BBB UMWELTTECHNIK GMBH PART OF RAMBOLL EISVERLUSTE: PROGNOSEN ZUM ERTRAGSVERLUST, TECHNOLOGIEN ZUR ENTEISUNG UND MÖGLICHE VERLUSTVERMEIDUNG AGENDA 01 Eisverhältnisse in Europa 02 Technische Verluste infolge Vereisung 03 Reduzierung von Eisverlusten 04 Empfehlungen 2 1. EISVERHÄLTNISSE IN EUROPA Quelle: Wind Energy in Cold Climate (Tammelin et al., 1998) 1. EISVERHÄLTNISSE IN EUROPA Basis: 248 DWD-Wetterstationen 350 Quelle DWD: Periode 1981 - 2010 Frosttage; Tage mit Tagesminimum der Temperatur < 0 °C 300 250 Anzahl Frosttage y = 0,0729x + 62,546 R² = 0,8038 200 150 100 50 0 0 500 1000 1500 2000 Höhe über NN in m 2500 3000 3500 EISVERHÄLTNISSE IN EUROPA Basis: 248 DWD-Wetterstationen Basis: 1650 WEA davon 1050 WEA mit Vereisung Quelle: G. Ronsten, T. Wallenius, M. Hulkkonen, I. BaringGould, R. Cattin, M. Durstewitz, A. Krenn, T. Laakso, A. Lacroix, L. Tallhaug, O. Byrkjedal, and E. Peltola, State-of-the-Art of Wind Energy in Cold Climates, vol. 19. iea wind, 2012. + 150 m Nabenhöhe Im Mittel 30 Eistage an den DWD-Stationen An WEA Standorten vermutlich deutlich mehr 1. EISVERHÄLTNISSE IN EUROPA Die Anzahl der Tage mit potenzieller Vereisung und Leistungseinbuße korreliert sehr gut mit der Höhe über NN und der mittleren Standorttemperatur. Mit höher gelegenen Standorten steigen die potenziellen Ertragsverluste. Basis: 250 DWD-Wetterstationen 2. TECHNISCHE VERLUSTE INFOLGE VEREISUNG gemäß TR6 (Kap. 2.6.2) 1. Leistungsdegradation durch Vereisung: Aerodynamische Veränderung des Blattprofils durch Eisansatz 2. Vereisungsbedingte Abschaltung: Stillstand nach kritischer Eiserkennung bis zum Wiederanfahren der WEA 3. Temperaturbedingte Abschaltung oder Leistungsreduktion: In der Regel Abschaltung bei T < -15°C Abschattungseffekt Interner Abschattungseffekt Externer Abschattungseffekt Zukünftiger Abschattungseffekt Verfügbarkeit Verfügbarkeit der WEA Verfügbarkeit der elektrischen Infrastruktur Netzverfügbarkeit Geplante Wartungen Elektrische Effizienz Elektrischer Wirkungsgrad im Betrieb Stromverbrauch Leistungsverhalten der Anlagen Generische Anpassung der Leistungskurve Ein-/Ausschalt-Hysterese Standortspezifische Anpassung der Leistungskurve Sub-optimaler Betrieb Umgebungsbedingungen Leistungsdegradation ohne Vereisung Leistungsdegradation durch Vereisung Vereisungsbedingte Abschaltung Temperaturbedingte Abschaltung oder Leistungsreduktion Standortzugänglichkeit Baumwachstum Leistungseinschränkungen Windsektormanagement Netzbedingte Einschränkungen Geräusch-, schattenwurf- und naturschutzbedingte Einschränkungen Sonstiges 2. TECHNISCHE VERLUSTE INFOLGE VEREISUNG Leistungsdegradation und Abschaltung kritisch weniger kritisch kritisch teilweise nicht kritisch kritisch Bereich 1: Temperaturen <-15 °C liegen in der Regel außerhalb der Betriebsbedingungen der WEA. Entsprechende Zeiten werden durch Abschaltung der Anlage im Ertragsverlust berücksichtigt. Bereich 3: Im Vergleich zu sehr kalten Lufttemperaturen enthält die Atmosphäre bei Temperaturen um -1 °C eine höhere absolute Luftfeuchte, die zum Eisansatz an den Rotorblättern und der Anlage selbst führen kann. Ungeachtet dessen wird die Anlage in diesem Temperaturbereich betrieben. Mit deutlichen Leistungsverlusten durch Eisansatz ist rechnen, da Rotorblätter ihre aerodynamisch optimierte Form verlieren. Erst bei Lufttemperaturen von kleiner -6 °C ist von einer geringeren Eisbildung auszugehen. 