Wie Ballaststoffe

Jul 11, 2023

Yuxin Wu (Mit freundlicher Genehmigung von Yuxin Wu)

In flachen Gewässern werden Offshore-Windkraftanlagen am Meeresboden befestigt. In Tiefwassergebieten, in denen die Winde normalerweise stärker sind und mehr als die doppelte Energiemenge ernten können, müssen schwimmende Offshore-Windkraftanlagen jedoch am Meeresboden verankert werden, wo der Ozean für feste Strukturen zu tief ist. Floating Offshore Wind (FOSW) ist eine der vielversprechendsten sauberen Energietechnologien mit einem potenziellen Marktwert von fast 16 Milliarden US-Dollar – es sind jedoch wissenschaftliche und technologische Lösungen erforderlich, um die Kosten für die Entwicklung, den Einsatz und die Wartung dieser komplexen Systeme zu senken.

Wissenschaftler am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Energieministeriums entwickeln Sensortechnologien, die aus Glasfaserkabeln bestehen und auf FOSW-Strukturen installiert werden könnten, die vor der kalifornischen Küste geplant sind. Dies würde es den Strukturen ermöglichen, schädliche Bedingungen selbst zu überwachen, die zu kostspieligen Reparaturen führen könnten, und würde auch dabei helfen, abzuschätzen, wie sich FOSW auf Meeressäugetiere auswirkt, indem deren Aktivität erfasst wird.

In Zusammenarbeit mit Experten aus den Bereichen Materialwissenschaften, Ingenieurwesen, Geophysik und FOSW-Entwicklern aus der ganzen Welt arbeitet der Wissenschaftler Yuxin Wu vom Berkeley Lab nun an der Entwicklung von Lösungen, um die Kosten für die Entwicklung und den Einsatz von FOSW zu senken und gleichzeitig mögliche Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren.

F. Was ist das größte Hindernis für den Ausbau schwimmender Offshore-Windtechnologien?

Wu: Bisher gab es nur wenige FOSW-Einsätze, da sich die Technologie noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet. Derzeit wurden keine derartigen Systeme auch nur annähernd in einer Tiefe von 1000 Metern eingesetzt. Wir wollen wissenschaftliche Innovationen nutzen, indem wir gemeinsam Strukturmaterialien entwickeln, die rauen Meeresumgebungen und extremen Wetterereignissen besser standhalten können. Und wir möchten FOSW-Systeme um eine verteilte faseroptische Sensorik erweitern, um den Systemen eine Selbstüberwachung in Echtzeit auf potenzielle Probleme zu ermöglichen, eine Fähigkeit, die die Lebensdauer eines Systems verlängern und die Betriebs- und Wartungskosten senken könnte.

F. Wie wendet Ihr Team die faseroptische Sensorik auf diese Innovationen an?

Wu: Ein Glasfaserkabel verfügt über einen Glaskern, der es Ihnen ermöglicht, ein optisches Signal mit Lichtgeschwindigkeit zu senden; Wenn es zu Vibrationen, Belastungen oder Temperaturänderungen des zu überwachenden Materials kommt, werden diese Informationen im zurückgestreuten Lichtsignal übertragen. Wenn es an der Struktur der Windkraftanlage befestigt oder darin eingebettet ist, erhält es ein „Nervensystem“, das ihm das „Hören“ und „Fühlen“ ermöglicht. Die Faser ist in der Lage, umgebende akustische Signale wie Walrufe zu überwachen, was Wissenschaftlern dabei helfen kann, mögliche Auswirkungen von FOSW-Einsätzen auf große Meeressäugetiere abzuschätzen.

Wir haben den Einsatz dieser Sensortechnologie an Strukturkomponenten – wie Türmen und Turbinen – getestet, um physikalische und mechanische Bedingungen zu überwachen, denen die Struktur selbst ausgesetzt ist, wie etwa Temperatur oder Spannung. Bisher konzentrierte sich unsere Forschung auf das Testen von Glasfasern am Turm und Getriebe, einige der teuersten Komponenten, bei denen es von Vorteil ist, Schäden zu erkennen, bevor sie zu Problemen führen.

F. Wie wichtig ist die Materialwissenschaft für die Reduzierung der Kosten schwimmender Offshore-Windsysteme?

Wu: Durch die Aufdeckung dessen, was innerhalb eines FOSW-Systems in Echtzeit geschieht, liefert uns die faseroptische Sensorik das nötige Wissen, um widerstandsfähigere, kostengünstigere Materialien auf Systemebene zu entwickeln. Die Entwicklung von FOSW-Systemen zu geringeren Kosten und um rauen Meeresumgebungen standzuhalten, erfordert modernste Materialwissenschaft in Kombination mit Informatik, um bessere Materialien herzustellen und die Leistung der Materialien effektiv zu simulieren. Es können Materialien entwickelt werden, die den Strukturen Selbstheilungsfähigkeiten verleihen; Beispielsweise löst das Eindringen von Meerwasser in einen Riss im Beton Reaktionen aus, um den Riss ohne Eingriffe abzudichten.

