Projekt zum optimierten Betrieb von Windenergieanlagen an Bremer Uni

Digitale Bremer Zwillinge machen Beute

Im Dienst der Forschung: Die 3,4-Megawatt-Windenergieanlage im Industriepark Bremen kann rund 3 000 Haushalte versorgen. Die Nabenhöhe beträgt 128  Meter und der Rotordurchmesser 104 Meter.
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Im Dienst der Forschung: Die 3,4-Megawatt-Windenergieanlage im Industriepark Bremen kann rund 3 000 Haushalte versorgen. Die Nabenhöhe beträgt 128  Meter und der Rotordurchmesser 104 Meter.

Bremen – Die Digitalisierung bietet technische Möglichkeiten, Windenergieanlagen umweltschonender und wirtschaftlicher zu betreiben. Da sind sich Bremer Windenergieforscher sicher. Am Zentrum für Windenergieforschung der Universität Bremen ist jetzt ein Projekt gestartet, das mithilfe eines „digitalen Zwillings“ den ökologisch und ökonomisch optimalen Betrieb von Windenergieanlagen ermöglichen soll. Ziele sind es, Material zu schonen, die Wartung zu unterstützen, den Aufwand zu verringern und die Windausbeute zu steigern. „Der Kreativität sind fast keine Grenzen gesetzt“, sagt Dr. Christian Zorn, Leiter der Koordinierungsstelle „Forwind“ an der Universität Bremen.

„Konzept und Aufbau eines cyberphysischen Systems zur ganzheitlichen Entwicklung von Windenergieanlagen“ („WindIO“) lautet der Titel des dreijährigen Forschungsprojektes, in dem zwei Institute der Bremer Uni und zugleich Mitglieder von „Forwind“, dem Zentrum für Windenergieforschung der Universitäten Oldenburg, Hannover und Bremen, die Fäden ziehen – das Institut für integrierte Produktentwicklung (BIK) und das Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente (IALB).

Digitale Zwillinge machen Beute:
3,1 Millionen Euro Projektvolumen

Das Projekt hat ein Volumen von 3,1 Millionen Euro und wird im Programm „Innovationen für die Energiewende“ vom Bundeswirtschaftsministerium mit knapp 2,1 Millionen Euro gefördert. Beteiligt sind zudem acht Unternehmen. Das sind „Contact Software“ (Bremen), „Pumacy Technologies“ (Berlin), „Fibretech Composites“ (Bremen), „Deutsche Windguard“ (Varel) und „SWMS Consulting“ (Oldenburg), „Windrad Engineering“ (Bad Doberan), „Energy & Meteo Systems“ (Oldenburg) und „Deutsche Windtechnik Service“ (Ostenfeld bei Husum).

Ein „digitaler Zwilling“ wiederum ist das virtuelle Abbild eines real existierenden, also physischen Systems, der Windenergieanlage eben. Das Projekt „WindIO“ nutzt zwei Forschungswindräder in Bremerhaven und Bremen – die Anlage „Krogmann 15-50“ des IALB in Bremerhaven sowie die von der Deutschen Windguard (Varel) betriebene 3,4-Megawatt-Anlage der Uni im Industriepark.

Digitale Zwillinge machen Beute:
Verlinkte Informationen

„Um die realen Zustände in Echtzeit digital abbilden zu können, müssen permanent Betriebsdaten aufgezeichnet und in den Zwilling eingespeist werden“, sagt eine Uni-Sprecherin. Dafür seien zahlreiche Sensordaten erforderlich. Sind die mechanischen und elektrischen Komponenten über ein Kommunikationsnetz mit einem informationsverarbeitenden System verbunden, bezeichnet man die Anlage als ein cyberphysisches System (CPS).

So weit, so gut. Zorn sagt auf Nachfrage: „Der ,digitale Zwilling’ verlinkt ganz viele unterschiedliche Informationen wie Zeitreihendaten, Design- sowie Stammdaten und setzt sie in einen einheitlichen Kontext.“ Die Infos werden dann „strukturiert abgespeichert und je nach Anwendungsszenario individuell weiterverarbeitet“. So könnten laut Zorn Simulationsmodellen zur Ertragsmaximierung als zusätzliche Berechnungsgrundlage dienen.

Digitale Zwillinge machen Beute:
Grenzenlose Kreativität

Echte Energie erzeugen kann ein „digitaler Zwilling“ natürlich nicht. Aber: „Ein solches System kann viel mehr als nur die maximale Ausbeute garantieren“, sagt Zorn. So ließen sich verschiedene Instanzen des Zwillings, die sich jeweils lediglich hinsichtlich des Rotorblattdesigns oder der Regelparameter unterscheiden, mit den Umgebungsbedingungen des Standorts verknüpft simulieren. Und andersherum ließen sich auch mehrere identische Instanzen des Zwillings mit verschiedenen Standortbedingungen verkuppeln. Fast alles ist denkbar. Und wohl auch umsetzbar. So erlaubt die Verknüpfung mit Wetter- und Lastprognosen zum Beispiel eine Vorhersage des Betriebsverhaltens und der Lebensdauer einer Windenergieanlage.

Das „WindIO“-Projekt will die auf Basis der Krogmann-Anlage entwickelte Software-Architektur parallel für einen „digitalen Zwilling“ der größeren Anlage im Industriepark einsetzen. So sollen Erkenntnisse zur industriellen Übertragbarkeit der Methodik auf größere Anlagen gesammelt und Aussagen über die Breitenwirksamkeit der Methodik getroffen werden.

Digitale Zwillinge machen Beute:
„Daten sind Rohstoff der Forschung“

„Bisher werden digitale Zwillinge in der Windenergietechnik nicht flächendeckend eingesetzt“, sagt Zorn. Und macht dafür „ein zumeist restriktives Informationsmanagement in der Windindustrie“ verantwortlich. Das heiß also: Jeder mauschelt vor sich hin? „Ich habe überhaupt noch keine Technologiebranche kennengelernt, in der Hersteller bereitwillig Datensätze ihrer Kerntechnologie offenlegen. Genau das ist ihr Kapital“, sagt Zorn. Aber ohne Innovationssprünge seien die Klimaziele nicht zu erreichen. „Die Digitalisierung ermöglicht ja gerade das automatisierte Analysieren von Informationen, allerdings gibt es nur wenig zu analysieren, wenn nur spärliche Informationen zur Verfügung stehen“, sagt der Doktor der Ingenieurwissenschaften. „Daten sind der Rohstoff der Forschung.“

Von Jörg Esser

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