Floating-LiDAR-Systeme für den Einsatz in der Offshore-Windindustrie

Floating-LiDAR-Systeme für den Einsatz in der Offshore-Windindustrie Dr. Julia Gottschall ForWind Vortragsreihe 29. Januar 2015, Oldenburg 1

Überblick Kurzvorstellung Fraunhofer IWES Nordwest Einführung Offshore-Winddaten Floating-LiDAR-Technologie Fraunhofer IWES Wind-LiDAR-Boje (On- und) Offshore-Tests Anwendungen Zusammenfassung 02.02.2015 2

Fraunhofer Geschäftsmodell: Industrienähe als Erfolgsfaktor 67 Fraunhofer Institute und selbständige Forschungseinrichtungen Mehr als 23.000 MitarbeiterInnen; vorwiegend mit natur- oder ingenieurwissenschaftlicher Ausbildung 2,0 Mrd. jährliches Forschungsvolumen 1/3 öffentliche Grundfinanzierung 1/3 eingeworbene Drittmittel 1/3 Industrieerträge 4

Kurzprofil Fraunhofer IWES Nordwest Leitung: Forschungsspektrum: Prof. Dr.-Ing. Andreas Reuter Windenergie von der Materialentwicklung bis zur Netzintegration Gesamthaushalt 2013: rund 14 Mio. Personal: 150 MitarbeiterInnen Bisherige Investitionen in die Standorte: 50 Mio. Strategischer Zusammenschluss mit ForWind und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (Forschungsverbund Windenergie) 5

Kurzprofil Fraunhofer IWES Nordwest Tests in Großprüfständen Kompetenzbereich: Windparkplanung und betrieb Kompetenzbereich: Antriebs- und Systemtechnik Kompetenzbereich: Strukturkomponenten Anwendungszentrum für Windenergie-Freifeldmessungen 6

Alpha -TEC 2009 Kompetenzbereich: Windparkplanung und -betrieb Ein Schlüsselfaktor für optimierte Planung und Betrieb von Windparks ist die Entwicklung sowie Anwendung von innovativen und validierten Verfahren. Offshore-Windmessungen mit der Fraunhofer IWES LiDAR-Boje Geophysikalische Baugrunderkundung mittels mehrkanalseismischer Messtechnik Aerodynamik- und mikroskalige Modellierung Mesoskalige Strömungsmodellierung im komplexen Gelände Wetterabhängigkeitssimulation bezüglich Planung der Montage sowie Instandhaltung Analyse des Degradationsverhaltens von Materialien, Beschichtungen, Komponenten und Sensoren durch Labor- und Feldversuche Projektentwickler und Windparkbetreiber erhalten verlässliche Daten und fundierte Analysen für die Planung, den Bau und den Betrieb ihres Windparks. 7

Einführung Offshore-Winddaten wofür werden Offshore-Winddaten benötigt? Windpotenzialbestimmung (Ertragsabschätzung Projektfinanzierung) Standortbedingungen (Design-Basis) Bewertung Anlagenverhalten (Leistungskurven) Anlagenregelung Windleistungsvorhersage Benötigte Daten unterscheiden sich u.a. in Länge des Datensatzes, räumliche / zeitliche Auflösung, Verfügbarkeit, Kosten (vs. Genauigkeit), Bankability, 02.02.2015 9

Einführung Offshore-Winddaten welche Datenquellen gibt es? Satelliten-Messungen Mesoskalen-Modellierung Offshore-Messmasten LiDAR* auf festen (bestehenden) Plattformen LiDAR* auf schwimmenden Plattformen (floating LiDAR) 02.02.2015 10

*LiDAR (Light Detection And Ranging) 02.02.2015 11

Floating-LiDAR-Anwendungen für die Windindustrie Floating LiDAR definiert als schwimmende Plattform (hier: Boje), ausgerüstet mit einem LiDAR-Messgerät. LiDAR-Technologie onshore Zunehmende Akzeptanz in Industrie für verschiedenste Anwendungsbereiche mit existierenden Richtlinien wie z.b. IEA Wind RP 15, DNV-RP-J101, MEASNET, IEC 61400-12-1 Ed. 2 CD (Annex L). LiDAR-Technologie offshore Auf bestehenden Plattformen vgl. NORSEWiND-Projekt Floating-LiDAR-Technologie Geringere Kosten (CAPEX und OPEX) im Vgl. zu Messmast; weniger Aufwand mit Genehmigungen; geringere Auswirkungen auf die Umwelt; flexibler Einsatz an einem bzw. zwischen verschiedenen Standort(en). 02.02.2015 13

