Unveiling Innovative Energy Solutions by Digital Twin Technology

The MesH Engineering Team is pleased to extend an invitation to you for our Forum at Husum Wind 2023, where we will be showcasing the revolutionary “Renewable Energy communication network (MesH REcon)” that seamlessly integrates energy generation and storage systems such as PV panels, wind turbines, and batteries, while also incorporating dynamic digital twins of these systems, across multiple operational hierarchical levels. This innovation is poised to reshape the energy sector and beyond.

 

Date:                    September 15th, 2023, 11:00 – 11:50 am

Location:             Husum Wind Fair, Forum Hall 2

 

During the trade fair forum, we will:

  • Present the REcon software platform in detail, highlighting its extensive functionalities.
  • Demonstrate how digital twins of energy generation systems can have a significant impact on the industry.
  • Showcase compelling reference scenarios that demonstrate the advanced digital services and solutions that can be delivered through the utilization of the e-TWINS system.

We firmly believe that e-TWINS technology has the potential to make a meaningful contribution to advancing the industry by enhancing the efficiency, sustainability, and flexibility of energy generation systems.

 

We are excited to welcome you to the trade fair forum and explore the innovative potentials of the e-TWINS iniative together.

Moderation:

Dr. Birger Luhmann

MesH Engineering GmbH

 

Speakers:

Anton Kaifel

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW)

 

 

Jonas Petzschmann

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW)

 

Abhinav Anand

Technical University of Munich

 

Andre Thommessen

University of Applied Sciences Munich

 

Stefan Hauptmann

MesH Engineering GmbH

 

Ziel: Optimierung des Windparkbetriebs

Wir wollen ein Cluster von Windenergieanlagen unter Berücksichtigung der gegenseitigen Beeinflussung der Turbinen (hauptsächlich Nachlaufströmungen) möglichst optimal betreiben. In Abhängigkeit von den Einflussfaktoren (z.B. Strompreis, Anströmbedingungen, Anlagenzustand) werden verschiedene Optimierungsziele formuliert:
  • Maximieren der Gesamtleistung
  • Management der Lebensdauer unter Berücksichtigung der strukturellen Belastung aller Windkraftanlagen
  • Bereitstellung von Hilfsdiensten für das Stromnetz

Problem: Wenig Informationen über die Windverhältnisse innerhalb des Windparks

Außer den Turbinen selbst sind keine Messungen der Windverhältnisse zwischen den Turbinen verfügbar. Dies führt zu Unsicherheiten, z.B. in Bezug auf die Lage des Nachlaufs und die Größe des Geschwindigkeitsdefizits, die Windgeschwindigkeit und die Turbulenz. Die Verringerung der Unsicherheiten ist von entscheidender Bedeutung, um letztendlich einen optimierten Betriebszustand des gesamten Windparks im Vergleich zu einem Modus zu erreichen, bei dem die Turbinen einzeln betrieben werden.

Unser Ansatz: Digitale Zwillingstechnologie für die Steuerung von Windparks

Mit den neuesten Forschungsergebnissen haben wir einen digitalen Zwilling entwickelt, der die Strömungsverhältnisse in einem Windpark auf der Grundlage der Daten der Turbinen berechnet. Die digitalen Zwillinge werden auf unserer e-TWINS-Plattform bereitgestellt und können an jeden beliebigen Windpark angepasst werden.

In Simulationen getestete Technologie

Mit unseren Partnern aus Industrie und Wissenschaft haben wir im Rahmen des e-TWINS-Projekts den digitalen Zwilling für Windparkströme getestet.

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Ziel: Wirtschaftlicher Einsatz und Betrieb von Anlagen zur Erzeugung und Speicherung erneuerbarer Energien

Um jederzeit ein Gleichgewicht zwischen Stromerzeugung und -verbrauch zu gewährleisten, ist die Energiewirtschaft in Bilanzkreisen organisiert. Jede Ein- und Ausspeisung von Strom aus dem Netz muss einem bestimmten Kreis zugeordnet werden. Die sogenannten Bilanzkreisverantwortlichen koordinieren das Angebot und die Nachfrage durch Aggregation und entsprechende Markttransaktionen vor dem Übergabepunkt.
  • Höhere Einnahmen aufgrund einer verstärkten Marktteilnahme
  • Gesicherte Einnahmen durch genauere Prognosen
  • Geringere Strafen/Netzdienstanforderungen aufgrund realisierbarer Kraftwerkserzeugungs-Sollwerte

