Optimierung von Offshore-Windparks und Gezeitenkraftwerken durch Vorhersage des Unvorhersehbaren

Offshore-Erneuerbare-Energieprojekte gewinnen weltweit deutlich an Bedeutung. Betrachtet man allein die Europäische Union, steht der Ausbau der Offshore-Windenergie im Mittelpunkt der Umsetzung des Europäischen Green Deal, der die Wettbewerbsfähigkeit und Versorgungssicherheit Europas gewährleisten soll.

Insgesamt hat die Europäische Kommission bereits eine dedizierte EU-Strategie für Offshore-Erneuerbare Energien veröffentlicht, die robuste Maßnahmen zur Unterstützung der langfristigen nachhaltigen Entwicklung des Sektors vorschlägt. Die Strategie setzt ambitionierte Ziele für eine installierte Leistung von mindestens 60 GW Offshore-Wind und 1 GW Meeresenergie bis 2030 sowie 300 GW bzw. 40 GW bis 2050. Die gute Nachricht ist, dass die EU-Länder die von der Kommission vorgeschlagenen Ziele bereits sowohl kurzfristig als auch langfristig übertroffen haben.

Der globale Markt für Offshore-Erneuerbare Energien wächst ebenfalls schnell. Laut dem 2024 Offshore Wind Market Report, veröffentlicht vom National Renewable Energy Limited (NREL), erhöhten neue Offshore-Windanlagen im Jahr 2023 die globale Kapazität auf über 68 GW, verteilt auf 319 laufende Projekte mit mehr als 13.000 betriebenen Turbinen.

Mit zusätzlichen Projekten in verschiedenen Planungs- und Entwicklungsstadien beläuft sich die in der Pipeline befindliche Offshore-Windenergiekapazität auf mehr als 453,6 GW, davon 104,4 GW von schwimmenden Strukturen.

Ein solches Wachstum im Bereich der Offshore-Erneuerbaren Energien erfordert starke Unterstützung durch die weltweite F&E‑Gemeinschaft – und diese Unterstützung ist vorhanden. Im folgenden Abschnitt diskutieren wir eine solche innovative Entwicklung: den Einsatz von Unterwasserrobotern, die in Echtzeit Wellen vorhersagen können, um die Kosten für die Erzeugung von Offshore‑Erneuerbarer Energie zu senken.

Neue Technologie könnte die Wartung von Offshore-Windparks und Gezeitenkraftwerken günstiger, schneller und sicherer machen

Die Forschung wurde von drei Forschern der University of Edinburgh, Kyle L. Walker, Laura Beth Jordan und Francesco Giorgio‑Serchi, durchgeführt. Dieses Forscherteam entwickelte eine vollständige End‑to‑End‑Steuerungsarchitektur zur Störungsunterdrückung bei Positionierungsaufgaben unter Welleneinflüssen, die einen nichtlinearen modellprädiktiven Regler (NMPC) mit einem deterministischen Meereswellenvorhersage‑Modul (DSWP) kombiniert. Ihre Lösung soll Unterwasserfahrzeugen, die in wellendominierten Umgebungen operieren, das Arbeiten erleichtern, da Störungen die Fahrzeugreaktion stark beeinflussen und die Betriebssicherheit gefährden.

Einfach ausgedrückt haben die Forscher Werkzeuge – sowohl rechnerisch als auch experimentell – entwickelt, die autonome Roboter befähigen, eine stabile Position trotz unregelmäßiger, peitschender Wellen beizubehalten. Der FloWave‑Testtank der Universität diente als Versuchsstandort. Für die Daten nutzten sie Messwerte einer Boje in der Nordsee, um die Bedingungen zu simulieren, unter denen Roboter arbeiten könnten.

Das System verwendet an den Meeresboden befestigte Geräte, um Richtung und Höhe einlaufender Wellen zu messen und die Informationen in Echtzeit an einen nahe arbeitenden Roboter zu übermitteln, sodass die unbemannte Maschine zukünftige komplexe Störungen im Wasser voraussehen und ihnen entgegenwirken kann, um eine stabile Position zu halten.

