Herausforderungen für die Windenergiebranche
Windenergie ist eine der am schnellsten wachsenden erneuerbaren Energiequellen. Ihre Wirtschaftlichkeit wird jedoch hinterfragt und die Branche steht vor enormen technischen Herausforderungen.
Foto: Siemens.
Ein neuer, branchenweit anerkannter Maßstab für die Energieeffizienz sind die Stromgestehungskosten, der Levelized Cost of Electricity (LCOE). Das sind die Kosten für Bau und Betrieb einer Stromerzeugungsanlage über ihren Lebenszyklus, dividiert durch die Stromerzeugung über den gesamten Lebenszyklus. Um diese zu senken, müssen Hersteller nach kontinuierlicher Innovation streben und größere, leichtere und intelligentere Windturbinen entwickeln. Ziel ist es, die Produktions-, Betriebs- und Wartungskosten zu senken und den Stromertrag pro Einheit zu erhöhen.
In den letzten 20 Jahren wurden Windparks für hohe Windgeschwindigkeiten entwickelt, doch diese stoßen an ihre Grenzen. Daraus ergibt sich für die Branche die dringende Herausforderung, Ressourcen mit niedrigen Windgeschwindigkeiten ab etwa 5 bis 5,5 Metern pro Sekunde zu erkunden. Bei niedrigen Windgeschwindigkeiten sind Turbinenschaufeln viel länger und Turmrohre höher, was die Empfindlichkeit erhöht. Eine genaue Vorhersage des dynamischen Verhaltens ist für die Produktentwicklung unerlässlich.
Herausforderungen für die Konstruktionsabteilungen
Eine Windkraftanlage ist ein großes, flexibles Gebilde, das zufälligen transienten aerodynamischen Einflüssen ausgesetzt ist. Zu den Kernkomponenten gehören Schaufeln, Türme, Direktantriebsmotoren und Getriebe. Zuverlässigkeit ist immer eine wichtige Anforderung im Konstruktionsprozess von Windenergieanlagen. Somit ist die Erstellung eines hochgenauen, digitalen Simulationsmodells der gesamten Windenergieanlage die grundlegende Aufgabe bei der Vorhersage von dynamischen Reaktionen.
Die Wahl von Sany Heavy Energy
Seit 2016 entwickelt Sany neue Methoden zur Vorhersage dynamischer Lasten, erarbeitet digitale Konstruktionsmethoden für Produktplattformen und unterstützt Betrieb und Wartung durch die Optimierung der mechanischen Leistungs- und Steuerungsstrategien für bestehende Produkte.
Das Team hat einen vollständigen, ausgereiften digitalen Simulationsprozess etabliert und verwendet Software für die externe Windlastberechnung und die anschließende Strukturfestigkeitsanalyse von Teilen. Der wichtigste Schritt in diesem Prozess ist die Vorhersage des dynamischen Verhaltens der gesamten Anlage. Zu diesem Zweck verglich Sany mehrere auf dem Markt verfügbare technische Lösungen und entschied sich für die Implementierung von Simcenter-Lösungen von Siemens Digital Industries Software, darunter die Software Simcenter Samcef™ Wind Turbines für die digitale Simulationsmodellierung und den Simcenter Samcef-Solver für die Vorhersage der gesamten dynamischen Reaktion der Anlage.
Simcenter Samcef Wind Turbines ist eine spezialisierte Lösung für die Entwicklung von Windkraftanlagen. Sany nutzt die Software für den gesamten Entwicklungszyklus (einschließlich Konzeption, Detailkonstruktion, Prototypen- oder modifizierte Modellentwicklung, Zertifizierung, Fehlerbehebung und andere Aufgaben) und koordiniert ganzheitlich die bisher getrennten Konstruktionsprozesse.
Das hochpräzise Modell der kompletten Anlage liefert einen wichtigen Mehrwert. Sany kann tatsächliche Windparklasten importieren und dynamische Reaktionen schnell und genau berechnen, um die Strukturen und Steuerungssysteme von Windkraftanlagen zu optimieren. Darüber hinaus kann das Modell auch durch Befehle des Steuerungssystems gelenkt werden, die relevante Parameter anpassen, um schnelle Steuerungsreaktionen zu ermöglichen.
Eine zusätzliche Komplexität bei der Simulation von Windkraftanlagen besteht in der Nichtlinearität. Bei großen, flexiblen Mechanismen wie Windkraftanlagen können starke Rotationen und Verformungen zu Simulationsungenauigkeiten führen. Sany nutzt die nichtlinearen Mehrkörpersimulationsfunktionen von Simcenter Samcef-Solver, um genauere dynamische Lasten zu berechnen.
Eine der wichtigsten Funktionen von Simcenter Samcef Wind Turbines ist die parametrische Modellierung von Turbinen. Parametrisierte Modelle ermöglichen es Konstrukteuren, verschiedene Konstruktionen problemlos zu vergleichen und zu verifizieren oder bestehende Konstruktionen ohne komplexe und zeitaufwendige Modell-Rekonstruktion zu ändern. Das Ergebnis sind kürzere Entwicklungszyklen und reduzierte Kosten. Die Software enthält auch Tools, welche die Zertifizierung von Windkraftanlagen optimieren und es Sany ermöglichen, Standardsätze von Berechnungen und Berichten, die von den Aufsichtsbehörden gefordert werden, schnell auszuführen.
Digitaler Zwilling und intelligente Windkraftanlagen
Wenn sich die Wetterbedingungen verschlechtern kann das Betriebs- und Wartungsteam von Sany den Status schnell vorhersagen und eine optimale Steuerungsstrategie entwickeln, wodurch die Gesamteffizienz des Windparks verbessert wird. Das vermeidet gleichzeitig auch Ausfälle der Windkraftanlage. Diese intelligente Bedienung und Wartung führt zu deutlich reduzierten Stromgestehungskosten.
Der Einsatz von Simcenter-Lösungen bei Sany hat zu sehr positiven Ergebnissen geführt. Die Erkenntnisse aus modernsten Simulationen haben es dem Unternehmen ermöglicht, den Wirkungsgrad von Windturbinen und Parks um 50 Prozent zu steigern und den prognostizierten LCOE um mehr als zehn Prozent zu senken.
„In der sich schnell verändernden Windenergiebranche liegt der Schlüssel zum Erfolg von Sany Heavy Energy darin, intelligente Technologien wie den digitalen Zwilling umfassend zu nutzen, um die Entwicklungseffizienz und Produktzuverlässigkeit zu verbessern, dadurch die Stromgestehungskosten zu senken und unsere Produktstrategie für extrem niedrige Windgeschwindigkeiten zu unterstützen. Simcenter 3D von Siemens Digital Industries Software ist dabei ein zentraler Erfolgsfaktor.“, erläutert Wu Shengfei, CAE-Simulationsmanager bei Sany.
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