Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks

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1 1. Wuppertaler Energie-Forum Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks Dr. Friedrich Koch, RWE Innogy AG, Essen M. Sc. Issam Athamna, Bergische Universität Wuppertal Wuppertal, den 20. Januar 2012 F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 1

2 Inhalt RWE Innogy Wind Offshore Projekt Pipeline Hauptsächlichen Unterschiede zwischen Off- und Onshore Planungsvarianten für Offshore-Windparks & Erste Ergebnisse Verbesserungsbedarf der Zuverlässigkeitsprogramme Windenergieanlagemodell Wettereinflüsse Leistungsregelung der Windenergieanlage Weiteres Vorgehen und Ausblick F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 2

3 RWE Innogy Projekt-Pipeline in Wind Energy Offshore > MW Offshore-Windkraftwerke in Betrieb Offshore-Windkraftwerke in Errichtung Offshore-Windkraftwerke in Entwicklung Projektname Land Status Kapazität RWE-Anteil Rhyl Flats GB Betrieb 90 MW 90 MW North Hoyle GB Betrieb 60 MW 60 MW Thornton Bank 1 B Betrieb 30 MW 8 MW Greater Gabbard GB Errichtung 504 MW 252 MW Gwynt y Môr GB Errichtung 576 MW 346 MW Gwynt y Môr Rhyl Flats Atlantic Array North Hoyle Dogger Bank Galloper Triton Knoll Tromp Binnen Greater Gabbard Thornton Bank 2,3 Thornton Bank 1 Nordsee Ost Innogy Nordsee 1 Nordsee Ost D Errichtung 295 MW 295 MW Thornton Bank 2,3 B Errichtung 295 MW 79 MW Innogy Nordsee 1 D Entwicklung 996 MW 996 MW Tromp Binnen NL Entwicklung 295 MW 295 MW Galloper GB Entwicklung 500 MW 250 MW Triton Knoll GB Entwicklung MW MW Atlantic Array GB Entwicklung MW MW Dogger Bank GB Entwicklung MW MW Gesamt MW MW F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 3

4 Hauptsächlichen Unterschiede zwischen Wind Offshore und Onshore Parkleistung bis zu einigen 1000 MW Hohe Investitionskosten Parkleistung bis zu einigen 100 MW Wassertiefe und Meeresboden variieren Komplexe Installation Errichtung auf festem Untergrund Zugang wesentlich aufwendiger aufgrund großer Distanzen Relativ unproblematischer Zugang Erreichbarkeit durch Kfz Hohe Betriebs-/ Instandhaltungskosten Hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und deren Ermittlung F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 4

5 Installationsschiff Victoria Mathias F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 5

6 Beispiel: Planungsvarianten: Stichleitungen, Offen betriebene und Geschlossene Ringe 155kV-Sammelschiene, HS-Transformatoren, MS-Schaltanlagen auf der Substation, MS-Parkverkabelung, MS-Schaltanlagen und Transformatoren in den WEA sind berücksichtigt. F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 6

7 Beispiel: Planungsvarianten: Stichleitungen Offen betrieben Halbringe Geschlossene Ringe A B C D E F F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 7

8 Beispiel: Erste Ergebnisse F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 8

9 Beispiel: Erste Ergebnisse Stich offen geschlossen F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 9

10 Verbesserungsbedarf der Zuverlässigkeitsprogramme Mit ihnen können derzeit keine vollständigen Berechnungen von Offshore-Windparks durchgeführt werden. Übertragungs- & Verteilungsnetze vs. Erzeugungsnetze Erweiterung der Zuverlässigkeitsprogramme um die Spezifika der Offshore-Windparks. Notwendige Weiterentwicklungen: Zuverlässigkeitsmodell der Offshore-Windenergieanlage Wettermodell für Offshore-Windparks Einspeiseregelung des Offshore-Windparks im Fehlerfall F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 10

11 Zuverlässigkeitsmodell der Windenergieanlage Ausfall Betrieb Instandhaltung (1-D 0 ) Teilleistungsbetrieb F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 11

12 Einflüsse von Wind und Welle auf die Zuverlässigkeitsberechnung Beeinflussung der Einspeiseleistung F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 12

13 Anzahl der Wetterfenster Einflüsse von Wind und Welle auf die Zuverlässigkeitsberechnung Wetterfenster für Wellenhöhen bis 1.5m Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec 6 std Wetterfenster 8 std Wetterfenster 10 std Wetterfenster 12 std Wetterfenster Beeinflussung der Zugänglichkeit F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 13

14 Einflüsse von Wind und Welle auf die Zuverlässigkeitsberechnung Reparaturdauer in Abhängigkeit von der Jahreszeit MTTR/h 2500 Kabel MTTR/h 300 Windenergieanlage Monat Monat Sommer/Winter Nach A. Sannino gesamtes Jahr F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 14