Die Vorteile der Technologie

Quelle: The University of Edinburgh

Stabile, unbemannte Roboter, die offshore stationiert sind, würden die komplexe Aufgabe der routinemäßigen Wartung zu geringeren Kosten erledigen und damit die Gesamtkosten für die Erzeugung erneuerbarer Energie senken, die bislang wegen ihrer hohen Kosten im Vergleich zu fossilen Brennstoffen nicht wettbewerbsfähig ist. Der Einsatz solcher Roboter und ihre Stabilität würden zudem vereinfachte Abläufe ermöglichen, bei denen keine Schiffe, Hubschrauber oder Hebevorrichtungen erforderlich sind.

Forscher betonen, dass ihre neue Lösung besser ist als herkömmliche Steuerungssysteme.

“Durch die Vorhersage zukünftiger Wellendisturbanzen und deren Integration in das Steuerungssystem können wir diesen Bereich mit kaum oder keiner Änderung der Robotikhardware erweitern. In Bezug auf die Anwendung dieser Technologie im Feld ist dies ein großer Vorteil und macht unser System für die meisten derzeit auf dem Markt verfügbaren Fahrzeuge anwendbar.”

Zudem haben die Versuchsergebnisse gezeigt, dass das System eine hohe Kompatibilität mit Robotern aufweist, die in großen Tiefen nahe der Oberfläche operieren, wo Störungen stark wahrgenommen werden.

Zukünftig möchten die Forscher die Lösung mit größerer Autonomie ausstatten, damit sie präzise Aufgaben ausführen kann, bei denen sie Rost erkennt oder elektrische Anlagen repariert, ohne dabei instabil zu werden.

“Eine weitere Weiterentwicklung dieser Technologie könnte zu einem Durchbruch bei der Einführung unbemannter Roboter auf See führen und den Automatisierungsgrad im Offshore‑Sektor drastisch erhöhen.”

Obwohl diese Forschung die Offshore‑Erneuerbare‑Energieproduktion günstiger und effizienter macht, müssen wir bedenken, dass die Forschung in diesem Bereich bereits seit langem fortschreitet. Im Jahr 2022 veröffentlichten beispielsweise drei Forscher, Y. Liu, M. Hajj und Y. Bao, ein Review zur robotergestützten Schadensbewertung von Offshore‑Windturbinen (OWTs). Im Folgenden sind einige der entscheidenden Aspekte der Ergebnisse dieses Reviews aufgeführt.

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Einsatz von Robotern zur Schadensbewertung bei Offshore‑Windturbinen

Die Forschung betonte, dass Roboter die Aufgabe der automatisierten Zustandsbewertung von Offshore‑Windturbinen übernehmen könnten. Sie untersuchte die Möglichkeiten des Einsatzes von UAVs, Kletterrobotern und Unterwasserrobotern zur Überwachung sowie den Einsatz von Fotografie, Thermografie und Röntgenaufnahmen zur Erkennung von Anomalien.

Offshore‑Windturbinen sind vielen Faktoren ausgesetzt, darunter raue Umgebungen, in denen dynamische und extreme Belastungen ihre Sicherheit und Lebensdauer beeinträchtigen. Die Installations- und Wartungskosten steigen, was zu einem Anstieg der Gesamtkosten für die Erzeugung erneuerbarer Energie führt. Zudem besteht das Risiko einer Materialdegradation durch das Salzwasser des Meeres.

