Energiewende mit Plan: Messbojen-Software für Offshore-Windparks

©Fraunhofer IWES_Thomas Viergutz

„Die Planung für den Bau und Betrieb eines Offshore-Windparks ist ein hochkomplexes Projekt mit vielfältigen wirtschaftlichen und technologischen Fragestellungen“, so schreibt es das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES. Als Laie stellt man sich das einfacher vor: Ein paar Windräder ins Wasser stellen, Stromkabel unterseeisch ziehen und gut ist’s. Über Wasser ist niemand, den man groß stören könnte – keine Menschen, keine Wohnhäuser und kaum Tiere. Die Naturgewalten aber, die man sich ja zum Teil zu Nutzen machen will, sind es, welche die Herausforderung stellen.

Extreme Umweltbedingungen wie Stürme, hoher Wellengang und starke Meeresströmungen erschweren deutlich die Planung und den Bau eines Offshore-Windparks. Schließlich müssen die Anlagen langfristig zuverlässig funktionieren, damit sich die hohen Investitionssummen rechnen.

Gleiches gilt auch für die Wirtschaftlichkeit. Hier machen sich vermeintliche Kleinigkeiten bereits stark bemerkbar: Wenn einzelne Turbinen bis zu 15 Megawatt erzeugen, kann man leicht ausrechnen, wie viel Strom bis zu 50 davon insgesamt generieren. Eine nur um 1% geringere Effektivität macht bei unserem Rechenbeispiel schon 7,5 Megawatt aus. Bei Aufstellungskosten von mehreren Millionen Euro pro Megawatt lohnt es sich also, vor Baubeginn die Wirtschaftlichkeit und natürlich die Risiken eines Standortes möglichst genau zu ermitteln.
 

Hochseetaugliches Hightech: Lidar-Messbojen

Aus diesem Grund hat das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme, kurz IWES, ein technisches, hochseetaugliches Juwel entwickelt: Eine Messboje, ausgestattet mit dem Lidar-Sensor (Light detection and ranging), misst Windrichtungen, Windstärken, Strömungen, Temperaturen und einiges mehr. Besonders wichtig sind die Bewegungssensoren, weil sie Daten für den Abgleich mit den Lidar-Messwerten liefern, um die unvermeidlichen Bewegungen der Bojen herauszurechnen. Es wird darauf geachtet, dass die Messungen der Bojen präzise sind und den stationären Referenzmessmasten entsprechen. Die Daten der sogenannten FINO-Referenzmasten, von denen es drei gibt, dienen als Grundlage für der Zertifizierung der Bojen.

So lassen sich vor Baubeginn wichtige und umfassende Daten erheben, die sicherstellen, dass sich das angepeilte Seegebiet für einen Offshore-Windpark überhaupt dauerhaft eignet. Messbojen sind gerade bei langfristiger Analyse ein probates Mittel, da sie am Meeresgrund fest verankert 24 Stunden pro Tage, 7 Tage die Woche unermüdlich Daten sammeln. Eine autarke Energieversorgung in der Boje macht dies möglich. Die umfangreichen Messdaten werden erhoben und bei Wartungsbesuchen eingesammelt. Kleine Datenvorauswertungen hingegen übermittelt die Boje per Satellit.
 

Messbojen-Software – welche Rolle spielt die ISO-Gruppe?

Im Zeitalter der Digitalisierung ist eine hochentwickelte IT bei so einem Produkt nicht wegzudenken. So kommen Software-Technologien wie Scala, Akka, Git und in der Wissenschaftsgemeinde gängige Produkte wie TeX inklusive Gnuplot zum Einsatz.

Genau dieser komplexe Technologie-Stack stellte das Fraunhofer IWES vor eine Herausforderung. Welcher IT-Dienstleister beherrscht eine derart umfangreiche Palette? Tatsächlich gehört die ISO Software Systeme GmbH zu den wenigen IT-Unternehmen, die all diese Disziplinen beherrschen. Die ISO Software Systeme nahm die Aufgabe gerne an und startete gemeinsam mit dem IWES, um die Software für die Messbojen weiterzuentwickeln.
 

