Lasten - Anhang VIII: Weiterbetrieb nach 20 Jahren - Lifetime extension DNVGL-ST-0262 (2016)

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Viele WEA in Deutschland und auch international nähern sich dem Ende der typischen Auslegungs-Lebensdauer von 20 Jahren. Die Betriebsdauer dieser WEA kann in vielen Fällen verlängert werden, die Anforderungen dazu sind national - oder sogar regional - etwas unterschiedlich, basieren aber immer auf Kombinationen aus Inspektionen der WEA mit Modellrechnungen. An einer internationalen Richtlinie zum Weiterbetrieb, IEC 61400-28 "Through life management and life extension of wind power assets", wird noch gearbeitet. Derzeit existieren international Richtlinien von DNV-GL und UL sowie in Deutschland die BWE „Grundsätze für die Durchführung einer Bewertung und Prüfung über den Weiterbetrieb von Windenergieanlagen (BWP) an Land“. Die Lebensdauerberechnungen in LOAD RESPONSE ab windPRO 3.5 basieren auf „DNVGL-ST-0262 Lifetime extension of wind turbines“, einer prägnanten, frei verfügbaren Richtlinie [27], die sowohl die theoretischen Ermüdungsberechnungen als auch Hinweise zur Inspektion umfasst. Ziel der Analyse in windPRO ist eine schnelle und effiziente Möglichkeit zu bieten, das strukturelle Potenzial einer Lebensdauerverlängerung abzuschätzen, bevor aufwändige Inspektionen und detaillierte Untersuchungen beauftragt werden. Die Begutachtung der WEA vor Ort ist allerdings immer notwendig und kann durch Ermüdungsberechnungen nur flankiert, nicht ersetzt werden.

Methoden in DNVGL-ST-0262

Wie die anderen Richtlinien, beinhaltet auch die DNVGL-ST-0262 in einen Analytischen Teil (§2.2) und einen Praktischen Teil (§2.3). Der Analytische Teil ist wiederum in drei Methoden unterteilt: Vereinfacht (§2.2.3), Detailliert (§2.3.4) und Probabilistisch (§2.3.5). Die ersten beiden sind deterministische Ansätze und in windPRO LOAD RESPONSE enthalten. Sie werden im Folgenden erläutert. Der probabilistische Ansatz erfordert detaillierte Modellkenntnisse um alle signifikanten Unsicherheiten berücksichtigen zu können und liegt damit außerhalb der Möglichkeiten von windPRO. ‘Vereinfachter Ansatz’ (=generische Response-Modelle) Dieser Ansatz wird verwendet, wenn keine spezifische Response-Datei für den WEA-Typ vorliegt und ein generisches Modell genutzt werden muss. Obwohl in es ein deterministischer Ansatz ist, in dem die Unsicherheiten normalerweise nicht berücksichtigt werden, benötigt der Vereinfachte Ansatz eine Unsicherheitsbetrachtung bezüglich des generischen Response-Modells. ‘Detaillierter Ansatz’ (=spezifische Response-Modelle) Der Detaillierte Ansatz wird verwendet, wenn für den betrachteten WEA-Typ genaue Lastrechnungen vorliegen. In LOAD RESPONSE bedeutet dies, dass ein spezifisches Response-Modell vorliegt, dass die zertifizierten Designlasten inklusive potenzielle Lastmargen der Bauteile beinhaltet. Für diesen Ansatz ist keine Unsicherheitsbetrachtung vorgesehen.

Last-Margen (Nur Vereinfachter Ansatz)

Einige spezifische WEA-Modelle sind stärker ausgelegt, als die Zertifizierungsklasse fordert, der Unterschied wird als Last-Marge oder -Reserve bezeichnet. Die Quantifizierung der Last-Margen für einzelne Bauteile kann beim WEA-Hersteller im Vergleich von generischen mit spezifischen Modellen erfolgen und ggf. an andere Personen weitergegeben werden. In windPRO können diese Margen den generischen Modellen hinzugefügt werden. Last-Margen werden nicht in die Unsicherheitsbetrachtung einbezogen, weil sie systematische Abweichungen einzelner WEA-Typen von den Ausgangsdaten (= der Auslegungsklasse) sind.

Unsicherheitsmodell (Nur Vereinfachter Ansatz)

Das Unsicherheitsmodell zur Berechnung der Unsicherheit in Bezug auf die Lebensdauer basiert auf der IEC/ISO-Richtlinie für Unsicherheitsbetrachtungen [28]. Allerdings gibt es keinen einfachen oder direkten Weg die Unsicherheiten der generischen Modelle zu berechnen und so wird hier nur eine Größenordnung angenommen. Die Unsicherheit eines generischen Anlagenmodells ist abhängig von dessen Ähnlichkeit mit der tatsächlichen Auslegung der WEA, für die die Lebensdaueranalyse durchgeführt wird.

Durch die Analyse der Last-Index-Variation unterschiedlicher Anlagenmodelle mit leichten Variationen des Designs werden zunächst die Unsicherheiten jeder Komponente (jedes Sensors) bestimmt. Diese wurden dann als eine Basis-Unsicherheit über alle Sensoren/Komponenten vereinfacht, ausgehend von den höchsten Abweichungen, die an Rotorblättern und Türmen auftraten und dadurch etwas konservativ für andere Sensoren/Komponenten sind. Drei Unsicherheitskategorien wurden so definiert, die Unsicherheit verdoppelt sich mit ansteigender Kategorie:

• Hohe Ähnlichkeit / geringe Unsicherheit: 1 x Basis-Unsicherheit

• Mittlere Ähnlichkeit / mittlere Unsicherheit: 2 x Basis-Unsicherheit

• Geringe Ähnlichkeit / hohe Unsicherheit: 4 x Basis-Unsicherheit

Die resultierende Unsicherheit der berechneten Lastindizes der Komponenten werden dann über die Methoden der IEC/ISO-Richtlinie für Unsicherheitsbetrachtungen [28] auf die Lebensdauer der Komponenten übertragen. Das nicht-lineare Verhältnis zwischen Lastindex und Lebensdauer und kann durch die Unsicherheiten noch verstärkt werden. Dies liegt in am nicht-linearen Verhalten der akkumulierten Ermüdungsschädigung und Lastberechnungen.

Referenzmodelle (Nur Vereinfachter Ansatz)

Alle generischen Modelle in LOAD RESPONSE basieren auf öffentlichen Referenzmodellen wie NREL 5MW mit bzw. ohne Getriebe [29, 31], Windpact 1,5MW [30] und DTU 10MW [32]. Alle Modelle nutzen ein traditionelles Design der folgenden Charakteristik:

• Tradtionelles dreiflügliges Design (Glas- oder Carbonfaser wählbar)

• Maximale Blatttiefe ca. 8% bei 25% der Länge ausgehend von der Blattwurzel

• Mit oder ohne Getriebe (wählbar)

• Standard-Stahlturm

• Drehzahlvariabel, Pitch-Regelung (PI-Regelung)

Spezielle Regelungsweisen können nicht berücksichtigt werden, da sie zu willkürlich starke Änderungen der Anlagenlasten führen können.

Weitere Themen:

• SITE COMPLIANCE-Überblick
• SITE COMPLIANCE-Berechnung
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• LOAD RESPONSE: WEA-Modelle
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