15 Einflüsse von Wind und Welle auf die Zuverlässigkeitsberechnung Die Nichtverfügbarkeit (Ausfall & Instandhaltung) kann zwischen Sommer und Winter stark variieren. Im Sommer: geringere Wellenhöhe Im Winter: größere Wellenhöhe höhere Zugänglichkeit niedrigere Zugänglichkeit Unterschiedliche Wartungskonzepte (Schiff, Hubschrauber) Die Berechnungen der Zuverlässigkeitskenngrößen erfolgen getrennt für Sommer- und Wintermonate. F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 15

16 Einspeisungsregelung der Windenergieanlagen im Fehlerfall Nichtverfügbarkeit von Betriebsmitteln (HS-Trafo, MS-Kabel, ) kann zu Betriebsmittelüberlastungen führen. Einspeisungsregelung zur Vermeidung von Betriebsmittelüberlastungen Es entsteht zusätzlich reduzierte Einspeiseleistung Für die Regelung ist entscheidend: Die ausgefallene Komponente und deren Lokation Die Anzahl der zu regelnden Windenergieanlagen F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 16

17 Ausfall eines Kabelabschnitts 100% 100% 100% 100% 100% 85% mm² 630mm² 630mm² Umspannwerk 100% 100% 100% 85% 85% 85% 12 4 von 12 WEA müssen geregelt werden! mm² 630mm² 630mm² Maximale Eispeiseleistung der Windenergieanlagen 6 bis 9 21MVA/4= 5,25 MVA F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 17

18 Ausfall eines Kabelabschnitts 100% 100% 100% 56% 56% 56% mm² 630mm² 630mm² Umspannwerk 100% 100% 100% 56% 56% 56% 12 6 von 12 WEA müssen geregelt werden! mm² 630mm² 630mm² Maximale Eispeiseleistung der Windenergieanlagen 4 bis 9 21MVA/6 = 3,5 MVA F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 18

19 Ausfall eines Kabelabschnitts 37% 37% 37% 37% 37% 37% mm² 630mm² 630mm² Umspannwerk 100% 100% 100% 37% 37% 37% 12 9 von 12 WEA müssen geregelt werden! mm² 630mm² 630mm² Maximale Eispeiseleistung der Windenergieanlagen 1 bis 9 21MVA/9 = 2,33 MVA F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 19

20 Ausfall einer Sammelschiene 100% 100% 100% 0% 68% 68% mm² 630mm² 630mm² Umspannwerk 12 5 von 12 WEA müssen geregelt werden! 100% 100% 100% 68% 68% 68% mm² 630mm² 630mm² Maximale Eispeiseleistung der Windenergieanlagen 5 bis 9 21MVA/5= 4,2 MVA F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 20

21 Ausfall einer Sammelschiene 100% 0% 48% 48% 48% 48% mm² 630mm² 630mm² Umspannwerk 12 7 von 12 WEA müssen geregelt werden! 100% 100% 100% 48% 48% 48% mm² 630mm² 630mm² Maximale Eispeiseleistung der Windenergieanlagen 3 bis 9 21MVA/7 = 3 MVA F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 21

22 Ausfall einer Sammelschiene 0% 42% 42% 42% 42% 42% mm² 630mm² 630mm² Umspannwerk 100% 100% 100% 42% 42% 42% 12 8 von 12 WEA müssen geregelt werden! mm² 630mm² 630mm² Maximale Eispeiseleistung der Windenergieanlagen 2 bis 9 21MVA/8 = 2,625 MVA F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 22

23 Einspeisungsregelung der Windenergieanlagen im Fehlerfall Nichtverfügbarkeit von Betriebsmitteln (HS-Trafo, MS-Kabel, ) kann zu Betriebsmittelüberlastungen führen. Einspeisungsregelung zur Vermeidung von Betriebsmittelüberlastungen Zwei unterschiedliche Methoden zur Einspeiseregelung werden entwickelt: Manuell; Vorgabe fester Regelstufen bzw. Leistungszuteilung an WEA Automatisch; Iterativer Prozess zur Leistungseinspeisemaximierung F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 23

24 P WEA in p.u. 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 Einspeisungsregelung der Windenergieanlagen im Fehlerfall 85% 68% 60% 56% 48% 42% 0,4 37% 0,3 0,2 0, Manuelle Einspeiseregelung (Vorgabe fester Regelstufen) ist windparkspezifisch zu ermitteln Dauer in h F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 24

25 Erweiterung des Zuverlässigkeitsprogramms mit: Modell der Offshore-Windenergieanlage Zuverlässigkeitskenngrößen für Einspeisungen mittels WEA Wettermodell Weiteres Vorgehen und Ausblick Regelungsverhalten von Offshore-Windparks Projektspezifische Simulationen zur Planung und Dimensionierung von Offshore-Windparks Monetäre Bewertung von Planungsvarianten (entgangene Einspeisevergütung) etc. F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 25

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! F. Koch, I. Athamna Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks 26