Kundenberichte: ReliaWind

Kundenberichte: ReliaWind

Das EU-Konsortium ReliaWind nutzt Windchill Quality Solutions zur Verbesserung der nächsten Generation von Windkraftanlagen

ReliaWind (Logo)Mit Windchill Quality Solutions beherrscht ReliaWind die Konstruktion, den Betrieb und die Wartung zukünftiger Onshore- und Offshore-Windkraftanlagen.

ReliaWind-Verbund, EU

ReliaWind ist das erste europaweite Projekt, das wichtige Vertreter der Windenergie-Wertschöpfungskette zusammenbringt, um Tools, Modelle und Entwurfsrichtlinien für die nächste Generation von Windkraftanlagen zu entwickeln. Bei der ersten Zusammenkunft im März 2007, bei der die Möglichkeiten von erneuerbaren Energien untersucht wurden, stimmte der Ministerrat der Europäischen Union (EU) darin überein, dass "erneuerbare Energie bis 2020 mindestens 20 Prozent des Energiebedarfs der EU decken soll".

In der festen Überzeugung, dass Windenergie den Hauptbeitrag zu diesem Ziel leisten kann – ebenso wie zur Erfüllung der Ziele zur Verbesserung der Energieeffizienz und Senkung der Kohlendioxidemissionen um 20 Prozent bis 2020 –, beauftragte der EU-Ministerrat ein Konsortium von zehn führenden Organisationen aus Industrie und Wissenschaft mit der Durchführung von Zuverlässigkeitsforschungen im Hinblick auf die Optimierung des Designs, des Betriebs und der Wartung von Windkraftanlagen. In ihren Bemühungen, überlegene Lösungen der nächsten Generation zu entwickeln, nutzten die Mitglieder des Konsortiums Windchill Quality Solutions für die Auswertung von Zuverlässigkeits- und Wartbarkeitsdaten von bereits installierten Windkraftanlagen, um zu ermitteln, wie zukünftige Systementwürfe besser gestaltet werden könnten.

Der Fall

Wenn bis 2020 mindestens 20 Prozent des Energiebedarfs in der EU durch erneuerbare Energien gedeckt werden sollen, führt am Ausbau von Offshore-Windparks kein Weg vorbei. Unstetes Wetter, extreme Belastungen, Seeluft, Salzwasser und der schwierige Zugang tragen jedoch zu einem deutlich erhöhten Risiko bei der Installation, beim Betrieb und bei der Wartung von Offshore-Windkraftanlagen bei. Um Investitionen in Offshore-Windparks attraktiver zu machen, musste der EU-Ministerrat erkennen, dass die Zuverlässigkeit und Wartbarkeit von Windkraftanlagen insgesamt optimiert werden müssen.

Die Optimierung von Zuverlässigkeit und Wartbarkeit ist nicht einfach. Der Bau von Offshore-Windkraftanlagen setzt fortschrittliche Korrosionsschutzverfahren und den Einbau von elektrischen Einheiten in hermetisch abgeschlossenen Abschnitten der Windkraftanlage voraus. Außerdem müssen die Wartungsstrategien für Offshore-Service und -Reparaturen nicht nur eine geringere Reparaturhäufigkeit vorsehen, sondern auch bessere Zugangsmethoden, die weniger von Wind und Wellengang abhängig sind.

TurbinenIn einem Projekt zur Förderung der zuverlässigkeitsorientierten Konstruktion (Design for Reliability) rief der EU-Ministerrat das ReliaWind-Konsortium ins Leben. Die zehn teilnehmenden Organisationen erhalten eine Unterstützung von 5,5 Millionen Euro und haben drei Jahre Zeit, um die Methoden für Konstruktion, Bau und Wartung von Windkraftanlagen zu verbessern. Mit einem Gesamtbudget von 7,7 Millionen Euro erhielt ReliaWind den Auftrag, spezielle Zuverlässigkeitsmodelle für Windkraftanlagen zu entwickeln und sämtlichen Beteiligten im Windenergiesektor zur Verfügung zu stellen.

