Analyse meteorologischer Probleme im Aufbau und Betrieb von Offshore-Windkraftanlagen

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1 Institut für Meteorologie und Klimatologie Analyse meteorologischer Probleme im Aufbau und Betrieb von Offshore-Windkraftanlagen K. Hundeshagen, T. Hauf (Leibniz Universität Hannover) R. Brauner (Jade Hochschule) Quelle: REPower Quelle: EnBW

2 Motivation Bessere meteorologische Problemanalyse reduziert Entwicklungskosten Erhebliche Risiken RWE-Chef sieht Offshore-Ausbau gefährdet (Handelsblatt, ) Offshore-Branche bangt um Windpark- Finanzierung (Focus, ) Offshore stellt sich immer mehr als zu teuer heraus (Märkische Allgemeine, ) Unsichere Rahmenbedingungen Hohe Verzögerungszeiten während des Aufbaus Hohe Entwicklungskosten Seite 2

3 Der Problemkatalog Wettereinfluss Umfasst möglichst besonders alle stark meteorologischen während der Aufbauphase Probleme Planung Meteorologische Aufbaugutachten Ertragsprognosen Aerodynamische & hydrodynamische Lasten Aufbau Verlässlichkeit der Wettervorhersage Verlässlichkeit der Seegangsvorhersage Zeitfenster auf See Hoher Risikofaktor durch Wetter Normalbetrieb Zeitfenster - Routinewartung Korrosion Vereisung Störungen Zeitfenster - Störfallwartung Sturm, Sturmfluten und Monsterwellen Havarierte Schiffe Vereisung, Eisschlag und Eisschollen Blitzeinschlag Vogelflug Seite 3

4 Die Zeitfenster-Problematik Aufbauarbeiten benötigen zeitlich begrenzten geringen Wind und Seegang Richtwerte für Zeitfenstertag Windgeschwindigkeit in 100 m Höhe 10 m/s Signifikante Wellenhöhe 1,5 m Richtwert für Zeitfenster Besteht aus mindestens 3 Zeitfenstertagen Abb. 1: Ruhige See - geeignet zum Aufbauen eines Offshore-Windparks Tage Abb. 2: Raue See - nicht geeignet zum Aufbauen eines Offshore-Windparks Beobachtungsdaten der FINO-1 Messplattform ( ) zeigen, dass Richtwerte im Mittel an 28 Tagen im Jahr (~10 %) abzüglich Messausfällen erfüllt sind Wie gut können die wenigen Zeitfenster vorhergesagt werden? Seite 4

5 Die Zeitfensterstatistik Statistik zum Vergleich von beobachteten und vorhergesagten Zeitfenstern Beobachtung Umfasst Filterverfahren zur Bestimmung von aufgetretenen Zeitfenstern Vorhersage Entdecktes Zeitfenster startet Ablaufszenario (beinhaltet Vorlaufzeiten, aktuelle Wetterbriefings, Warteperioden, ) Kontingenztabelle * * * Nur Zeitfenstertage eines Zeitfensters berücksichtigt Datengrundlage Beobachtungsdaten von Januar 2006 bis Dezember 2012 von der FINO-1 Messplattform (BSH) 174-stündige Wind- und Seegangsvorhersagen der DWD Modellkette GME/GSM von Januar 2006 bis Dezember 2012 für die Position der FINO-1 Messplattform (DWD Hamburg): Seite 5

6 Erste vorläufige Ergebnisse Zeitfenster werden häufig nicht richtig vorhergesagt * * * Nur Zeitfenstertage eines Zeitfensters berücksichtigt Kontingenztabelle der Daten von Januar 2006 Dezember 2012 abzüglich Fehlerwerte durch Bojenausfälle Fehlprognose 200 Zeitfenstertage insgesamt in der Beobachtung (~10%) Nur 60 (30%) richtig vorhergesagt An 70 Tagen irrtümlicherweise den Hafen verlassen Kosten belaufen sich auf pro Tag Starker Anstieg an Mehrkosten (Faktor 3) durch Verpassen der Zeitfenster Seite 6

7 Möglichkeit 1: Lösungsvorschläge Die Vorhersagequalität verbessern, um finanzielle Verluste zu minimieren Von deterministischer Vorhersage zur Wahrscheinlichkeitsvorhersage Risiko Risikomanagement mit Ensemble-Vorhersagen Abb. 5: Beispiel eines Ampelmodells für die signifikante Wellenhöhe (Quelle: Ensemble vom ECMWF, 2012) Möglichkeit 2: Vorhersagen besser beurteilen (z.b. Beratergruppe mit verstärkten synoptischen Kenntnissen) Seite 7

8 Zusammenfassung Das Wetterrisiko ist in der Aufbauphase gravierend Geeignete Zeitfenster auf See sind selten (28 Tage pro Jahr) und werden durch Fehlvorhersagen häufig verpasst Nutzen von Wahrscheinlichkeitsvorhersagen und mehr meteorologischen Know-how reduziert die Kosten Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Kontakt: B.Sc. Katrin Hundeshagen Institut für Meteorologie und Klimatologie Leibniz Universität Hannover Tel: 0049 (0) Danksagung: Besonderer Dank geht an Herrn Bruns vom DWD Hamburg und an das BSH für die Bereitstellung der Datensätze Seite 8

9 Anhang - Vorhersagbarkeitsgüte von Zeitfenstern Wie genau können Zeitfenster auf See vorhergesagt werden? Problem: Vorhersagbarkeitsgüte von Windgeschwindigkeit und signifikanter Wellenhöhe Vorbereitung Windfehler Zeitfenster Windfehler wird in die Seegangsmodelle mit übernommen Abb.3: Zeitstrahl über den Prozess des Zeitfensters von der Vorhersage bis zum Aufbaueinsatz Abb.4: Mittlerer Vorhersagefehler für die Windgeschwindigkeit im Jahr 2000 (Quelle: Kratzsch 2002, DWD) Seite 9

10 Anhang - Das Auswerteverfahren Die vorhergesagten Zeitfenster beinhalten ein Ablaufszenario Beobachtung: Umfasst Filterverfahren zur Bestimmung von aufgetretenen Zeitfenstern Vorhersage: Entdecktes Zeitfenster startet Alarmierungs- und Vorbereitungsszenario Beinhaltet sind z.b. 1. Entscheidungstag 2. Vorlaufzeiten 3. Wartephasen 4. Jeden Tag Wetterbriefings 5. Möglichkeit, Einsatz auf See zu verlängern Im Hafen Auf See (ohne Einsatz) Auf See (mit Einsatz) Abb.5: Grundbausteine des Vorhersageszenarios Seite 10

11 Anhang - Zeitfensterverteilung Zeitfenster treten häufiger im Sommer auf und sind von der Dauer länger Beruht auf den Beobachtungsdaten der FINO-1 Messplattform (BSH) Seite 11

12 Anhang - Zeitfensterdauer Zeitfenster werden umso seltener, je länger ihre Dauer ist Beruht auf den Beobachtungsdaten der FINO-1 Messplattform (BSH) Seite 12