Problem: Ungenügende Prognosen, geringere Auslastung des Marktes

Bei der Vermarktung von Strom aus Erneuerbare-Energien-Anlagen besteht die Herausforderung darin, dass der Strom im Vorfeld vermarktet werden muss, z.B. auf dem Day-Ahead-Markt, mit Prognoseunsicherheiten aufgrund der wetterabhängigen Erzeugung. Ein Teil der auftretenden Prognoseabweichungen kann durch Transaktionen auf den Kurzfristmärkten korrigiert werden. Sehr kurzfristige Änderungen der Prognose können jedoch nur durch eine aktive Steuerung der Anlagenkapazitäten ausgeglichen werden.

Unser Ansatz: Wirtschaftlich optimierter Dispatch & Anlagenbetrieb

Im Szenario Economic Dispatch wird die optimale Vermarktungsstrategie für einen Anlagenpool gesucht, der aus wetterabhängigen Erneuerbare-Energien-Anlagen und flexiblen Batteriespeichern besteht. Die Batteriespeichersysteme werden sowohl für den Arbitragehandel als auch für den kurzfristigen Ausgleich von Prognoseabweichungen eingesetzt. Für die gestaffelten Vermarktungsoptionen im Day-Ahead- und Intraday-Markt werden die aktuellsten Zustands- und Prognosedaten der Anlagen verwendet, um den optimalen Kraftwerkseinsatz zu bestimmen. Die Unsicherheit der Prognosen wird über probabilistische Prognosen in die Optimierung einbezogen. Zur Betriebszeit werden zunächst die optimalen Sollwerte an die Anlagen verteilt. Die Einhaltung der Sollwerte wird dann vom Kraftwerksbetreiber anhand von Live-Dateneinspeisungen aus den Blöcken und Komponenten sichergestellt.

Die Rolle des digitalen Zwillings

Die Technologie des digitalen Zwillings spielt in Energiesystemen eine wichtige Rolle, da sie eine kontinuierliche Kommunikation zwischen Prognosen, Bilanzkreisoptimierern und Anlagensteuerungssystemen (SCADA) ermöglicht. Sie erhöht die Genauigkeit durch die Einbeziehung standortspezifischer Daten, einschließlich historischer und Erzeugungsdaten. Vollständig modulare digitale Zwillinge, die die dem Energiesystem innewohnende Hierarchie berücksichtigen. Wir verwenden digitale Zwillinge auf Netz- und Anlagenebene, u.A. zur:
  • probabilistischen Erzeugungsprognose
  • Stochastischen Optimierung für die Erzeugung von Dispatch-Sollwerten
  • Überprüfung der Marktgebote
  • Optimaler Kraftwerksbetrieb

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Ziel: Trägheitsemulation und Fähigkeit zur Netzbildung

Wir wollen einen zuverlässigen und intelligenten Betrieb des künftigen Stromsystems mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energieanlagen, wie z.B. Windkraftanlagen, ermöglichen. Aufgrund der geringeren Anzahl synchron rotierender Massen, benötigt das zukünftige Stromsystem System eine Trägheitsemulation für umrichterbasierte Ressourcen. Neue Wechselrichter-Regelungsmethoden mit Trägheitsemulation und Netzformungsfähigkeit unterstützen die Netzfrequenz und -spannung. Strategien zur Leistungsbeschränkung können zusätzliche Leistungsreserven bereitstellen. Die Überwachung und Vorhersage der Netzstützungsfähigkeit ist entscheidend, um die erneuerbare Stromerzeugung zu maximieren und Netzstabilität zu gewährleisten.

Problem: Abnehmende Trägheit und Netzbildungsfähigkeit des Stromnetzes

Immer mehr umrichterbasierte Ressourcen ersetzen direkt ans Netz angeschlossene Synchronmaschinen. Letztere sorgen für die Trägheit des Stromnetzes und bilden die Netzspannung im Gegensatz zur herkömmlichen netzbildenden Wechselrichter Steuerung. Gleichzeitig führt die Installation zusätzlicher Übertragungskapazitäten, wie z.B. HGÜ-Systeme, zu potenziell höheren Leistungsungleichgewichten bei sogenannten Systemsplit-Szenarien. Sowohl die abnehmende Trägheit und das zunehmende Leistungsungleichgewicht im ungünstigsten Fall sind große Herausforderungen für die zukünftige Netzstabilität.