2. TECHNISCHE VERLUSTE INFOLGE VEREISUNG 1. Leistungsdegradation durch Vereisung: Aerodynamische Veränderung des Blattprofils durch Eisansatz 2. TECHNISCHE VERLUSTE INFOLGE VEREISUNG 1. Leistungsdegradation durch Vereisung: Aerodynamische Veränderung des Blattprofils durch Eisansatz • Auftriebseinbruch 20% • Erhöhung des aerodynamischen Widerstandes 100% 2. TECHNISCHE VERLUSTE INFOLGE VEREISUNG 1. Leistungsdegradation durch Vereisung: Aerodynamische Veränderung des Blattprofils durch Eisansatz und Leistungseinbruch Verluste in der Leistungskennlinie bis zu 50% und mehr 2. TECHNISCHE VERLUSTE INFOLGE VEREISUNG 1. Leistungsdegradation durch Vereisung: Leistungseinbruch über der Zeit Verluste in der Leistungskennlinie und über die Zeit pauschal nicht oder nur mit sehr hoher Unsicherheit zu bestimmen. Simulation erforderlich Quelle: G. Ronsten, T. Wallenius, M. Hulkkonen, I. Baring-Gould, R. Cattin, M. Durstewitz, A. Krenn, T. Laakso, A. Lacroix, L. Tallhaug, O. Byrkjedal, and E. Peltola, State-of-the-Art of Wind Energy in Cold Climates, vol. 19. iea wind, 2012 2. TECHNISCHE VERLUSTE INFOLGE VEREISUNG 2. Vereisungsbedingte Abschaltung: Stillstand nach kritischer Eiserkennung bis zum Wiederanfahren der WEA Parameter der Eiserkennung: • Temperatur, Luftfeuchte • Leistungseinbuße dP(v) • Visuelle Erkennung • Rotordynamik, Unwucht Zuverlässige Eiserkennung: Kalibrierte Temperatur- und Feuchtegeber, Position auf der Gondel Kalibriertes Leistungs- und Windgeschwindigkeitssignal, Referenzkennlinie Objektive Kriterien für manuellen Eingriff Präzision der Unwuchtmessung 2. TECHNISCHE VERLUSTE INFOLGE VEREISUNG 2. Vereisungsbedingte Abschaltung: Stillstand nach kritischer Eiserkennung bis zum Wiederanfahren der WEA Verluste durch Stillstand über die Zeit pauschal nicht oder nur mit sehr hoher Unsicherheit zu bestimmen. Simulation erforderlich Quelle: G. Ronsten, T. Wallenius, M. Hulkkonen, I. Baring-Gould, R. Cattin, M. Durstewitz, A. Krenn, T. Laakso, A. Lacroix, L. Tallhaug, O. Byrkjedal, and E. Peltola, State-of-the-Art of Wind Energy in Cold Climates, vol. 19. iea wind, 2012 2. TECHNISCHE VERLUSTE INFOLGE VEREISUNG Beispiel von Verlusten aus Betriebsdaten Skandinavien, Höhe ca. 100 m ü. NN, Mittlere Temperatur 1,6 °C, 140 m Nabenhöhe, keine Enteisungstechnologie Verluste außerhalb des Fehlercodes unbekannt An Mittelgebirgsstandorten in Deutschland können Verluste von 0,53% in Kombination aus Stillstand und Leistungseinbuße durchaus erwartet werden. Production loss due error - Ice Detection: Low torque Production @ Grid connection point Theoretical production Losses Date Lost MWh Prod. MWh % 01.10.2013 01.11.2013 01.12.2013 01.01.2014 01.02.2014 01.03.2014 01.04.2014 01.05.2014 01.06.2014 01.07.2014 01.08.2014 01.09.2014 01.10.2014 01.11.2014 01.12.2014 01.01.2015 01.02.2015 01.03.2015 01.04.2015 01.05.2015 01.06.2015 Average 29.59 29.07 317.35 83.24 437.82 63.84 0.00 413.63 443.54 221.70 1,326.87 371.06 64.98 0.00 - 