Windenergieanlagen werden üblicherweise für eine Laufzeit von 20 Jahren ausgelegt und erhalten für diese Zeitspanne eine Betriebserlaubnis. Im Jahr 2025 wird rund die Hälfte der bereits heute bestehenden Windenergieanlagen im Nordosten Deutschlands dieses Alter erreicht haben; ihre Betriebserlaubnis erlischt dann. Würde ihr Betrieb eingestellt, wären die Ausbauziele der Energiewende noch schwieriger zu erreichen.
Ein Konsortium von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Universität des Saarlandes, der Universität Bremen und des Fraunhofer-Instituts für Windenergiesysteme IWES in Bremerhaven möchte daher gemeinsam mit den Industriepartnern P.E. Concepts und marpitec herausfinden, wie die Lebensdauer von Windenergieanlagen verlängert werden kann.
„Ein beschleunigter Zubau ist zum einen notwendig, um die Ausbauziele für Windenergie an Land und auf See zu erreichen. Vor diesem Hintergrund ist es nicht nur wirtschaftlich, sondern auch ökologisch wünschenswert, wenn die bestehenden Anlagen zusätzlich länger als ursprünglich geplant betrieben werden können. Zum einen leisten sie dann einen wichtigen Beitrag zur Stromerzeugung und Energiewende, zum anderen spart man wertvolle Rohstoffe, die man für den Bau neuer Windenergieanlagen aufbringen müsste“, erklärt Dr. Tobias Meyer vom Fraunhofer IWES. Denn der „ökologische Fußabdruck“ einer Windenergieanlage wird maßgeblich durch die Herstellung und Errichtung erzeugt; im Betrieb sind die Anlagen nahezu klimaneutral. Es ist also sinnvoll, sie so lange wie möglich zu betreiben, um den Ressourcenverbrauch zu verringern.
Künstliche Intelligenz in der Lebensdauersimulation
Möchte der Betreiber im Anschluss an die üblicherweise auf 20 Jahre ausgelegte Laufzeit eine Weiterbetriebserlaubnis erhalten, wird dies unter anderem auf der Grundlage von zahlreichen Computersimulationen gemacht, die unterschiedliche Ermüdungslasten durchrechnen. Diese Simulationen sind jedoch sehr rechen- und zeitintensiv, und trotzdem aufgrund verbleibender Ungenauigkeiten der Modelle nur von begrenzter Aussagekraft. Der Ansatz des Projektteams besteht nun darin, mithilfe von künstlicher Intelligenz die Simulationsverfahren in Geschwindigkeit und Genauigkeit zu verbessern. „Wir kombinieren klassische modellbasierte Verfahren mit Methoden der künstlichen Intelligenz, um effiziente Simulations-Algorithmen zu entwerfen”, erläutert Dr. Amine Othmane.
Auch muss man bei Lebensdauersimulationen berücksichtigen, dass die genutzten mathematischen Modelle zur Beschreibung der Anlagen und ihrer Umgebungen generisch und fehlerbehaftet sind, etwa wegen schwer rekonstruierbarer Windverhältnisse. Die Ergebnisse der Simulationen sind also mit großen Unsicherheiten behaftet. „Wir möchten in unserem Verbundprojekt die mathematische Forschung zur Verbesserung solcher ungenauen Modelle entscheidend vorantreiben, um bessere Vorhersagen zu erreichen“, sagt Prof. Dr. Kathrin Flaßkamp.
Am Ende bedeutet dies nichts anderes, als dass die Windenergieanlagen länger sicher laufen könnten. Die Fortschritte, die das Konsortium im Blick hat, spielen sich dabei einerseits auf dem Gebiet der mathematischen Grundlagenforschung ab, andererseits – durch die Beteiligung des Fraunhofer-Instituts für Windenergiesysteme IWES sowie der beiden Industriepartner – auf der technischen Anwendungsseite.
Das Projekt „KIWi: KI-Simulationskorrekturen zur Laufzeitverlängerung von Windenergieanlagen“ wird für 3 Jahre (Laufzeit vom 01.11.2022 bis zum 31.10.2025) vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit insgesamt rund 873.000 Euro gefördert. Davon fließen zirka 282.000 Euro an die Universität des Saarlandes.