Unser Ansatz: Digitale Zwillinge für Trägheitsüberwachung und Vorhersage

Mit den neuesten Forschungsergebnissen haben wir mit Hilfe digitaler Zwillinge Verfahren entwickelt, die die Netzstützungsfähigkeit von Wind- und Batterieanlagen ermitteln. Bei Windkraftanlagen hängt der Betriebspunkt von der Windgeschwindigkeit und dem Leistungssollwert ab. Darüber hinaus werden die Betriebsbedingungen wie Leistung, Drehmoment und Drehzahl berücksichtigt, um das Verhalten von Windkraftanlagen für den ungünstigsten Fall einer Frequenzänderung (RoCoF) zu bewerten. Der numerische Optimierungsalgorithmus iteriert mit verschiedenen virtuellen Trägheitskonstanten H_v, um den maximal erreichbaren Wert H_(v,max) zu finden, der den höheren Ebenen das Reporting Module verfügbar gemacht wird. So kann der Netzbetreiber auf der Grundlage der Trägheitsüberwachung und -prognose aller Erzeugungseinheiten den tatsächlichen Bedarf an virtueller Trägheit ermitteln und die virtuelle Trägheitskonstante Referenz H_(v,ref) für das reale Kontrollmodul festlegen. Die digitalen Zwillinge werden auf unserer e-TWINS-Plattform eingesetzt und können an jeden beliebigen Windpark angepasst werden.

In Simulationen getestete Technologie

Mit unseren Partnern aus Industrie und Wissenschaft haben wir im Rahmen des e-TWINS-Projekts die netzbildenden Regelungsmethoden, die Leistungsbegrenzungsstrategien und die digitalen Zwillinge zur Trägheitsüberwachung und Vorhersage getestet.

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Virtueller Lastsensor

Ziel: Online-Schätzung von Lasten, ohne diese zu messen

Wir präsentieren ein hochmodernes Softwaremodul, das Zustands- und Structural Health Monitoring-Systeme auf die nächste Stufe hebt. Diese Innovation fügt sich nahtlos in das Framework des digitalen Zwillings ein und erweitert dessen Fähigkeiten, indem es Echtzeitbewertungen ermöglicht. Es ermittelt die komplexen Belastungen, die auf die verschiedenen mechanischen Komponenten des Antriebsstrangs wirken. Diese KI-gestützte Analyse ergibt sich aus einer Kombination verschiedener verfügbarer Messwerte, die ein vollständiges Abbild dessen liefern, was unter der Oberfläche vor sich geht.

Problem: Sensoren können nicht an allen erforderlichen Stellen angebracht werden

Die Installation von Beschleunigungssensoren und Dehnungsmessstreifen an kritischen Stellen und Hotspots im Antriebsstrang kann manchmal eine Herausforderung darstellen. Der Gedanke, mit diesen Sensoren präzise Daten zu sammeln, ist zwar attraktiv, aber es gibt oft praktische Einschränkungen. Dazu gehören Probleme wie begrenzter Platz für die Platzierung der Sensoren, Umweltfaktoren, die sich auf die Sensorleistung auswirken, und finanzielle Erwägungen bei der Sensorintegration, so dass ein Gleichgewicht zwischen der Datenpräzision und der Praktikabilität der Implementierung gefunden werden muss.

Unser Ansatz: Ein datengetriebener Algorithmus, basierend auf profunden Kenntnissen des zugrunde liegenden physikalischen Modells

Wir haben einen innovativen datengestützten Algorithmus entwickelt, der die Erkenntnisse der physikbasierten Mehrkörpersimulation mit der Anpassungsfähigkeit datengetriebener und maschineller Lernverfahren kombiniert. Diese Synergie macht sich die Vielfalt der verfügbaren Daten zunutze, um einen "virtuellen Lastsensor" zu schaffen. Dieser Sensor macht sich die Stärken beider Welten zunutze - das tiefe, in der Physik verwurzelte Verständnis und die dynamischen Fähigkeiten der datengesteuerten Methoden.

Simulationen zur Technologievalidierung

Die von uns entwickelte Technologie wurde in verschiedenen Betriebsszenarien einer strengen Validierung unterzogen und hat dabei eine bemerkenswerte Präzision bei der Abschätzung von Belastungen und potenziellen Schäden an den Komponenten des Antriebsstrangs bewiesen. Dieses Validierungsverfahren wurde unter verschiedenen Betriebsbedingungen durchgeführt, denen die Windturbinen nach weithin anerkannten industriellen Normen und Standards ausgesetzt sind.

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