Weiterbetrieb von Windkraftanlagen: Ohne Lastsimulation geht es nicht!

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1 It s your business that matters Weiterbetrieb von Windkraftanlagen: Ohne Lastsimulation geht es nicht! Dipl.-Ing. Christian Kasubek ck@tembra.com TEMBRA GmbH & Co. KG Warschauer Str Berlin TEMBRA Company Profile 200dpi ( )

2 Seit 25 Jahren Entwicklung und Design von effizienten Windkraftanlagen TEMBRA GmbH & Co. KG Warschauer Str Berlin T: F:

3 Vom Entwurf bis zur Serie Wir begleiten Sie durch den gesamten Prozess Konzeptentwicklung Lastsimulation Konstruktion Festigkeitsberechnungen Protypenzertifizierung Überwachung der Aufstellung und Inbetriebnahme Beratung zur Planung der Serienfertigung 3

4 Unsere Kunden In Indien Südkorea China und Deutschland. Anlagenentwicklungen 6.0 MW 3.0 MW 2.7 MW 2.5 MW 2.0 MW 1.5MW 100 kw 4

5 Tragstrukturen Design & Berechnung Segment 4 Weight: Length: Segment 3 Weight : Length: 34t 25 m 32t 18 m Segment 2 Weight: Length: 42t 18 m Segment 1 Weight: Length: 65t 17.5 m Stahlrohrtürme Gittertürme Adapter 5

6 Forschung und Entwicklung Entwicklung einer flexiblen Hinterkante Turmeinbauten für KF 90 Aerodynamic profile design & CFD simulations Concept kinetic structures- design and simulation Gewichtsoptimiertes Turmdesign: 10% weniger Kosten 6

7 Weiterbetrieb nach 20 Jahren Designzustand Materialermüdung Verschleiß Typenprüfung Baugenehmigung BImSchG-Genehmigung Potenzial 7

8 Gründe für den Weiterbetrieb Gewinnmaximierung bereits abgeschriebener Anlagen EEG-Vergütung für Altanlagen bis 2020 Erhalt von Standorten und bewährter Technologie Vestas V44-600kW NH53m S46/750kW NH60m Inbetriebnahme EEG Referenzertrag (in 5 Jahren) kw* kw* Standortqualität 70 % 60 % Verfügbarkeit 95 % 95 % Betriebszeit mit EEG-Vergütung nach 20 Jahren Mögl. EEG Vergütung bei Weiterbetrieb (vor Abzug aller BK) * Quelle: Fördergesellschaft Windenergie und andere Erneuerbare Energien 5 Jahre 3 Jahre

9 Nachweismethoden TEMBRA Praktisch Ermittlung des Anlagenzustands (WKP, Schwachstellen, Betriebsdaten) Analytisch Quantitative Beurteilung der Materialermüdung Weiterbetriebszeiten basieren auf den Erfahrungen des Sachverständigen Gesicherter Weiterbetrieb kürzer, im Vergleich zur Verwendung analy. Methoden Vereinfachter Nachweis mit geringerem wirt. Aufwand, aber auch geringerer wirt. Planungssicherheit Weiterbetriebszeiten basieren auf Berechnungen höhere wirt. Planungssicherheit Beurteilung nicht zugänglicher Stellen 9

10 Konzept: Weiterbetrieb Schritte auf dem Weg zum Weiterbetrieb: 1. Ermittlung des Anlagenzustands 2. Rekonstruktion der Belastungen 3. Berechnung der Restnutzungsdauer 4. Zusammenfassung der Ergebnisse und Festlegung eines möglichen Weiterbetriebs mit erforderlichen Auflagen 10

11 Das Vorgehen im Detail 1. Ermittlung des Ist-Anlagenzustands (praktisch) Begehung der WKA (WKP) Schwachstellenermittlung (Risse, Erfahrung) Sichtung aller Unterlagen Überprüfung/Ermittlung v. Anlagenparametern Erste Einschätzung über Weiterbetriebspotenzial Ermittlung aktueller Standortbedingungen Windgutachten Windmessungen Ermittlung des Anlagenverhaltens Kurzzeitlastmessung (Rotorunwucht, Regelgrößen, Eigenfrequenzen) 11

12 Das Vorgehen im Detail 2. Rekonstruktion der Belastungen (analytisch) Ermittlung der Designlasten Lastsimulation mit Designannahmen Mögl. ursprünglicher Designlasten vorhanden Ermittlung der real erlebten Belastungen Lastsimulation mit Parametern des Ist-Zustands Lastmessung Lastvergleich mit DEL Beurteilung der Laständerung zwischen Designannahmen und realer WKA 12

13 Das Vorgehen im Detail 3. Ermittlung der Restnutzungsdauer (analytisch) Komponentenlastvergleich Ermittlung der Lebensdaueränderung für jede relevante Komponente (DEL + Wöhlerexponenten der Komponente) Festigkeitsnachweis der Schwachstelle Genauer Nachweis der Schwachstelle für eine sichere Weiterbetriebsaussage nach Stand der Technik Definition einer Restlaufzeit Quantitative Angabe der Restlaufeit auf Basis der Analytik 13

14 Festigkeitsnachweise Kriterien für die Durchführung von Festigkeitsnachweisen: 1. Fall: Komponente ohne Schaden: Annahme: Designberechnung richtig ausgelegt für 20a Komponentenbewertung mit DEL Vergleich ausreichend 2. Fall: Komponente ohne Schaden, aber Schwachstelle aus Erfahrung Designannahmen weichen offensichtlich von realen Bedingungen ab oder Berechnungsverfahren der Typenprüfung nicht ausreichend Empfehlung: Neuer Festigkeitsnachweis nach Stand der Technik 3. Fall: Komponente mit Schaden an der betrachteten WKA Bruchmechaniknachweis oder Austausch der Komponente 14

15 Das Vorgehen im Detail 3. Ermittlung der Restnutzungsdauer (analytisch) Komponentenlastvergleich Ermittlung der Lebensdaueränderung für jede relevante Komponente (DEL + Wöhlerexponenten der Komponente) Festigkeitsnachweis der Schwachstelle Genauer Nachweis der Schwachstelle für eine sichere Weiterbetriebsaussage nach Stand der Technik Definition einer Restlaufzeit Quantitative Angabe der Restlaufeit auf Basis der Analytik 15

16 Das Vorgehen im Detail 4. Gutachterlicher Stellungnahme Zusammenfassung der Ergebnisse Aussage ob Restnutzung mögl. Definition einer sicheren Weiterbetriebszeit Ggf. Definition von Auflagen für den Weiterbetrieb 16

17 Turbulenz nach NTM Turbulenz nach Normalturbulenzmodell Entwicklung der Fatigue-Lasten Linearer Zusammenhang zw. Veränderung der Turbulenz und Betriebslasten 17

18 Turbulenz nach NTM Standort Turbulenz Entwicklung der Fatigue-Lasten Reale Turbulenzverteilung löst linearen Zusammenhang auf 18

19 Zusammenfassung Anwendungserfahrung analyt. Nachweise aus Vielzahl von Designprojekten (100kW-6MW) Sachverständigentätigkeit Praktische Erfahrung Anlagenanalyse, Prototypenbetreuung Standortspezifische Lastrechnung - Designkundenprojekte (1.5 / 2MW ) - Windparkbetreiber (250 / 750 kw) 19