Herausforderungen für Floating-LiDAR-Technologie [1] Offshore-Umgebung... Rauhigkeit der Offshore-Umgebung setzt Anforderungen an verschiedene Systemkomponenten. Unbeständigkeit der Umgebung erfordert Anpassbarkeit an verschiedene Wassertiefen, Wellen- und Strömungsbedingungen, etc. Begrenzte(r) Zugang und Möglichkeiten für O&M beeinträchtigen die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit des Systems. Stromversorgung ist kritisch und erfordert ausgereifte Konzepte. 02.02.2015 14

Herausforderungen für Floating-LiDAR-Technologie [2]... bzgl. Qualität der Messdaten... Plattform-typische Bewegungen sorgen für systematische Abweichungen in den LiDAR-Messdaten bis zu sechs Freiheitsgrade sind dabei zu berücksichtigen*: (*abhängig von Plattform-Konzept, LiDAR-Messprinzip und den vorherrschenden Bedingungen) b. Yaw Messung der Windrichtung Heave c. Heave Messhöhe, vertikale Windkomponente a. Horizontale Verkippungen** (i.e. Roll / Pitch) Projektion des Windvektors (und Messhöhe) Surge Sway d. Horizontale Translationen (i.e. Surge / Sway, tangentiale Bewegung) zusätzliche Geschwindigkeitskomponente ** unterschieden wird zudem zwischen statischer Verkippung (auf Grund von Tide bzw. gleichbleibender Strömung) und periodischer Verkippung 02.02.2015 15

Verschiedene Realisierungen (Marktübersicht) [1] SeaZephIR (erste Tests 2009): Bewegungs-eingeschränkte Spierentonne mit Tension-Leg-Plattform and Gravity-Base- Fundament WindSentinel TM (2009): AXYS NOMAD Bojen-Design, Vindicator LiDAR- Technologie (simultane Laserpulse in drei Richtungen) 02.02.2015 16 Copyright for pictures by respective manufacturer.

Verschiedene Realisierungen (Marktübersicht) [2] 3E FLiDAR (2011): Boje nach Industrie-Standard mit mechanischer Stabilisierung; Windcube v2 LiDAR-Technologie SEAWATCH Wind Lidar Buoy (2012): Wavescan-Boje FUGRO OCEANOR, ZephIR cw LiDAR-Technologie 02.02.2015 17 Copyright for pictures by respective manufacturer.

Verschiedene Realisierungen (Marktübersicht) [3] Babcock (2013): ZephIR cw LiDAR-Technologie FLiDAR-Update (2013/4) Fraunhofer IWES Wind-LiDAR-Boje (2013): Leuchtfeuertonne LT81, Windcube LiDAR- Technologie 02.02.2015 18 Copyright for pictures by respective manufacturer.

Verschiedene Realisierungen (Marktübersicht) Hauptsächlich zwei Grundformen... Standard-Hochsee-Bojen ( Free Floating LiDAR ) Spierentonnen / -bojen ( Motion-Restricted Floating LiDAR ) Methoden der Bewegungskompensation... aktive mechanische Kompensation / Dämpfung o.ä. zur Begrenzung der Bewegungen Software-Kompensation / Korrektur-Algorithmus zur Entfernung der Bewegungseinflüsse von den Messdaten Verschiedene LiDAR-Technologien... Windcube v2 gepulstes LiDAR Vindicator (simultan) gepulstes LiDAR ZephIR cw LiDAR 02.02.2015 19 Copyright for pictures by respective manufacturer.

IWES, Photograph: Caspar Sessler Fraunhofer IWES Wind-LiDAR-Boje Entwickelt im Rahmen des FuE-Projekts Offshore Messboje (gefördert vom BMU, 2011-13), Prototyp fertig gestellt Mitte 2013 Windcube v2 Lidar integriert in angepasster LT81-Boje ( Leuchtfeuertonne ) Maße: 7,2 m Höhe, 2,55 m Durchmesser, 4,7 t Gewicht Gekapseltes (hermetische abgeschlossenes) LiDAR in spezialangefertigtem Gehäuse Autonome Stromversorgung basierend auf drei Klein-WEA, PV-Panels, AGM-Batterien zur Energiespeicherung Software-Bewegungskorrektur als Teil der Daten- Nachbereitung, entwickelt am Fraunhofer IWES (Bewegungsdaten von Inertialmesseinheit und Satellitenkompass) 02.02.2015 20

