Wiskundig instrument levert miljoenenbesparing op bij toekomstige offshore windparken

Het ontwerpen van offshore windparken houdt zeer complexe uitdagingen voor optimalisatie in. Bij het ontwerpen van een modern windpark moet rekening worden gehouden met talrijke factoren, zoals windrichting, waterdiepte, erosiezones, kosten van funderingen, fysieke obstakels, kabeltypen, verlies van kabels en het feit dat de windmolens niet in elkaars schaduw staan. De locatie van elke afzonderlijke turbine in een park is uiterst belangrijk om te voorkomen dat ze zogenaamd energie "stelen" van de turbines die achter hen staan.

Het ontwerpproces van windparken was voorheen omslachtig en kon wel weken in beslag nemen. Nu betekent een nieuw systeem, ontworpen door Vattenfalls Lead Engineer en PhD Martina Fischetti, een fundamentele verandering voor zowel het ontwerp van het park als voor het proces.

Voordat deze nieuwe instrumenten binnen de organisatie ingezet konden worden, was het ontwerpen van windparken gebaseerd op een meerstappenproces dat voornamelijk afhing van de ervaring van de individuele ingenieur en van standaardinstrumenten. Er werd een voorlopige indeling gemaakt die op bepaalde factoren werd gecontroleerd. Als de voorliggende indeling niet acceptabel was, werd de locatie van turbines handmatig aangepast, en werd de indeling aan een ander team doorgegeven voor controle en aanpassing van andere factoren enzovoort. Bij dit totale proces waren veel mensen betrokken, het kostte heel veel tijd en de resultaten waren niet optimaal.

"Het nieuwe instrument stroomlijnt het proces, zodat in de software met alle factoren tegelijkertijd rekening wordt gehouden, en 's nachts voert het programma op basis van alle factoren duizenden simulaties uit voordat het de ingenieurs een geoptimaliseerde indeling voor de locatie van de turbines en de kabelloop levert", vertelt Martina Fischetti.

Ze voegt eraan toe: "Door de indeling van het park en de kabelloop te optimaliseren, kunnen we de kosten van een windpark verlagen en de productie ervan verhogen, waardoor we per windpark een voordeel in de orde van 10 miljoen euro behalen. Op die manier kunnen we de prijs van windenergie verlagen."

Deens windpark Horns Rev 1:
De originele, handmatige indeling van het windpark zoals deze nu is (linker plot), vergeleken met de indeling zoals die eruit zou hebben gezien met het nieuwe optimaliseringsinstrument (rechter plot). De geoptimaliseerde indeling is 1,5 miljoen euro goedkoper dan de handmatige oplossing.

De software is al gebruikt voor het ontwerp van het Deense offshore windpark Kriegers Flak in de Baltische Zee, de inschrijving die werd gewonnen met een ongekend laag bod, en voor Hollandse Kust Zuid 1+2 in Nederland, het eerste project ter wereld dat zonder enige subsidie gebouwd wordt.

Het instrument is ontwikkeld door Martina Fischetti in nauwe samenwerking met de Deense Technische Universiteit en Vattenfall. Ze heeft voor haar werk nu de 2019 Industrial Researcher-prijs van het Innovation Fund Denmark ontvangen, en is met dit project een van de finalisten die onder andere met bedrijven als Microsoft en IBM strijden om de prestigieuze 2019 INFORMS Franz Edelman Award for Operational Research and Analytics.

Voorlopige indeling* voor het windpark Hollandse Kust Zuid 1+2:
Geoptimaliseerde indeling met gebruik van het optimaliseringsinstrument (rood) en de indeling op basis van traditionele methoden (geel). De geoptimaliseerde indeling levert over de levensduur van het park een extra voordeel van meer dan 10 miljoen euro op, alleen maar door windschaduw tussen de turbines te verkleinen. De blauwe punten geven een al bestaand windpark aan. (*De definitieve indeling kan om vertrouwelijkheidsredenen niet worden getoond.)

"Ik had nog nooit meegemaakt dat deze technieken op dit type probleem werden toegepast. De behaalde resultaten zijn opmerkelijk en overtreffen de traditionele systemen elke keer. Wat ook zo aantrekkelijk is, is dat het instrument het team momentum heeft gegeven, waardoor wij tijd krijgen om te experimenteren en buiten de vaste kaders te denken. We kunnen nu meteen de nieuwe ideeën en alternatieve oplossingen testen en, wat niet het minst belangrijk is, de impact van nieuwe ontwerpkeuzen vanaf het allereerste begin kwantificeren. Ook kunnen we leveranciers er op een nieuwe manier bij betrekken en innovatie op langere termijn aansturen", verklaart Thomas Hjort, Head of System Design in Business Unit Offshore Wind.

Al met al heeft het nieuwe instrument voor het optimaliseren van de indeling substantieel bijgedragen aan het concurrentievermogen van Vattenfall in aanbestedingen voor offshore windparken door betere indelingen te ontwerpen, door de impact van nieuwe ontwerpkeuzen te kwantificeren en door ontwerpinput te leveren voor alternatieve bedrijfsmodellen voor individuele windparken. Het instrument om de indeling en kabelloop te optimaliseren kan belangrijk worden voor Vattenfalls ambitieuze plannen voor expansie in de windsector.