Die Forschung besagt, dass die jüngsten Fortschritte in der Robotertechnologie und intelligenten Algorithmen bei der Bewertung von Schadensausmaßen in OWTs unterstützen können. Während ein mit einem NDE‑Gerät ausgestatteter Roboter ferngesteuert oder automatisch betrieben werden kann, um OWTs zu inspizieren, können die aus diesen NDE‑Geräten gewonnenen Daten mittels intelligenter Algorithmen zur Schadensdetektion, -klassifizierung, -lokalisierung und -quantifizierung analysiert werden. UAVs, Kletterroboter und Unterwasserroboter können zudem durch das Tragen von Geräten wie optischen und Infrarotkameras sowie Röntgenausrüstung unterstützen.

Die Forschung schlussfolgert, dass robotergestützte Inspektionen hervorragende Lösungen zur Verbesserung der Sicherheit und zur Bereitstellung eines hohen Robustheitsgrades bei gleichzeitig niedrigen Kosten darstellen.

Betrachtet man den Mehrwert, den diese Lösungen für die Branche der erneuerbaren Energieproduktion bieten, haben mehrere Unternehmen kommerzielle Lösungen in diesem Bereich entwickelt. Im Folgenden einige Beispiele.

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1. Aerones

Aerones ist eines der weltweit führenden Unternehmen, das robotergestützte Wartungsdienste für Windturbinen anbietet. Das Unternehmen behauptet, seine patentierte Robotiktechnologie für seine Serviceteams zu nutzen, um schnellere, sicherere und effektivere Dienstleistungen für Windbetreiber weltweit zu erbringen.

Der Leistungsumfang von Aerones deckt alle wesentlichen Servicebereiche des Lebenszyklus einer Turbine ab, einschließlich Inspektion, Reinigung, Reparatur und mehr. Für die Inspektion bietet das Unternehmen Blitzschutz, interne und Drohneninspektionen sowie die Reinigung von Entwässerungsöffnungen an. Im Bereich Reinigung führt Aerones Turm‑ und Blattreinigungen durch. Für Reparaturdienste unterstützt die hochentwickelte robotergestützte Plattform von Aerones die Oberflächenvorbereitung, das Auftragen von Füllmaterial, das Schleifen und den Schutz der Vorderkante, indem ein Schutzbeschichtung aufgetragen wird, die die Blattoberfläche über Jahre hinweg vor Erosion schützt.

Das einzigartige Angebot robotergestützter Dienstleistungen von Aerones ist nicht darauf ausgelegt, Menschen zu ersetzen oder Arbeitsplätze zu übernehmen. Es erfordert zertifizierte Techniker, die die Werkzeuge bequem aus einem beheizten Fahrzeug steuern. Aufgrund ihrer robotischen Präzision und Effizienz reduzieren die Dienstleistungen von Aerones die Ausfallzeiten um das 4‑ bis 6‑fache und verkürzen die Leerlaufzeit um das 5‑ bis 10‑fache. Das proprietäre System liefert hochwertige robotergestützte Services für Windturbinentechniker bei Inspektionen, Reinigung, Wartung und Reparaturen, während die cloudbasierte digitale Datenplattform einzigartige branchenübergreifende Datensätze aus Inspektionen sammelt, die eine effiziente Preisgestaltung intelligenter vorbeugender Wartungspläne und Budgets ermöglichen.

Im September 2024 sicherte Aerones eine Unterstützung aus dem Innovationsfonds, die für hochinnovative, marktreife, skalierbare und ambitionierte Infrastrukturprojekte zur Reduzierung von CO₂‑Emissionen bereitgestellt wird.

Aerones erhielt 4,4 Millionen € vom EU‑Innovationsfonds. Das Projekt, so erklärten sie, zielt darauf ab, Turbinenreparaturen innerhalb von 18 Stunden durchzuführen, wodurch die Ausfallzeiten erheblich reduziert und zu den globalen Klimazielen beigetragen wird. Laut Berichten wird geschätzt, dass ihr Ansatz zu einer Reduzierung der Reparaturausfallzeit um 67 % führt, 161.349 Tonnen CO₂‑Emissionen über ein Jahrzehnt vermeidet und die Erzeugung zusätzlicher 918.320 MWh erneuerbarer Elektrizität ermöglicht.

