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F. Koch, I. Athamna| Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks | 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 | 2
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
Inhalt
F. Koch, I. Athamna| Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks | 3
Offshore-Windkraftwerke in Betrieb
Offshore-Windkraftwerke in Errichtung
Thornton Bank 1
Rhyl Flats
North Hoyle
Offshore-Windkraftwerke in Entwicklung
Gwynt y Môr
Galloper
Triton Knoll
Greater Gabbard
Tromp Binnen
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
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 1.200 MW 1.200 MW
Atlantic Array GB Entwicklung 1.500 MW 1.500 MW
Dogger Bank GB Entwicklung 9.000 MW 2.250 MW
Gesamt 15.341 MW 7.621 MW
Nordsee Ost
Atlantic Array
Dogger Bank
Thornton Bank 2,3
RWE Innogy Projekt-Pipeline in Wind Energy Offshore > 7.600 MW
Innogy Nordsee 1
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Parkleistung bis zu einigen 100 MW
Errichtung auf festem Untergrund
Relativ unproblematischer Zugang – Erreichbarkeit durch Kfz
Parkleistung bis zu einigen 1000 MW
Wassertiefe und Meeresboden variieren
Zugang wesentlich aufwendiger aufgrund großer Distanzen
Hauptsächlichen Unterschiede zwischen Wind Offshore und Onshore
Hohe Investitionskosten
Komplexe Installation
Hohe Betriebs-/ Instandhaltungskosten
Hohe Anforderungen an
die Zuverlässigkeit und deren Ermittlung
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Installationsschiff Victoria Mathias
F. Koch, I. Athamna| Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks | 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.
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Beispiel:
Planungsvarianten:
Stichleitungen
Offen betrieben Halbringe
Geschlossene Ringe
A
B
C
D
E
F
F. Koch, I. Athamna| Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks | 8
Beispiel: Erste Ergebnisse
F. Koch, I. Athamna| Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks | 9
Beispiel: Erste Ergebnisse
Stich offen geschlossen
F. Koch, I. Athamna| Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks | 10
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
Verbesserungsbedarf der Zuverlässigkeitsprogramme
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Zuverlässigkeitsmodell der Windenergieanlage
Ausfall Betrieb
Teilleistungs-
betrieb
Instandhaltung
(1-D0)
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Einflüsse von Wind und Welle auf die Zuverlässigkeitsberechnung
Beeinflussung der Einspeiseleistung
F. Koch, I. Athamna| Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks | 13
0
5
10
15
20
25
30
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec
An
zah
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er
We
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rfe
ns
ter
Wetterfenster für Wellenhöhen bis 1.5m
6 std Wetterfenster 8 std Wetterfenster 10 std Wetterfenster 12 std Wetterfenster
Einflüsse von Wind und Welle auf die Zuverlässigkeitsberechnung
Beeinflussung der Zugänglichkeit
F. Koch, I. Athamna| Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks | 14
Einflüsse von Wind und Welle auf die Zuverlässigkeitsberechnung
Nach A. Sannino
0
500
1000
1500
2000
2500
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
MTTR/h
Monat
0
50
100
150
200
250
300
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
MTTR/h
Monat
Sommer/Winter
gesamtes Jahr
Windenergieanlage Kabel
Reparaturdauer in Abhängigkeit von der Jahreszeit
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Einflüsse von Wind und Welle auf die Zuverlässigkeitsberechnung
Die Nichtverfügbarkeit (Ausfall & Instandhaltung) kann zwischen Sommer und Winter stark variieren.
Im Sommer:
geringere Wellenhöhe höhere Zugänglichkeit
Im Winter:
größere Wellenhöhe niedrigere Zugänglichkeit
Unterschiedliche Wartungskonzepte (Schiff, Hubschrauber)
Die Berechnungen der Zuverlässigkeitskenngrößen erfolgen getrennt für Sommer- und Wintermonate.
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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
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Ausfall eines Kabelabschnitts
WKA2
WKA1
WKA3
WKA5
WKA4
WKA6
WKA11
WKA 12
WKA10
WKA8
WKA9
WKA7
Umspannwerk
100% 100% 100% 85% 85% 85%
100% 100% 100% 100% 100% 85%
800mm²
800mm²
630mm² 630mm²
630mm² 630mm² 240mm² 240mm²
240mm² 240mm²
240mm²
240mm²
240mm²
Maximale Eispeiseleistung der Windenergieanlagen 6 bis 9 21MVA/4= 5,25 MVA
4 von 12 WEA müssen geregelt werden!