IWES, Photograph: Caspar Sessler Fraunhofer IWES Wind-LiDAR-Boje Entwickelt im Rahmen des FuE-Projekts Offshore Messboje (gefördert vom BMU, 2011-13), Prototyp fertig gestellt Mitte 2013 Windcube v2 Lidar integriert in angepasster LT81-Boje ( Leuchtfeuertonne ) Maße: 7,2 m Höhe, 2,55 m Durchmesser, 4,7 t Gewicht Gekapseltes (hermetische abgeschlossenes) LiDAR in spezialangefertigtem Gehäuse Autonome Stromversorgung basierend auf drei Klein-WEA, PV-Panels, AGM-Batterien zur Energiespeicherung Software-Bewegungskorrektur als Teil der Daten- Nachbereitung, entwickelt am Fraunhofer IWES (Bewegungsdaten von Inertialmesseinheit und Satellitenkompass) 02.02.2015 21

Testen von Floating-LiDAR-Systemen Industry Accepted Verification Scheme Fixed Pre-Deployment Lidar Tests System Tests (Platform + Lidar) Floating Test [Tony Rogers et al.: Path toward Bankability of Floating Lidar Data; EWEA Offshore 2013, Frankfurt.] 02.02.2015 23

Testen von Floating-LiDAR-Systemen Industry Accepted Verification Scheme Fixed Pre-Deployment Lidar Tests System Tests (Platform + Lidar) Floating Test diverse Optionen z.b.: Modellierung / Simulation von Bewegungsbeeinflussten LiDAR-Messungen, Test des (entwickelten) Korrektur-Algorithmus Onshore-Bewegungstests / Simulation von typischen Bewegungen mit Bewegungs-Plattform, Test des (implementierten) Korrektur-Algorithmus Plattform-Klassifizierung / Abschätzung der Plattform-Bewegungen für typischen Seegang Werksabnahme o.ä. zur Überprüfung der System- Integration bzw. des Betriebs der verschiedenen Sensoren 02.02.2015 24

Testen von Floating-LiDAR-Systemen Onshore-Bewegungstests / Simulation von typischen Bewegungen mit Bewegungs-Plattform: (6 DoF)-Bewegungs-Plattform Unversität Agder, Norwegen Lidar-Motion-Test (Grimstad 2011) mit 55 verschiedenen Bewegungsmustern [J. Reuder, presentation at NORCOWE days 2012 u.a.] (2 DoF)-Bewegungs-Plattform Fraunhofer IWES Messkampagne Tauche (2011) [results presented at EWEA 2012, Copenhagen] 02.02.2015 25

Testen von Floating-LiDAR-Systemen Industry Accepted Verification Scheme Fixed Pre-Deployment Lidar Tests System Tests (Platform + Lidar) Floating Test Offshore-Validierung Zur vollständigen Erfassung der (mit dem Seegang gekoppelten) atmosphärischen Bedingungen sind Offshore-Tests notwendig. Genauigkeit der Referenz ist dabei wesentlich vgl. Voraussetzungen für Verifikation. Messungen über großen Höhenbereich sind notwendig, um Erfassung von Windscherung beurteilen zu können. Sämtliche mit den Tests verbundenen Unsicherheiten müssen detailliert erfasst und dokumentiert werden. 02.02.2015 26

Testen von Floating-LiDAR-Systemen Offshore-Validierung einige Beispiele: WindSentinel (AXYS) Race Rocks Trial (2009) Floating-LiDAR-System ca. 700 m von Küste entfernt, Vergleich mit Onshore-System (zweites Vindicator-LiDAR-Gerät) Courtesy ECN Wind Sentinel vs. Vindicator Race Rocks 02.02.2015 27

Testen von Floating-LiDAR-Systemen Offshore-Validierung einige Beispiele: WindSentinel (AXYS) Race Rocks Trial (2009) Vgl. auch Tests FLIDAR (3E) Nordsee, Belgien (2011) Courtesy DTU Flidar vs. Windcube Belgium 02.02.2015 28

