Forskningspris till vindkraftsverktyg som sparar miljoner

För att en modern havsbaserad vindkraftspark ska blir så effektiv som möjligt måste ett otal faktorer beaktas. Vindriktning, vattendjup, erosionszoner, fundamentkostnader, fysiska hinder, kabeltyper, kabelförluster och att förhindra att vindkraftverken ”skuggar” varandra.

Martina Fischetti, Lead Engineer och PhD.

Processen för att formge vindkraftsparker var tidigare mycket tungrodd och kunde ta flera veckor. Ett nytt system utvecklat av Martina Fischetti, ingenjör på Vattenfalls BA Wind, har nu fullständigt förvandlat både vindkraftsparkernas utformning och själva processen.

Innan den här typen av verktyg började användas inom företaget konstruerades vindkraftsparker genom en flerstegsprocess som i hög grad var beroende av den enskilda ingenjörens erfarenheter och standardiserade verktyg. En preliminär konstruktion togs fram och kontrollerades sedan avseende vissa faktorer. Om konstruktionen inte var godtagbar anpassades vindkraftverkens positioner manuellt, och därefter överlämnades layouten till ett annat team som gör ytterligare kontroller, anpassningar av andra faktorer och så vidare.

Den vänstra bilden visar den manuellt framtagna utformningen av internkablaget i danska Horns Rev 1 som den ser ut nu. Den högra bilden visar hur den hade sett ut om det nya optimeringsverktyget hade gjort designen. Den optimerade layouten hade sparat cirka 15 miljoner kronor.

– Det nya verktyget strömlinjeformar processen så att alla faktorer beaktas på en och samma gång, och under en nattlig programkörning utförs tusentals simuleringar som tar hänsyn till samtliga faktorer för att till sist leverera en optimerad layout till ingenjörerna som visar hur vindkraftverken ska placeras och hur kabeldragningen ska se ut, säger Martina Fischetti, och tillägger:

– Genom att optimera vindkraftverkens placering och kabeldragningen kan vi sänka kostnaderna för vindkraftsparken och öka produktionen. Totalt sett kan vi spara runt 100 miljoner kronor per park.

Layoutexempel för vindkraftsparken Hollandse Kust Zuid 1+2: Optimerad layout från optimeringsverktyget (röd) och den som tagits fram på traditionellt sätt (gul). Den optimerade utformningen gav en vinst på ytterligare 100 miljoner kronor under vindkraftsparkens livstid genom att bara minska ”vindskuggorna” kraftverken emellan. De blå prickarna visar en befintlig park.

Programvaran har använts för danska havsbaserade vindkraftsparken Kriegers Flak i Östersjön, ett projekt som där Vattenfall vann  med ett rekordlågt anbud och även för Hollandse Kust Zuid 1+2 i Nederländerna, världens första havsbaserade vindprojekt som byggs utan subventioner.

Martina Fischetti har utvecklat verktyget i nära samarbete med Danmarks Tekniske Universitet. För sitt arbete har hon nu tilldelats Danmarks industriforskarpris 2019. Projektet är också en av finalisterna i den prestigefyllda tävlingen 2019 INFORMS Franz Edelman Award for Operational Research and Analytics där man ställs mot företag som Microsoft och IBM.

Thomas Hjort, chef för System Design vid affärsenheten Offshore Wind säger:

– De resultat vi uppnått är anmärkningsvärda och har överträffat de traditionella systemen. En annan mycket spännande effekt är den drivkraft som verktyget har gett teamet eftersom vi har tid över för att experimentera och tänka utanför ramarna. Nu kan vi testa de nya idéerna och alternativa lösningarna direkt, och sist men inte minst kvantifiera de nya designalternativens effekt redan under de allra första stadierna. Vi kan dessutom samarbeta med leverantörerna på ett helt nytt sätt och driva på innovationen ur ett mer långsiktigt perspektiv, förklarar Thomas Hjort, chef för System Design vid affärsenheten Offshore Wind.

På det hela taget har verktyget förstärkt Vattenfalls konkurrenskraft vid upphandling av havsbaserade projekt genom att man kan ta fram bättre konstruktioner, kvantifiera effekten av nya designalternativ och skapa konstruktionsunderlag för alternativa nyttokalkyler för varje enskild vindkraftspark. Layout- och kabeloptimeringsverktyget kan bli viktigt för Vattenfalls ambitiösa expansionsplaner inom vindkraftssektorn.

Ny metodik

Martina Fischettis arbete med optimeringsverktyg inspirerade Thomas Hjort, chef för System Design, att fokusera på utvecklingen av ett större modelleringsramverk – Vattenfalls Front End Park Model (FEPM) – där hennes optimeringsverktyg är viktiga komponenter. Detta ramverk är kärnan i konstruktionsavdelningens – Windfarm Design – mer standardiserade arbetssätt och ger dagligen nya insikter i hur olika lösningar kan påverka Vattenfalls affärsverksamhet. Ramverket är en viktig länk mellan teknik och affärer. I nuläget drivs och utvecklas FEPM internt inom BU Offshore av sex modelleringsexperter och deras teamledare Jesper Runge Kristoffersen på System Design-avdelningen.