en proactieve monitoring, en om mogelijk de levensduur van de turbines te verlengen. De geavanceerde Digital Twins van Vattenfall zijn gebaseerd op data van sensoren die geïnstalleerd zijn op de fysieke windturbines. De sensoren leveren data over het structurele gedrag van de individuele windturbine. Die gegevens worden samengevoegd met alle andere beschikbare data van Vattenfall, zoals operationele en milieugegevens, tot één gemeenschappelijke Digital Twin.

De Digital Twin biedt informatie over alle windparken van Vattenfall en levert ook gedetailleerde inzichten op windparkniveau en voor elke afzonderlijke windturbine.

“Meestal zijn designmodellen van windturbines gebaseerd op industriecodes en -standaarden en ook op aannames. Wat onze state-of-the-art Digital Twin biedt, is het real life gedrag van de windturbines. Er is meestal een discrepantie tussen wat je verwachtte tijdens het ontwerp en hoe de windturbine zich in werkelijkheid gedraagt”, vertelt Johan Toftekær, Lead voor in-house toolontwikkeling bij Vattenfall. "Het unieke van onze Digital Twin is dat we zowel kijken naar het structurele gedrag als naar de operationele en omgevingsomstandigheden. De data worden gebruikt om het oorspronkelijke designmodel aan te passen, zodat het overeenkomt met het gedrag in de praktijk.”

Van aannames naar realtimemetingen

Ontwerpcodes en -standaarden zijn meestal conservatief ontwikkeld om veilige constructies te bieden, maar het wordt steeds belangrijker om nauwkeuriger te worden in schattingen en aannames, zonder afbreuk te doen aan de veiligheid. Dit is vooral het geval bij offshore wind, waar recente projecten niet konden aantonen dat ze daadwerkelijk winstgevend zouden zijn.

"Windturbines krijgen tijdens hun levensduur te maken met moeheid en dit bepaalt de verwachte operationele levensduur van de turbine", vertelt Michael Sandholm Jepsen, Technical Authority bij Vattenfalls Support Structure Integrity. "Met onze Digital Twins hebben we aangetoond dat de slijtage van windturbines lager is dan voorspeld in de oorspronkelijke designs. We moeten deze informatie proactief gebruiken, omdat we hiermee de levensduur van onze bestaande windparken op een veilige en rendabele manier kunnen verlengen. Deze lessen maken het ook mogelijk om onze toekomstige ontwerpen van nieuwe windparken te optimaliseren.”

De Digital Twin kan bijvoorbeeld laten zien dat een constructie die is ontworpen voor 25 jaar, in werkelijkheid een verwachte levensduur heeft van 45 jaar of meer. Dit levert een zeer waardevolle 20 jaar extra exploitatie op, waardoor de markt verzekerd is van hernieuwbare energie en meer inkomsten.

Waarde creëren in alle fasen van de levenscyclus

Digital Twins creëren waarde in elke fase van de levenscyclus van een windturbine: design, exploitatie en onderhoud, en in de mogelijk langere levensduur. De lessen die tijdens de levensduur van een windturbine worden opgedaan, kunnen ook worden gebruikt om het ontwerp van nieuwe windturbines te optimaliseren dankzij datagestuurd ontwerpen. Als de constructies continu real life worden gemeten door de Digital Twin, wordt bijvoorbeeld een groot aantal fysieke inspecties overbodig en kunnen op tijd corrigerende maatregelen worden genomen bij minder goed presterende windturbines.

"We willen onze windparken exploiteren totdat de businesscase niet meer klopt", legt Michael Sandholm Jepsen uit. "Dat kan twintig, dertig of veertig jaar of langer zijn dan de oorspronkelijk ontworpen levensduur. Daarom hebben we een plan ontwikkeld voor een mogelijke verlenging van de levensduur van nieuwe windparken met tien jaar, dat is opgenomen in de oorspronkelijke design-businesscase. Door proactief te zijn en onze Digital Twin te gebruiken vanaf de installatie en gedurende de hele levensduur van de windturbine, kunnen we altijd in realtime controle houden over de prestaties. Het plan voor een 'upfront'-levensduurverlenging is geverifieerd door het certificeringsbedrijf DVN en toegepast in twee van onze nieuwste windparken.”

Johan Toftekær voegt toe dat het, op basis van de trends die de eerste Digital Twins laten zien, realistisch lijkt om ook de gebruikte hoeveelheid staal in nieuwe windturbineontwerpen substantieel te verminderen, wat een aanzienlijke kostenbesparing oplevert.

Industrie in beweging

Hoewel veel van de huidige codes en standaarden die ingenieurs gebruiken, gebaseerd zijn op onder andere laboratoriumtests, is het gebruik van een Digital Twin een daadwerkelijke real life laboratoriumtest. Digital Twins worden al vele jaren gebruikt in de olie- en gasindustrie om te bewijzen dat een constructie een hoger veiligheidsniveau heeft dan verwacht, waardoor de levensduur veilig en rendabel kan worden verlengd. Per project wordt een speciale certificering van dergelijke constructies afgegeven.

Vattenfall is van mening dat samenwerking in de windsector tussen bedrijven en over de grenzen heen de industrie in beweging kan brengen. Samen met andere experts past een toegewijd team van zeventien specialisten binnen Support Structure Integrity hun uitgebreide ervaring toe op operationeel niveau. Ze werken inmiddels al aan een groot aantal codes en standaarden. Het is de bedoeling dat ze deelnemen aan een gezamenlijk industrieproject waarin verschillende codes en standaarden voor offshore wind worden herzien om aanbevelingen te ontwikkelen voor toekomstige aanpassingen, bijvoorbeeld op basis van de bevindingen van onze Digital Twins.

"Nu wereldwijd de bouw van duizenden windturbines wordt verwacht, is het logisch om codes en standaarden bij te werken in lijn met nieuwe bevindingen en ontdekkingen via de Digital Twin", concludeert Nadir Azam. "Stel dat de gegevens van vijfhonderd windturbines verspreid over meerdere windparken allemaal aantonen dat de bestaande codes en standaarden te conservatief zijn − moeten we dan niet samen kijken naar de veiligheidsniveaus die in codes en standaarden worden toegepast?”

Tekst:
Niels Vester