F. Koch, I. Athamna| Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks | 18
Ausfall eines Kabelabschnitts
WKA2
WKA1
WKA3
WKA5
WKA4
WKA6
WKA11
WKA 12
WKA10
WKA8
WKA9
WKA7
Umspannwerk
100% 100% 100% 56% 56% 56%
100% 100% 100% 56% 56% 56%
800mm²
800mm²
630mm² 630mm²
630mm² 630mm² 240mm² 240mm²
240mm² 240mm² 240mm²
240mm²
240mm²
Maximale Eispeiseleistung der Windenergieanlagen 4 bis 9 21MVA/6 = 3,5 MVA
6 von 12 WEA müssen geregelt werden!
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Ausfall eines Kabelabschnitts
Umspannwerk
100% 100% 100% 37% 37% 37%
37% 37% 37% 37% 37% 37%
800mm²
800mm²
630mm² 630mm²
630mm² 630mm² 240mm² 240mm²
240mm² 240mm² 240mm²
240mm²
240mm²
Maximale Eispeiseleistung der Windenergieanlagen 1 bis 9 21MVA/9 = 2,33 MVA
WKA2
WKA1
WKA3
WKA5
WKA4
WKA6
WKA11
WKA 12
WKA10
WKA8
WKA9
WKA7
9 von 12 WEA müssen geregelt werden!
F. Koch, I. Athamna| Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks | 20
Ausfall einer Sammelschiene
WKA2
WKA1
WKA3
WKA5
WKA4
WKA6
WKA11
WKA 12
WKA10
WKA8
WKA9
WKA7
Umspannwerk
100% 100% 100% 68% 68% 68%
100% 100% 100% 0% 68% 68%
800mm²
800mm²
630mm² 630mm²
630mm² 630mm² 240mm² 240mm²
240mm² 240mm² 240mm²
240mm²
240mm²
Maximale Eispeiseleistung der Windenergieanlagen 5 bis 9 21MVA/5= 4,2 MVA
5 von 12 WEA müssen geregelt werden!
F. Koch, I. Athamna| Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks | 21
Ausfall einer Sammelschiene
WKA2
WKA1
WKA3
WKA5
WKA4
WKA6
WKA11
WKA 12
WKA10
WKA8
WKA9
WKA7
Umspannwerk
100% 100% 100% 48% 48% 48%
100% 0% 48% 48% 48% 48%
800mm²
800mm²
630mm² 630mm²
630mm² 630mm² 240mm² 240mm²
240mm² 240mm² 240mm²
240mm²
240mm²
Maximale Eispeiseleistung der Windenergieanlagen 3 bis 9 21MVA/7 = 3 MVA
7 von 12 WEA müssen geregelt werden!
F. Koch, I. Athamna| Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks | 22
Ausfall einer Sammelschiene
WKA1
Umspannwerk
100% 100% 100% 42% 42% 42%
0% 42% 42% 42% 42% 42%
800mm²
800mm²
630mm² 630mm²
630mm² 630mm² 240mm² 240mm²
240mm² 240mm² 240mm²
240mm²
240mm²
Maximale Eispeiseleistung der Windenergieanlagen 2 bis 9 21MVA/8 = 2,625 MVA
WKA2
WKA3
WKA5
WKA4
WKA6
WKA11
WKA 12
WKA10
WKA8
WKA9
WKA7
8 von 12 WEA müssen geregelt werden!
F. Koch, I. Athamna| Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks | 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 | 24
Einspeisungsregelung der Windenergieanlagen im Fehlerfall
Manuelle Einspeiseregelung (Vorgabe fester Regelstufen)
ist windparkspezifisch zu ermitteln
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
10 1010 2010 3000 4000 5000 6000 7000 8000
85%
68%
60%
56%
48%
42%
37%
PWEA in p.u.
Dauer in h
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Erweiterung des Zuverlässigkeitsprogramms mit: Modell der Offshore-Windenergieanlage
Zuverlässigkeitskenngrößen für Einspeisungen mittels WEA
Wettermodell
Regelungsverhalten von Offshore-Windparks
Projektspezifische Simulationen zur Planung und Dimensionierung von Offshore-Windparks
Monetäre Bewertung von Planungsvarianten (entgangene Einspeisevergütung)
etc.
Weiteres Vorgehen und Ausblick
F. Koch, I. Athamna| Zuverlässigkeitsanalyse von Offshore-Windparks | 26
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!