Neben der Schulung der Beteiligten in der Anwendung dieser Modelle für zuverlässigkeitsorientierte Entwicklungstätigkeiten sollte ReliaWind andere Organisationen bei Konferenzen, Workshops, auf Websites und in den Medien über die Forschungsergebnisse informieren mit dem Ziel, dass diese ab 2015 bei der Entwicklung neuer Windkraftanlagen Berücksichtigung finden.

Vorteile von Offshore-Windparks

Offshore-Windparks haben gegenüber Onshore-Windparks unter anderem folgende Vorteile:

  • Vielfältigere Offshore-Windmuster sorgen für einheitlichere Windturbulenzen und damit eine bessere Effizienz der Windkraftanlage
  • Tendenziell höheres Windaufkommen während des Tages, dadurch größere Ausbeute während der Spitzenzeiten
  • Möglichkeit, Offshore-Parks verbrauchernah in der Nähe von Netzen mit großer Bevölkerungsdichte aufzustellen, dadurch kürzere Hochspannungsleitungen
  • Möglichkeit, Windkraft auch in EU-Ländern zu nutzen, in denen im Binnenland keine geeigneten Flächen für Windparks vorhanden sind
  • Geringere Schädigung von Vogelarten

Zuverlässigkeitsherausforderungen bei Offshore-Windparks

Offshore-Windparks bieten zwar viele wichtige Vorteile, bringen jedoch auch zahlreiche Zuverlässigkeitsanforderungen mit sich:

  • Robustere Rotorblätter, Masten und andere Komponenten aufgrund der stärkeren Winde und raueren Wetterbedingungen
  • Reduzierung der Anzahl der Gesamtkomponenten zur Vereinfachung der Konstruktion auf ein Minimum an äußerst zuverlässigen Komponenten
  • Modulares Design für einen leichten Austausch fehlerhafter Komponenten
  • Umfassende Korrosionsschutz- und Wasserversiegelungstechnologien zum Schutz von Oberflächen und Innenbauteilen
  • Möglichst umfangreiche Automatisierung der Betriebswartung zur Verlängerung der Serviceintervalle aufgrund der schwierigen und teuren Erreichbarkeit

Die Ziele

Das Hauptziel von ReliaWind war es, den Windenergiesektor zu fördern, indem die Implementierung von Offshore-Windparks mit ähnlichen Kosten wie bei Onshore-Windparks ermöglicht werden sollte. Bei Onshore-Windkraftanlagen sind ein oder auch mehrere Ausfälle pro Jahr keine Seltenheit. Eine solche Unzuverlässigkeit ist bei Offshore-Anlagen nicht akzeptabel, da die Kosten für Ausfallzeiten und Reparaturen signifikant höher sind. Damit der Bau von Offshore-Windparks für Investoren attraktiv ist, muss die operative Verfügbarkeit bei über 97 Prozent liegen.

Zu diesem Zweck legte ReliaWind viele ehrgeizige quantitative Zuverlässigkeitsziele für Onshore- und Offshore-Windkraftanlagen fest:

  • Verbesserung der MTBF (Mean Time Between Failures, mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen) um 10 Prozent bei Onshore-Windkraftanlagen und um 20 Prozent bei Offshore-Anlagen
  • Reduzierung des MTTR-Werts (Mean Time To Repair, mittlere Reparaturdauer) um 20 Prozent bei Onshore-Anlagen und um 50 Prozent bei Offshore-Anlagen
  • Steigerung der operativen Verfügbarkeit von 97–98 Prozent auf 98–99 Prozent bei Onshore-Anlagen und von 85–90 Prozent auf 97–98 Prozent bei Offshore-Anlagen
  • Senkung der Energiekosten auf unter 0,04 Euro je Kilowattstunde

Das Konzept

Um sich einen besseren Überblick über die Zuverlässigkeit von Windkraftanlagen zu verschaffen und zukünftige Entwürfe positiv zu beeinflussen, definierte ReliaWind das folgende Gesamtkonzept für die Analyse der heutigen Anlagen.