Im Januar 2023 sammlte Aerones 30 Millionen US‑Dollar, um seine robotergestützten Dienstleistungen zu skalieren und Effizienzsteigerungen zu erzielen. Die Finanzierungsrunde wurde gemeinsam von den neuen Investoren Lightrock und Haniel geleitet, mit Beteiligung von Blume Equity sowie bestehenden Investoren Change Ventures, Metaplanet und Mantas Mikuckas, unter anderem.

Aerones erklärte, dass die Mittel verwendet werden, um die technischen und Vertriebsfunktionen auszubauen, die Anzahl der Roboterdienstteams zu erhöhen und in neue, schnell wachsende Märkte zu expandieren. Zum Zeitpunkt der Kapitalaufnahme bediente das Angebot robotergestützter Lösungen von Aerones bereits Kunden, die 50 % der weltweiten Windenergiekapazität repräsentierten.

2. Bladebug

Ein weiteres innovatives Unternehmen, das die Bedürfnisse der wachsenden Offshore‑Windindustrie adressiert und sie vorhersehbar sowie effizient macht, ist Bladebug. Das Unternehmen entwickelt fortschrittliche Roboter, die Techniker bei der Inspektion und Reparatur von Turbinenblättern unterstützen, ohne dass ein Seilzugang erforderlich ist. Es gibt zahlreiche Vorteile der robotergestützten Lösungen von Bladebug. Sie senken die Eintrittsbarrieren, minimieren Ausfallzeiten und verhindern Doppelarbeit.

Die Krabbelroboter von Bladebug können außerhalb der Sichtlinie betrieben werden. Damit können Techniker Wartungsaufgaben aus der Ferne ausführen, ohne die damit verbundenen Kosten und ohne den harten Bedingungen ausgesetzt zu sein. Sie sind halbautonom.

Zweitens, da es leicht ist, ist die Einsatzgeschwindigkeit und Benutzerfreundlichkeit deutlich höher als bei vielen Konkurrenzprodukten. Durch die robotergestützte Lösung von Bladebug können O‑M‑Teams Defekte beheben, bevor der Einsatz eines herkömmlichen Seilzugangsteams sinnvoll wäre. Diese vorbeugende Wartung erhöht die Effizienz der Turbine und maximiert die erzeugte CO₂‑armen Energie.

Schließlich sorgt das modulare Design dafür, dass der Roboterkörper verschiedene zerstörungsfreie Prüf- und Reparaturgeräte aufnehmen kann, wodurch er offshore flexibel einsetzbar ist.

Bladebug hat umfangreiche finanzielle Unterstützung und Mentoring von Unternehmen wie Innovate UK, Catapult Offshore Renewable Energy, Imperial Enterprise Lab und Launch Academy erhalten. Es wird von zwei Investoren finanziert: Britbots und The Offshore Wind Growth Partnership.

3. Reblade

Im Mai 2024 berichtete der Global Wind Energy Council, dass im Jahr 2023 weltweit ein Rekord von 117 Gigawatt neuer Kapazität installiert wurde. Angesichts der Herausforderung, mehr Hardware zu installieren, und eines Anstiegs begleitender Wartungspläne, schuf das dänische Unternehmen Reblade eine drohnenlieferbare Miniatur‑Reparaturfabrik.

Die robotergestützten Blattreparaturlösungen des Unternehmens umfassen Plug‑and‑Play‑Systeme für Wartungsteams, die es ermöglichen, Projekte vom Boden aus zu steuern und zu überwachen. Reblades Roboter können Erosionsreparaturen mit einem Roboter pro Tätigkeit durchführen, von Reinigung und Schleifen bis hin zu Beschichtung und Lackierung der Vorderkante von Turbinenblättern. Das drohnenlieferbare Reparatursystem war anpassbar, wobei jedes Modul Aufgaben und Produkte liefern kann, die den jeweiligen Kundenpräferenzen und -bedürfnissen entsprechen.