Individualsoftware: Dreiphasig zum Erfolg

Das Projekt startete am 01. Januar 2021 in die Phase 1. Die Optimierung bestehender Fraunhofer-Software, der Dokumentation der neuen Programmteile und der Aufbau einer CI-Umgebung (Continuous Integration) standen im Mittelpunkt. Das Projekt ging zügig voran, da sich die Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut sehr gut gestaltete und unsere Entwickler bereits umfassende Erfahrungen mit dem Technologie-Stack besaßen. Bereits im Mai 2021 begann mit der Weiterentwicklung der Software die Phase 2.

Zentraler Punkt war die Entwicklung des QM-Moduls für den Einsatz auf der Boje selbst. Das Hauptprogramm bzw. die Korrektur-Software, welche die gesammelten Messdaten analysiert und aufbereitet, läuft dagegen an Land. Das QM-Modul hat die Aufgabe, Messdaten vorab zu aggregieren und diverse Lebenszeichen zu überwachen. Diese relativ kleinen Datenmengen werden täglich übermittelt und grafisch aufbereitet, was auch ein Feature des QM-Moduls ist.

Damit erhält man einen groben Überblick über die laufenden Messungen und den Gesundheitszustand der Boje. So lassen sich Probleme rechtzeitig erkennen, etwa wenn ein Sensor ausfällt oder sich die Boje vom Anker losreißt und auf Wanderschaft geht. Oder wenn eine Möwe auf der Lidaroptik etwas hinterlassen hat und der Scheibenwischer versagt. Darüber hinaus gab es von Zeit zu Zeit neue Sensoren oder neue Datenformate, auf die wir die Software einstellen mussten.

Weiterhin haben wir einen Software-Schutz per Dongle eingeführt, um Cyberattacken vorzubeugen. Dazu musste der Teil des QM-Moduls, der auf der Boje direkt arbeitet, auf einem stromsparenden Rechner laufen. Energie auf der Boje ist kostbar und so durfte die Leistungsaufnahme 5 Watt nicht übersteigen.
 

Messbojen-Software: vom Projekt zum kommerziellen Betrieb

Das Fraunhofer-Institut zeigte sich mit den Ergebnissen sehr zufrieden und gab als Abschluss des Projekts im September 2021 die Phase 3 in Auftrag: fortlaufender Support inklusive Bugfixing und bei Bedarf noch weitere Entwicklungen. Das Projekt ist längst in einen kommerziellen Betrieb übergegangen.

Bereits seit 2017 sind die Messbojen bei Kunden in der schottischen Nordsee, östlich von Aberdeen/Edinburgh im Einsatz. Im Jahr 2020 folgten weitere Bojen-Messungen über einen Zeitraum von zwölf Monaten für das deutsche Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrografie. Die Messungen finden anlässlich der Flächenvorerkundung für den Offshore-Windausbau in der Deutschen Bucht statt. Auch sammeln die Bojen für Forschungsprojekte in der Nordsee und der Irischen See fleißig Daten.
 

Die ISO-Gruppe unterstützt die Energiewende

Regenerative Energien spielen für Industrienationen eine entscheidende Rolle – und das nicht in ferner Zukunft, sondern jetzt. Das hat nicht nur der sich zunehmend bemerkbare Klimawandel gezeigt, sondern auch politische Krisen und Konflikte. Sich von fossilen Energieträgern möglichst unabhängig zu machen, dazu tragen Offshore-Windparks maßgeblich bei. Gerade im Herbst, Winter und Frühjahr, wenn die Sonnenstunden spärlicher sind und selbst große PV-Anlagen massiv an Leistung verlieren, braucht es Windkraft, damit sich auf Straßen und in Unternehmen die Räder weiterdrehen. Wir sind daher sehr stolz darauf, dass die ISO Software Systeme GmbH einen kleinen, aber durchaus wichtigen Teil zum Gelingen der Energiewende beiträgt.

Erfahren Sie mehr über die Lidar-Messbojen auf der Webseite des Fraunhofer-Instituts für Windenergiesysteme. Wenn Sie sich selbst ein Bild machen möchten, das Fraunhofer-Institut hat ein hochinteressantes Video zum Projekt gedreht und stellt darin beteiligte Menschen und Maschinen vor.

 

+++Quellen

Fraunhofer IWES: Lidar Buoy for flexible site Assessment

Fraunhofer IWES: Windenergie Bojenbroschüre 

Fraunhofer IWES: Windenergie Video 

 

Hier Kontakt mit unserem ISO-Experten aufnehmen