  1. Sammeln von Fehler- und Wartungsdaten für bestehende Windkraftanlagen von Herstellern und Zulieferern mit anschließender Standardisierung Definition der Systemhierarchie und Durchführung von Zuverlässigkeitsprognosen auf System-, Teilsystem- und Komponentenebene zur Bestimmung der Elemente mit der höchsten Ausfallrate mithilfe von Windchill Prediction
  2. Erstellung eines Zuverlässigkeitsblockdiagramms mithilfe von Windchill OpSim und Integration der gesammelten Daten zur Berechnung von Messgrößen wie Verfügbarkeit, Nichtverfügbarkeit, MTBF, Ausfallrate, erwarteter Ausfallzahl, mittlerer Nichtverfügbarkeit, Gesamtausfallzeit, Ausfallhäufigkeit und Hazardwert
  3. Identifizierung von Fehlermöglichkeiten, Fehlerursachen und -effekten und Evaluierung der potenziellen Folgen für die Anlage mithilfe von Windchill FMEA zur Bestimmung von Möglichkeiten zur Eliminierung oder Abschwächung inakzeptabler Folgen basierend auf Kritikalitätseinstufungen

Die Ergebnisse

Datensammlung und -standardisierungBalkendiagramm

  • Um was geht es? Analyseergebnisse sind nur so gut wie die Daten, auf denen sie basieren. Da die bisherigen Arbeiten zur Verfügbarkeit von Windkraftanlagen auf zusammenfassende Daten von fragwürdiger Qualität beschränkt waren, hatte die Erhebung und Aufbereitung hochwertiger Ausfall- und Wartungsdaten von im Einsatz befindlichen Windkraftanlagen höchste Priorität.
  • Ablauf: ReliaWind wertete Datenbanken, Fehlerprotokolle, manuelle Aufzeichnungen, Arbeitsaufträge und monatliche Betriebsberichte von Windparks und Komponentenherstellern aus und entwickelte anschließend eine Standardtaxonomie für Windkraftanlagen und ein allgemeines Datenstrukturformat.
  • Was kam dabei heraus: Nachdem die Datenbank erstellt und gefüllt war, lagen ReliaWind gültige und verwertbare Felddaten von Herstellern für mehr als 250 Windparks weltweit vor, die zwischen einem und 15 Jahren im Betrieb waren. Anhand der Daten zum Bauteilversagen für mehr als 290 Windkraftanlagen definierte ReliaWind einen Ausfall als Stillstand des Windrads für mindestens eine Stunde, wobei die Wiederaufnahme des Betriebs nur durch manuelles Eingreifen möglich ist. Dank der hochwertigen Daten, die ReliaWind vorlagen, konnte die Zuverlässigkeit der Windkraftanlagen mithilfe von Windchill Quality Solutions analysiert und ausgewertet werden.

Windchill Prediction

  • Um was geht es? Bei der Zuverlässigkeitsprognose, einer der häufigsten Formen der Zuverlässigkeitsanalyse, wird die Ausfallquote von Teilen oder Komponenten geschätzt. Diese Ausfallraten basieren in der Regel auf den Berechnungsergebnissen international anerkannter Normen wie MIL-HDBK-217, Telcordia (ehemals Bellcore) und IEC TR 62380. Jede dieser Normen enthält Gleichungen oder Ausfallratenmodelle zur Berechnung der Komponenten-Ausfallrate anhand der für Belastungen, Teilequalität, Temperatur und andere Umweltfaktoren angegebenen Werte. Die Ausfallrate des Gesamtsystems ist die Summe aller Komponenten-Ausfallraten.
  • Ablauf: ReliaWind setzte für zwei generische Anlagenkonfigurationen 12 separate Teilsysteme zu Systemdefinitionen zusammen und nutzte dann die einzigartige Funktion von Windchill Prediction, Kalkulationsmodelle aus verschiedenen Normen zusammen mit Daten zum Bauteilversagen für identische und ähnliche Komponenten, Zuliefererdaten und verschiedenen Fehlerdaten-Handbüchern für nicht elektronische und mechanische Teile zu mischen, um die geschätzten Ausfallraten zu berechnen.
  • Was kam dabei heraus: Bei diesen Konfigurationen erwiesen sich das Rotormodul, das Pitchsystem, das Leistungsmodul und das Gondelmodul als die Teilsysteme mit den höchsten Ausfallraten. Mit diesen Informationen begann ReliaWind, zu untersuchen, durch welche Änderungen sich die Zuverlässigkeit dieser Teilsysteme erhöhen ließe. Zu den Möglichkeiten gehörten die Verwendung zuverlässigerer Komponenten, die Anwendung neuer Technologien oder Prozesse und die Eliminierung einzelner Schwachstellen, die zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen.