Das Unternehmen behauptet, dass seine Roboter extrem schnell und effizient seien, wobei Serviceteams Reparaturen an zwei kompletten Turbinen an einem einzigen Tag abschließen könnten. Es wird zudem behauptet, dass die Lösungen einer Vielzahl von Wetterbedingungen standhalten und die Roboter nahtlos in abgelegenen Standorten arbeiten, wodurch die Servicezeit und Kosten um bis zu 80 % reduziert werden. Das Unternehmen hat drei Investoren, darunter Eureka Network und den Europäischen Innovationsrat.

Robotergestützte Lösungen zur Optimierung von Offshore‑Windparks und Gezeitenkraftwerken: Die Zukunft

In den kommenden Tagen wird die Steigerung der Effizienz von Offshore‑Windparks und Gezeitenkraftwerken größere Anstrengungen bei der Automatisierung von Inspektions- und Wartungsprozessen erfordern. Diese Maßnahmen verbessern nicht nur die Servicequalität, sondern reduzieren die Sicherheitsrisiken erheblich, indem der Bedarf an menschlichen Tauchern in gefährlichen Unterwasserumgebungen verringert wird.

Der Wechsel von menschlichen Anstrengungen zu robotergestützten Lösungen wird ferngesteuerte Fahrzeuge, unbemannte Oberflächenfahrzeuge und weiterentwickelte autonome Unterwasserroboter umfassen. Diese Technologien werden erfolgreich unter Bedingungen arbeiten, die für Menschen gefährlich oder unzugänglich sind, und das über ein breites Spektrum herausfordernder Wetterlagen, in größeren Tiefen und über längere Zeiträume.

Forscher in diesem Bereich haben mehrere Schlüsselbereiche identifiziert, die differenziertere Lösungen erfordern. Beispielsweise müssen Unterwasserroboter eine präzise Positionierung in turbulenten Meeren aufrechterhalten – eine Herausforderung, die die Forschung, mit der wir unsere Diskussion begannen, als bedeutenden Durchbruch adressiert.

Forscher erwägen zudem den Einsatz von Digital Twins. Da heutige Roboter über fortschrittliche 3‑D‑Mapping‑ und Rekonstruktionstechnologien verfügen, können sie detaillierte dreidimensionale Modelle von Unterwasserinfrastrukturen erstellen. Ingenieure können diese „Digital Twins“ nutzen, um die Anhäufung von Meeresleben an Turbinenfundamenten zu überwachen oder potenzielle strukturelle Probleme zu identifizieren – alles aus der Sicherheit von On‑shore‑Kontrollräumen.

Ein weiterer bahnbrechender Fortschritt in diesem Bereich ist der koordinierte Einsatz von USVs und ROVs. USVs fungieren als mobile Basisstationen, die Unterwasser‑ROVs einsetzen und koordinieren, um umfassende Inspektionen der Windpark‑Infrastruktur durchzuführen. Teams, die solche Operationen durchführen, profitieren von fortschrittlicher KI und Steuerungssystemen, die diesen robotischen Einheiten ermöglichen, komplexe Unterwasserumgebungen mit bemerkenswerter Präzision und Effizienz zu navigieren.

Laut Schätzungen könnte der Einsatz robotergestützter Inspektionssysteme den Kraftstoffverbrauch für Wartungsmissionen um bis zu 97 % senken — von 7.000 Litern pro Tag auf nur 200 Liter.

Zusammenfassend gibt es zahlreiche Vorteile. Die Klimavorteile ergeben sich aus deutlich reduzierten CO₂‑Emissionen. Die Unternehmen profitieren langfristig, da diese Lösungen die Gesamtkosten der erneuerbaren Energieproduktion senken. Und schließlich profitieren die Mitarbeitenden, insbesondere im Bereich Wartung und Inspektion, von verbesserten Sicherheitsstandards und der Möglichkeit eines weitgehend risikofreien Arbeitsumfelds.

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