Fraunhofer IWES Wind-LiDAR-Boje Offshore-Test (FINO1) IWES, Photograph: Caspar Sessler Offshore-Test vom 02.08. 06.10.2013 (zur Überprüfung des Funktionstüchtigkeit und Messgenauigkeit des Systems) in 450 m Entfernung zum FINO1-Messmast (Deutsche Bucht / Nordsee, 45 km offshore) Repräsentative Offshore-Bedingungen: 30 m Wassertiefe, mittlere Windrichtung SW, 9,9 m/s Windgeschwindigkeit in 100 m Höhe (Jahresmittel), Strömung durch Tiden beeinflusst Floating-Lidar-System installiert zusammen mit bodenbasiertem AWAC- System zur gleichzeitigen Erfassung der Seegangsparameter (ab Ende August) Testverfahren (Verifikationstest / Bewertung der Messgenauigkeit): Vergleich der Winddaten (Horizontalkomponente der Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Turbulenzintensität 10-min-Mittelwerte) gemessen vom Floating Lidar mit den Daten der Referenzsensoren am Messmast (Schalensternanemometer, Windfahnen) 02.02.2015 29

Fraunhofer IWES Wind-LiDAR-Boje Offshore-Test (FINO1) IWES, Photograph: Caspar Sessler Offshore-Test vom 02.08. 06.10.2013 (zur Überprüfung des Funktionstüchtigkeit und Messgenauigkeit des Systems) in 450 m Entfernung zum FINO1-Messmast (Deutsche Bucht / Nordsee, 45 km offshore) Repräsentative Offshore-Bedingungen: 30 m Wassertiefe, mittlere Windrichtung SW, 9,9 m/s Windgeschwindigkeit in 100 m Höhe (Jahresmittel), Strömung durch Tiden beeinflusst Floating-Lidar-System installiert zusammen mit bodenbasiertem AWAC- System zur gleichzeitigen Erfassung der Seegangsparameter (ab Ende August) Testverfahren (Verifikationstest / Bewertung der Messgenauigkeit): Vergleich der Winddaten (Horizontalkomponente der Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Turbulenzintensität 10-min-Mittelwerte) gemessen vom Floating Lidar mit den Daten der Referenzsensoren am Messmast (Schalensternanemometer, Windfahnen) 02.02.2015 30

dir (vane) [ ] wsp (cup) [m/s] Offshore-Test (FINO1) Referenzbedingungen Mittlere (horizontale) Windgeschwindigkeit und Windrichtung (10-min-Mittelwerte) 20 100 m 80 m 60 m 40 m 15 10 5 0 25/07 04/08 14/08 24/08 03/09 13/09 23/09 03/10 13/10 date [2013] 90 m 70 m 50 m 33 m 300 200 100 0 25/07 04/08 14/08 24/08 03/09 13/09 23/09 03/10 13/10 date [2013] 02.02.2015 31

wave period (s) wave height (m) Offshore-Test (FINO1) Referenzbedingungen Wellenhöhe (H m0, H 10, H max ) Wellenperiode (T m02, T p, T z ) 6 5 4 Plot of wave height Hm0 H10 Hmax Strömungsrichtung und -geschwindigkeit 3 2 1 0 24-Aug, 00:00 29-Aug, 00:00 03-Sep, 00:00 08-Sep, 00:00 13-Sep, 00:00 18-Sep, 00:00 23-Sep, 00:00 28-Sep, 00:00 03-Oct, 00:00 08-Oct, 00:00 date 14 12 Plot of wave period Tm02 Tp Tz 10 8 6 4 2 0 24-Aug, 00:00 29-Aug, 00:00 03-Sep, 00:00 08-Sep, 00:00 13-Sep, 00:00 18-Sep, 00:00 23-Sep, 00:00 28-Sep, 00:00 03-Oct, 00:00 08-Oct, 00:00 date 02.02.2015 32

Offshore-Test (FINO1) Ergebnisse Übermittelte Statusdaten (Spannungen der Batteriebänke zu den Mikro-WEA) im Verhältnis zu den Referenz-Windbedingungen 02.02.2015 33

Offshore-Test (FINO1) Ergebnisse Korrelation zwischen mittlerer Windgeschwindigkeit (Horizontalkomponente, 10-min- Mittelwert) gemessen vom Floating Lidar und dem Referenz- Schalensternanemometer auf 100 m Messhöhe Filterkriterien: Gültiger Windrichtungssektor des Messmasts (keine Abschattungseffekte durch Mast oder benachbartem Windpark), Referenz- Windgeschwindigkeiten über 2 m/s, 100%-Lidar-Verfügbarkeit; keine Korrektur. 02.02.2015 34