Windchill OpSim (Optimierung und Simulation)Diagramm

  • Um was geht es? Bei einem Zuverlässigkeitsblockdiagramm handelt es sich um eine visuelle Darstellung eines komplexen Systems, das mithilfe von anspruchsvollen mathematischen Algorithmen analysiert wird, um umfassende Zuverlässigkeits- und Wartbarkeits-Messgrößen zu berechnen. Während Zuverlässigkeitsprognosen davon ausgehen, dass sämtliche Komponenten hintereinander geschaltet sind, können bei Zuverlässigkeitsblockdiagrammen Fehlertoleranzmechanismen wie Redundanzen und Sicherungssysteme berücksichtigt werden.
  • Ablauf: Da es in Windchill OpSim so einfach ist, parallele und in Reihe geschaltete Redundanzen und Sicherungssysteme hinzuzufügen, konnte ReliaWind Tradeoff-Studien durchführen, um zu beurteilen, ob Änderungen am Systemdesign sich stark genug auf die operative Verfügbarkeit auswirken würden, dass die zusätzlichen Komponenten und Wartungskosten sowie die zusätzliche Komplexität angemessen wären.
  • Was kam dabei heraus: ReliaWind erstellte anhand der Ergebnisse für jeden Monat eines Jahres (insgesamt 8760 Betriebsstunden) ein Zuverlässigkeitsblockdiagramm mit in Reihe geschalteten Blöcken, um sicherzustellen, dass die Ausfallrate der Windkraftanlage im Zeitverlauf konstant bleibt. Die Verfügbarkeit stabilisierte sich in etwa nach dem Vierfachen der MTTR (Mean Time To Repair, mittlere Reparaturdauer). Das entspricht der analytischen Definition der Verfügbarkeitsfunktion. Mit den fortschrittlichen Simulations- und Optimierungsverfahren in Windchill OpSim konnte ReliaWind komplexe Systemszenarien wie die Verwendung von redundanten Systemen und Ersatzkomponenten analysieren. Die Fähigkeit, zukünftige Zustände der Windkraftanlage zu prognostizieren, ermöglichte eine Beurteilung, wie eine effizientere, proaktive Wartungs- und Ressourcenplanung die Betriebs- und Wartungskosten reduzieren und die Verfügbarkeit der Windkraftanlage erhöhen würde.