5,409.30 5,597.30 9,100.30 6,346.60 3,754.70 6,362.10 6,437.10 6,179.80 3,502.70 6,875.70 5,742.59 8,449.70 8,303.00 5,085.50 - Sum Lost+Prod. 5,438.89 5,626.37 9,417.65 6,429.84 4,192.52 6,425.94 6,437.10 6,593.43 3,946.24 7,097.40 7,069.46 8,820.76 8,367.98 5,085.50 - 0.55% 0.52% 3.37% 1.29% 10.44% 0.99% 0.00% 6.27% 11.24% 3.12% 18.77% 4.21% 0.78% 0.00% 4.4% 3. REDUZIERUNG VON EISVERLUSTEN Enteisung der WEA, optimierter Betrieb Enteisungssysteme: • Heißluft in Rotorblätter einblasen (Vestas) • Laminierte Heizelemente • Auf Oberfläche angebrachte Heizmatten • Meist im Bereich der Profilnase Controller-Optimierung/Weiterbetrieb Nachteil Enteisungssysteme: Verhältnis Energieverbrauch (bis zu 5% des Jahresenergieverbrauchs) zu vermiedenem Energieverlust durch Stillstand, Zusatzinvestition, Wartung & Service, Begrenzte Betriebsbedingungen (tmin & vmax), keine 100%-ige Enteisung Höherer Verschleiß, höherer Schallpegel, Erhöhtes Gefährdungspotenzial, Genehmigung 3. REDUZIERUNG VON EISVERLUSTEN Enteisung der WEA/Rotorblätter Strategie bei Enteisung: • • • • • • • • • Eiserkennung durch das Betriebssystem SCADA + Thresholds Start Enteisungszyklus WEA wird gestoppt und in Rotorposition gebracht Bremssystem wird aktiviert Heizsystem wird aktiviert und auf die drei Rotorblätter übertragen Beheizungsdauer in Abhängigkeit von parametrisierten oder gemessenen Werten Deaktivierung des Heizungssystems Wiederanfahren der WEA automatisch oder manuell Leistungsmessung, Eiserkennung und bei Bedarf Wiederholung eines Enteisungszyklus 3. REDUZIERUNG VON EISVERLUSTEN Enteisung der WEA/Rotorblätter • Leistungsaufnahme bei 2-3 MW-Klasse bis zu 150 kW • Heizzyklen bis zu 120 min 3. REDUZIERUNG VON EISVERLUSTEN Enteisung der WEA/Rotorblätter • Leistungsrückgewinnung nach Enteisung erreicht in der Praxis im Mittel über 80% • Verluste durch Vereisung können mit Enteisungssystemen um 30-50% verringert, jedoch nicht ganz vermieden werden • Nahezu alle Systeme noch in der intensiven Erprobungsphase aber teilweise mit sehr vielversprechenden Ergebnissen • Abschätzung von Ertragsverlusten erfordert Erfahrung und eine gute Datenbasis • Aufwendige Simulationen von Enteisungssystemen werden von skandinavischen Instituten angeboten 4. EMPFEHLUNGEN • Problembewusstsein der Extrarisiken im frühen Projektstatus entwickeln • Standortuntersuchung inklusive adäquater Messkampagne durchführen • Bestmögliche Abschätzung/Simulation der Verluste durch Vereisung durchführen • Verringerte Verfügbarkeit in der Messkampagne kann höhere Unsicherheit und damit Wertverluste zur Folge haben • Risikoanalyse durchführen und Konsequenzen für WEA-Spezifikationen, Verträge und Betrieb des Windparks ableiten • Möglichen höheren Schallpegel prüfen und berücksichtigen • Einsatz von Enteisungstechnologien auf Machbarkeit prüfen • Betrieb der WEA nur innerhalb der zertifizierten Bedingungen • Überprüfung von tatsächlichen Verlusten und Enteisungssystemen durch Messung mit Gondel-LiDAR CONTACT Klaus Bergmann Windressourcen und Betriebsoptimierung BBB Umwelttechnik GmbH - Part of RAMBOLL Mobil: Mail: +49 961 391728-0 [email protected] 21
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