Wir arbeiten mit Experten für Materialwissenschaften und Simulationen von der molekularen bis zur strukturellen Skala zusammen, um Innovationen hervorzubringen, die aufgrund ihres großen Kosteneinsparungspotenzials, der lokalen Produzierbarkeit, der besseren Leistung und der ökologischen Nachhaltigkeit ein großes Potenzial für zukünftige schwimmende Tiefwassersysteme haben. DOE-Benutzereinrichtungen im Berkeley Lab, wie die Molecular Foundry, Advanced Light Source und das National Energy Research Scientific Computing Center, spielen eine Schlüsselrolle bei der Förderung von Innovationen in unserer Forschung.

Die Entwicklung von FOSW-Systemen zu geringeren Kosten und um rauen Meeresumgebungen standzuhalten, erfordert modernste Materialwissenschaft in Kombination mit Informatik, um bessere Materialien herzustellen und die Leistung der Materialien effektiv zu simulieren.

– Yuxin Wu

F. Diese Systeme liegen weit vor der Küste, was den Zugang für Wartungsarbeiten schwierig macht. Wie kann Technologie dabei helfen, ihre Leistung zu verfolgen und vorherzusagen, wenn keine Personen in der Nähe sind, um den Betrieb zu überwachen?

Wu: Digitale Zwillinge sind Darstellungen von Strukturen, die mithilfe fortschrittlicher Computermodellierung erstellt wurden, oft zusammen mit Echtzeit-Überwachungsdaten, die Wissenschaftler verwenden können, um zu steuern, zu simulieren und zu überwachen, wie das FOSW-System auf unterschiedliche Wetter- oder Meeresbedingungen reagieren würde. Wir können beispielsweise die Bedingungen eines Hurrikans simulieren und genau sehen, wie das System unter diesem extremen Wetter funktionieren würde – direkt von unseren Desktop-Computern aus. Durch die Einspeisung von Echtzeitdaten in die digitalen Zwillinge kann die Reaktion des Systems auf tatsächliche Feldbedingungen „auf dem Wasser“ überwacht werden, um die Entscheidungsfindung zu unterstützen, beispielsweise wann eine Mannschaft zur Systeminspektion entsendet werden soll. Dies könnte die Kosten erheblich senken, da unnötige Fahrten vermieden werden und eine proaktive Wartung des Systems vor größeren, kostspieligen Ausfällen ermöglicht wird.

Letzten Sommer nutzte unser Team Rütteltischtests einer tatsächlichen Turbine im Pacific Earthquake Engineering Research Center an der Richmond Field Station der UC Berkeley, um die Fähigkeit der faseroptischen Sensorik zu testen, zu überwachen, wie die Turbinen auf Wellenbewegungen weit vor der Küste reagieren würden. Der Schütteltest hilft bei der Bewertung und Optimierung des Einsatzes von Sensoren, die schließlich auf Strukturen mitten im Ozean sitzen und autonom Daten über Glasfaserkabel an Land übertragen.

F. Wie wichtig ist die Zusammenarbeit, um die Kosten für schwimmende Offshore-Windenergie zu senken?

Wu: Der schwimmende Offshore-Wind-Erdstrahl des DOE hat das ehrgeizige Ziel, die Kosten bis 2035 um 70 % zu senken. Dies erfordert einen Ansatz auf Systemebene, der alle Schritte im gesamten Lebenszyklus von FOSW optimiert, vom Materialdesign über den strukturellen Aufbau, den Einsatz, den Betrieb und die Wartung. Durch die Zusammenarbeit mit Institutionen und Branchen mit unterschiedlichem Fachwissen können wir diese neuen und komplexen Technologien effizient entwickeln, die dazu beitragen können, die Energiewirtschaft des Landes auf eine Energiewirtschaft umzustellen, die auf sauberen, erneuerbaren Quellen basiert.

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Das Lawrence Berkeley National Laboratory und seine Wissenschaftler wurden 1931 mit der Überzeugung gegründet, dass die größten wissenschaftlichen Herausforderungen am besten von Teams bewältigt werden können, und wurden mit 16 Nobelpreisen ausgezeichnet. Heute entwickeln Forscher des Berkeley Lab nachhaltige Energie- und Umweltlösungen, schaffen nützliche neue Materialien, erweitern die Grenzen der Computertechnik und erforschen die Geheimnisse des Lebens, der Materie und des Universums. Wissenschaftler aus der ganzen Welt verlassen sich für ihre eigenen wissenschaftlichen Entdeckungen auf die Einrichtungen des Labors. Berkeley Lab ist ein nationales Multiprogrammlabor, das von der University of California für das Office of Science des US-Energieministeriums verwaltet wird.

Das Office of Science des DOE ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter energy.gov/science.