Windchill FMEA

  • Um was geht es? Bei der FMEA (Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse) handelt es sich um eine Bottom-Up-Analyse des Systementwurfs und der Systemleistung auf einer bestimmten Systemebene. Dabei werden alle potenziellen Fehlermöglichkeiten identifiziert, die Endeffekte jeder einzelnen Fehlermöglichkeit bestimmt und das Risiko der einzelnen Effekte beurteilt, um inakzeptable Risiken zu eliminieren oder zu mindern.
  • Ablauf: Zum Aufbau einer Einzelteil-FMEA, die auf Komponentenebene beginnt und die Kritikalität der einzelnen Fehlermöglichkeiten berücksichtigt, setzte ReliaWind Windchill FMEA und MIL-STD-1629 ein – eine seit vielen Jahren von Behörden, Militär und kommerziellen Organisationen weltweit zur Berechnung der Moduskritikalität eingehaltene Norm. Durch die Einstufung der Modi konnte sich ReliaWind ganz auf die Eliminierung oder Minderung der inakzeptablen Effekte der Fehlermöglichkeiten konzentrieren, die die stärksten Auswirkungen auf die operative Verfügbarkeit der Windkraftanlage aufwiesen.
  • Was kam dabei heraus: Nach der Verteilung der 81 identifizierten Fehlermöglichkeiten in eine Kritikalitätsmatrix, basierend auf Eintrittswahrscheinlichkeit und Schweregrad, konnte ReliaWind ganz leicht feststellen, wo die höchsten Risiken schlummerten. So konnten gezielt entsprechende Verbesserungsmaßnahmen zur Eliminierung oder Verringerung ihres Auftretens getroffen werden. Zu den Maßnahmen gehörten die Festlegung von Fehlererkennungsmethoden und möglichen Ausgleichsmechanismen bei katastrophalen und kritischen Fehlern im Hinblick auf ein Maximum an Zuverlässigkeit, Komponentenlebensdauer und Verfügbarkeit der Windkraftanlage. Um sowohl die Stromerzeugung als auch die Belastung der kritischen Komponenten zu optimieren, musste erstklassige Sensorentechnologie für Überwachungseinrichtungen, Diagnose und Prognose implementiert werden.

Endergebnisse

ReliaWind erfüllte die Vorgaben noch vor Abschluss des auf drei Jahre ausgelegten Projekts durch:

  • Bereitstellung allgemeiner Protokolle und Normen zur Sicherstellung der Interoperabilität zwischen den verschiedenen Herstellern und Abnehmern von Windkraftanlagen
  • Integration von Technologien, Methoden und Anwendungen in einem einheitlichen Satz von Fernsteuerungs- und -überwachungsanlagen
  • Entwicklung eines einheitlichen Satzes von Anwendungen zur Unterstützung der Betriebs- und Wartungsoptimierung im Hinblick auf die Maximierung der Verfügbarkeit der Windkraftanlagen und die Minimierung der Kosten der Windenergie
  • Bereitstellung von Schulungen für Partner und andere Beteiligte bezüglich der für einen zuverlässigkeitsorientierten Ansatz zukünftiger Entwicklungsaktivitäten benötigten Tools
  • Verteilung der Projekterkenntnisse innerhalb des Windenergiesektors der EU mithilfe von Konferenzen, Workshops, Websites und Medieninitiativen

Schlussfolgerung

Die Vorteile eines vollständig integrierten Toolsets für die Zuverlässigkeitsanalyse wie Windchill Quality Solutions resultieren aus der Fähigkeit, eine Datenquelle für mehrere Analysemodule zu verwenden. Neben der Eliminierung der fehleranfälligen, zeitintensiven redundanten Datenerfassung ermöglicht Windchill Quality Solutions die effektive Nutzung von Bestandsdaten bei der Bereitstellung praxisnaher Ergebnisse von Zuverlässigkeitsprognosen zur Unterstützung der Entwicklung neuer Systementwürfe.

Da die berechneten Systemmessgrößen als Eingabedaten für die Risikoanalyse verwendet werden können, ist es mit den Modulen Windchill FMEA und Windchill Fault Tree möglich, die Wahrscheinlichkeit und den Schweregrad von Systemrisiken zu quantifizieren, zu denen der Ausfall von Bauteilen maßgeblich beiträgt. Eine vollständig integrierte Lösung mit mehreren Windchill Quality Solutions Modulen berücksichtigt gleichzeitig verschiedene Dimensionen der Systemzuverlässigkeit. So wird Zeit gespart, und die Analyseaktivitäten werden optimiert.

Quelle der Fallstudie: ReliaWind EWEA 2011 Nebenveranstaltung: "Improving Turbine Reliability", Brüssel, 15. März 2011, "Design for Reliability – a FMEA Study" von Stefano Barbati und Luca Barbati, ehemals Relex Software Corporation Italia, Italien