Offshore-Test (FINO1) Ergebnisse (a) (b) Abweichung in gemessener (über 10 min gemittelter) Windgeschwindigkeit von Floating- LiDAR und Schalensternanemometer in Verhältnis zu (a) Referenz-Windgeschwindigkeit (b) Signifikante Wellenhöhe (30-min-Mittelwerte) 02.02.2015 35

Offshore-Test (FINO1) Ergebnisse (b) (c) (c) Abweichung in gemessenen Turbulenzintensitäts(TI)-Werten in Abhängigkeit von signifikanter Wellenhöhe 02.02.2015 36

Offshore-Test (FINO1) Ergebnisse (c) (d) (d) Abweichung in gemessenen (über 10 min gemittelten) Windrichtungen in Abhängigkeit zu der Strömungsrichtung 02.02.2015 37

lidar wind speed [m/s] Offshore-Test (FINO1) Ergebnisse (mit Bewegungskorrektur) 20 18 16 14 12 10 8 6 no correction full correction Ergebnisse für mittlere Windgeschwindigkeit weitere Verbesserung durch Anwendung der Bewegungskorrektur (für eingeschränkten Datensatz). 4 2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 reference wind speed [m/s] #data m [-] C [m/s] R 2 k [-] R 2 no correction 375 1.004 0.054 0.997 1.009 0.997 full correction 375 1.017-0.088 0.998 1.008 0.998 Ergebnisse der linearen Regression (y = mx + C, y = kx) 02.02.2015 38

lidar wind direction [ ] Offshore-Test (FINO1) Ergebnisse (mit Bewegungskorrektur) 350 300 250 200 150 no correction full correction Ergebnisse für mittlere Windrichtung Einfluss der Tidenströmung wird weitestgehend kompensiert. 100 50 0 280 290 300 310 320 330 340 350 reference wind direction [ ] 02.02.2015 39

lidar TI [-] Offshore-Test (FINO1) Ergebnisse (mit Bewegungskorrektur) 0.35 0.3 0.25 0.2 Ergebnisse für Turbulenzintensität Korrektur führt zu niedrigeren TI- Werten und besserer Korrelation mit Daten vom Messmast. 0.15 0.1 0.05 no correction full correction 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 reference TI [-] #data m [-] C [m/s] R 2 k [-] R 2 no correction 375 (linear regression not applicable) method c3h 375 0.651 0.042 0.582 1.049 0.332 02.02.2015 40

Standardisierung von Floating-LiDAR-(Offshore-)Tests Carbon Trust Offshore Wind Accelerator roadmap for the commercial acceptance of floating LIDAR technology, CTC819 Version 1.0, 21 November 2013 IEA Wind Task 32: Lidar / WP 1.5 (Floating Lidar) Recommended Practices (1st draft in preparation, expected mid 2015) 02.02.2015 41

Einführung Offshore-Winddaten wofür werden Offshore-Winddaten benötigt? wofür bietet sich der Einsatz von Floating-LiDAR-Systemen an? Windpotenzialbestimmung (Ertragsabschätzung Projektfinanzierung) Standortbedingungen (Design-Basis) Bewertung Anlagenverhalten (Leistungskurven) Anlagenregelung Windleistungsvorhersage Benötigte Daten unterscheiden sich u.a. in Länge des Datensatzes, räumliche / zeitliche Auflösung, Verfügbarkeit, Kosten (vs. Genauigkeit), Bankability, 02.02.2015 43

Überblick Kurzvorstellung Fraunhofer IWES Nordwest Einführung Offshore-Winddaten Floating-LiDAR-Technologie Fraunhofer IWES Wind-LiDAR-Boje (On- und) Offshore-Tests Anwendungen Zusammenfassung [ ] 02.02.2015 44

Danksagung Das Fraunhofer IWES wird gefördert durch: Land Bremen Senator für Umwelt, Bau, Verkehr und Europa Senator für Wirtschaft und Häfen Senatorin für Bildung und Wissenschaft Bremerhavener Gesellschaft für Investitions-Förderung und Stadtentwicklung GmbH Land Niedersachsen und BMWI Bundesministerium für Wirtschaft und Energie mit Unterstützung durch: Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) Niedersachsen EUROPÄISCHE UNION: Investition in ihre Zukunft Europäischer Fonds für regionale Entwicklung 02.02.2015 45

Allgemeines schönes WEA Bild VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT julia.gottschall@iwes.fraunhofer.de 02.02.2015 46