Simulation Optimaler Betrieb von Windenergieanlagen dank digitalem Zwilling

An der Universität Bremen ist das Forschungsprojekt Konzept und Aufbau eines cyberphysischen Systems zur ganzheitlichen Entwicklung von Windenergieanlagen angelaufen, in dessen Rahmen ein digitaler Zwilling zum Einsatz kommt.

Das Forschungsprojekt, das von der bremischen Koordinierungsstelle ForWind – Zentrum für Windenergieforschung initiiert und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie mit 2,1 Millionen Euro gefördert wird, hat zum Ziel, einen ökologisch und ökonomisch optimalen Betrieb von Windenergieanlagen mithilfe eines digitalen Zwillings zu ermöglichen. Dadurch könnten Kosten der Energieerzeugung erheblich gesenkt und Ressourcen geschont werden.

Neben den ForWind-Mitgliedern arbeiten auch das Institut für integrierte Produktentwicklung und das Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente daran, eine Forschungs- und Windenergieanlage zu einem cyberphysischen System (CPS) umzuwandeln. Von einem CPS spricht man, wenn alle mechanischen und elektrischen Komponenten über ein Kommunikationsnetz mit einem informationsverarbeitenden System verbunden sind. Der digitale Zwilling stellt eine mögliche Anwendungsform eines CPS dar.

Umsetzung des digitalen Zwillings

Im Zuge des Forschungsprojekts wird ein digitaler Zwilling der Forschungswindenergieanlage vom Typ Krogmann 15-50 des IALB in Bremerhaven sowie der Forschungswindenergieanlage der Universität Bremen, eine vom Projektpartner Deutsche WindGuard betriebene 3,4-Megawatt-Windenergieanlage, erstellt.

Damit die realen Zustände in Echtzeit abgebildet werden können, ist die dauerhafte Aufzeichnung von Betriebsdaten, die anschließend in den digitalen Zwilling eingespeist werden, unabdingbar. Durch die Verknüpfung mit Wetter- und Lastprognosen kann beispielsweise das Betriebsverhalten und die Lebensdauer einer Windenergieanlage vorhergesagt und folglich der reale Betrieb besser eingeschätzt werden.

Die Software-Architektur wurde im ersten Schritt lediglich auf Basis der Krogmann-WEA entwickelt, soll jedoch parallel auch für einen digitalen Zwilling der zweiten Forschungswindenergieanlage verwendet werden. Dadurch können Erkenntnisse zur industriellen Übertragbarkeit der Methodik auf größere Anlagen gesammelt und Aussagen über die Breitenwirksamkeit der Methodik getroffen werden. Dem Leiter der Koordinierungsstelle ForWind an der Universität Bremen Dr.-Ing. Christian Zorn zufolge wolle man mit dem WindIO-Zwilling eine Datenbasis etablieren, die den Austausch anlagenspezifischer Informationen für verschiedene Nutzergruppen ermöglicht.

Wunsch nach verbesserten Betriebsstrategien

Dieser neue Ansatz soll die Durchführung von Tests vereinfachen und präzisere Prognosen für die Fertigung und Logistik, den WEA-Betrieb und die finale Wiederverwertung von Windenergieanlagen ermöglichen. Die Forschenden erhoffen sich dabei, dass letztendlich Materialien geschont, die Wartung unterstützt, der Aufwand verringert und die Windausbeute gesteigert werden. Bisher werde der digitale Zwilling in der Windenergietechnik aufgrund eines restriktiven Informationsmanagements in der Windindustrie nicht flächendeckend eingesetzt, wodurch sich die Entwicklung übergeordneter Betriebs- und Optimierungsstrategien verzögern und Potenziale der Digitalisierung nicht ausgeschöpft werden, sagt Dr. Christian Zorn.

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