Duurzaam optimaliseren van windenergie

(Quelle: Weiss Technik GmbH) / (Bron: Weiss Technik GmbH)

(Quelle: Weiss Technik GmbH) / (Bron: Weiss Technik GmbH)

Windenergie levert een belangrijke bijdrage tegen klimaatverandering. Uitval, onderhoud en reparatie van windenergie-installaties zijn echter meestal arbeidsintensief en kostbaar. Vaak is de vermogenselektronica getroffen, die wordt blootgesteld aan extreem hoge belastingen. Daarom onderzoekt de Universiteit Bremen in het kader van het samenwerkingsproject HiPE-WiND, gefinancierd door het BMWi, hoe hun levensduur kan worden verlengd en het onderhoud kan worden geoptimaliseerd. weisstechnik heeft hiervoor een klimaatkamer gepland en gerealiseerd voor multidimensionale belastingsproeven.

Partners in windenergie-onderzoek

Voornaamste partner binnen het samenwerkingsproject HiPE-WiND (High Power Electronics in Wind Energy Plants) is het Instituut voor Elektrische Aandrijvingen, Vermogenselektronica en Componenten van de Universiteit Bremen, in samenwerking met het Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme in Bremerhaven. Om te achterhalen welke componenten van de vermogenselektronica onder welke omstandigheden defect raken, worden langdurige belastingsproeven uitgevoerd op complete omvormersystemen van windenergie-installaties tot de tien-megawattklasse. Hierbij worden de hoge belastingen gesimuleerd door veranderende windomstandigheden en het elektriciteitsnet onder verschillende klimatologische omstandigheden – van de Arctis tot de Sahara. Dit gebeurt in de op maat ontwikkelde klimaatkamer van weisstechnik. Als klimatechnisch hart van het „HiPE-LAB“ in Bremen helpt deze kamer om realistisch en in een versnelde tijd te begrijpen hoe de omvormersystemen verouderen tijdens een inzet van 20 jaar onder multimodale belastingen.

300 kW grote installatie met zware vloer

De ervaren specialist voor milieutechniek, weisstechnik, kon zich bij de aanbesteding van de installatie succesvol doorzetten en het project uit één hand plannen en realiseren. De grootte en kracht van de begaanbare en berijdbare kamer met een bruikbare testruimte van circa 190 m³ en een elektrisch aansluitvermogen van bijna 300 kW vormden al een veeleisende uitdaging. De vloerbelasting van de zware vloer in de testruimte ligt boven de 10.000 N/m². De grote, tot 5.000 kg zware testobjecten – schakelkasten met omvormers – worden op rollen via een dubbele poort in de testkamer gereden. De wanden van de kamer zijn uitgevoerd in roestvrij staal (dampdicht gelast) en voorzien van een 200 mm dikke tweelaagse isolatie, bestaande uit speciaal schuim en mineralenwol. Een zijdeur dient als toegang voor het personeel.

Milieuvriendelijke CO₂-koelinstallatie

Het vereiste temperatuurbereik voor de tests ligt tussen (-)40 °C en (+)120 °C. Om dit zo efficiënt en milieuvriendelijk mogelijk te realiseren, is een CO₂-koelcascade toegepast. Hiermee zijn temperaturen tot (-)45 °C zeer goed haalbaar; tegelijkertijd maakt dit ontwerp een hoge warmteregeling mogelijk. Dit is belangrijk voor de belastingsproeven, omdat de onder belasting geteste proefstukken een hoge warmtebelasting genereren. Deze bedraagt ongeveer 70 kW bij 100 °C en een vochtigheidsgraad tot 95% r.F., en 50 kW bij 85 °C/85% r.F. Het gebruik van CO₂ als koelmiddel vereist extra veiligheidsvoorzieningen. Zo was het noodzakelijk om een stilstandkoeling met een aparte stroomvoorziening te integreren om expansie van CO₂ te voorkomen en een te hoge systeemdruk bij stilstand te vermijden. Daarnaast is een gaswaarschuwingsinstallatie in de klimaatkamer en de technische ruimte geïntegreerd, die optische en akoestische alarmen activeert en de nooddouche inschakelt wanneer CO₂ ontsnapt. Bovendien wordt het zuurstofgehalte continu gemonitord met redundante meetsystemen.

Op maat gemaakte techniek

Voor een bijzonder homogene klimaatverdeling in de testruimte is gekozen voor verticale luchtgeleiding. Daarbij wordt de voorverwarmde lucht via een zware dubbelbodem van roestvrij staal met perforaties, waarin ook de aansluitleidingen voor de proefstukken kunnen worden aangelegd, onder de warmtewisselaar van onder naar boven in de testruimte geleid en omhoog gestuurd. Onder het plafond wordt de lucht zijwaarts afgevoerd en teruggeleid naar de luchtbehandelingsruimte. De gebruikte recirculatieventilatoren zijn traploos regelbaar, de luchtvochtigheid wordt hygiënisch geregeld via dampbevochtiging. De technische ruimte naast de testkamer bevat alle benodigde aggregaten en schakelkasten. Een belangrijke eis is dat het geluidsniveau van de installatie onder de 72 dBA moet blijven. Om dit betrouwbaar te bereiken, zijn de aggregaten voorzien van een speciale geluidsisolatie.

De installatie wordt eenvoudig en intuïtief bediend via het beproefde en voor milieusimulatie-installaties geoptimaliseerde SiMPAC®-besturingssysteem, het digitale meet- en regelsysteem voor bediening, bewaking en documentatie. De bediening kan via een touchscreen (met de innovatieve gebruikersinterface WEBSeason®) buiten de technische ruimte plaatsvinden. Daarnaast kan de installatie via een EtherCAT- en netwerkinterface op afstand worden bediend in de comfortabele remote-modus.

Milieusimulatie-techniek voor de energietransitie

De multimodale testinstallatie is sinds medio 2021 succesvol in gebruik binnen het onderzoeksproject HiPE WiND in Bremen. De daarmee mogelijk gemaakte gecombineerde realistische klimatologische en elektrische belastingsproeven zijn uitstekend geschikt om te ontdekken hoe windenergie-installaties robuuster en duurzamer kunnen worden gemaakt. Daarmee levert weisstechnik een verdere belangrijke bijdrage aan de energietransitie.