Energietechnik: Robotik für erneuerbare Energien

Ein Remus AUV wird in den Corran Narrows eingesetzt. Foto von MarynSol.

Der Windpark Gwynt Y Mor. Foto von Rovco.

Ein C-Cat 3 von ASV Global wird für ADCP-Arbeiten im Sound of Islay verwendet. Foto von MarynSol. Ein C-Cat 3 von ASV Global wird für ADCP-Arbeiten im Sound of Islay verwendet. Foto von MarynSol.

Ein C-Cat 3 von ASV Global wird für ADCP-Arbeiten im Sound of Islay verwendet. Foto von MarynSol.

Islay Sound ADCP-Daten. Bild von MarynSol.

Rovco startet ein ROV bei einer Windpark-Umfrage. Foto von Rovco.

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Mit dem Ausbau der globalen Flotte von Offshore-Flotten für erneuerbare Energien werden auch die Wege zur Kostenreduzierung und zur Steigerung der Effizienz und Sicherheit von Betriebs- und Wartungsarbeiten mithilfe von Robotik und autonomen Systemen zunehmen. Elaine Maslin berichtet.

Robotik und autonome Systeme bewegen sich in viele Bereiche des modernen Lebens. Es wird immer schwieriger, sie zu vermeiden, von unseren Handys bis hin zu Automobilsystemen und jetzt Offshore-erneuerbaren Energieprojekten.
Beide werden als Werkzeuge angesehen, um ansonsten dumpfe, schmutzige oder gefährliche Arbeit ohne menschliches Zutun auszuführen, aber auch als eine Möglichkeit, die Betriebskosten zu senken und zuverlässigere wiederholbare Daten zu erzeugen.
Erneuerbare Meeresenergie wird als ein Raum angesehen, der reif für Innovationen in diesem Bereich ist, insbesondere im Bereich Betrieb und Wartung (O & M), eine weitgehend menschenintensive Tätigkeit, die durch Zugangsprobleme über und unter den Wellen begrenzt ist.
HOME Offshore (Ganzheitlicher Betrieb und Wartung von Energie aus Offshore-Windparks), ein Konsortium von Universitäten, die an entfernten und autonomen Inspektionstechnologien für die Inspektion von Unterwasserkabeln arbeiten, sagt, 80-90% der Kosten von Offshore-O & M werden durch Zugriffsanforderungen und diese Routine erzeugt Unterwasserinspektionen können langsam und kostspielig sein und beinhalten häufig eine manuelle Sichtprüfung mit großen Fehlerspannen.
Einige Inspektionserfordernisse waren nicht zu erwarten, einschließlich Probleme mit verfugtem Verbund, die laut dem Offshore Wind Accelerator (OWA) etwa 35-40% der installierten Monopilefundamente (größtenteils vor 2012 installierte Strukturen) durch die raue Meeresumwelt verursachten, ein Carbon Trust-Projekt, das von neun Offshore-Windentwicklern unterstützt wird. Viele der Strukturen, die nach 2012 gebaut wurden, werden auch eine Leistungsüberwachung benötigen, während neue Konstruktionen, wie etwa Mäntel, die unter Verwendung von geschweißten Knoten konstruiert werden, auch Inspektionsherausforderungen darstellen werden, sagt das OWA.
Darüber hinaus können derzeit 70% der Untersee-Stromkabelausfall-Modi nicht in-situ überwacht werden, was eine genaue Gesundheitsüberwachung verhindert, sagt die HOME-Offshore-Gruppe. "Durch die Integration von Technologien wie autonome Unterwasserfahrzeuge und fortschrittliche Sonartechnik erhalten wir einen neuen Einblick in den Zustand dieser Unterwasseranlagen", sagt Dr. David Flynn, Direktor der Smart Systems Group an der Heriot-Watt University und Mitglied der HOME Offshore-Gruppe.
Es wird einen großen Markt geben. Im Jahr 2017 wurden in Europa etwa 3,1 GW an neuer Offshore-Windkapazität installiert, das ist laut WindEurope, einer Handelsorganisation, die doppelte Kapazität, die 2016 installiert wurde. Bis 2020 erwartet WindEurope eine gesamte europäische Offshore-Windkapazität von 25 GW - mit der damit verbundenen Infrastruktur.
HOME Offshore schätzt, dass die Nutzung von Ferninspektion und Anlagenmanagement von Offshore-Windparks und deren Anbindung an die Küste bis 2025 allein im Vereinigten Königreich eine Branche mit einem Wert von bis zu 2 Milliarden Pfund jährlich sein könnte. Das britische Offshore-Erneuerbare-Energien-Katapult (ORE Catapult) geht davon aus, dass durch den Einsatz von Remote-Operationen Einsparungen von 20-40% erzielt werden können.

Oberfläche
Unbemannte Oberflächenschiffe (UAVs) könnten Teil der Lösung sein, für den Austausch von Teilen oder Personal, aber auch für Survey und Überwachung, Simon Cheeseman, Sektorleiter, Wellen- und Gezeitenenergie, bei ORE-Katapult (Offshore Renewable Energy) in Glasgow Anfang Mai. "USVs könnten verwendet werden, um kleine Ersatzteile zu betreiben. Es (ein USV) könnte in einem breiteren Wetterfenster arbeiten, niemand wird hungrig, und Sie können andere Sensoren für Kabelüberwachung und Sicherheit auf einer einzigen Mehrzweckplattform installieren. Es könnte andere Dinge ermöglichen, an die wir bisher nicht gedacht haben. "
Nach Angaben von ASV Global, einem autonomen Schiffversorger, betreffen 60% der Betriebskosten von Offshore-Windparks Schiffe. Ein £ 900.000 Innovate UK unterstütztes, 18-monatiges Projekt namens Windfarm Autonomous Ship Project (WASP) untersucht, was benötigt wird, um USVs bei der Wartung von Offshore-Windparks zu nutzen. WASP wird von ASV Global in Zusammenarbeit mit dem ORE Catapult, der SeaRoc Group, Houlder und der University of Plymouth geleitet. Die Gruppe wird mit Ørsted (früher Dong Energy) an Anwendungsfällen arbeiten, die für den Offshore-Windpark Hornsea One relevant sind, 140 km vor der Küste von Yorkshire.
Zu den technischen Herausforderungen für autonome Systeme sowohl an der Oberfläche als auch unter Wasser gehören die Fähigkeit zur Navigation, Hindernisvermeidung, Selbstdiagnose und -wiederherstellung sowie die Integration autonomer Systeme in bemannte maritime koordinierte Systeme, sagt Cheeseman. Es gibt auch Bedenken in Bezug auf Datensicherheit und Hacking, die zu Schäden an einem Transformator oder einer Unterstation führen können, sowie an gesellschaftlichen Bedenken in Bezug auf autonome Systeme.
USVs und AUVs werden jedoch bereits bei Offshore-Erneuerbaren im Rahmen von Erhebungen eingesetzt. Das in Edinburgh ansässige Unternehmen MarynSol nutzt USVs zur schnellen Untersuchung von Gezeitensystemen, um Machbarkeitsstudien und das Array-Design für Gezeitenkraftwerke zu unterstützen.
Der Direktor der Firma, Dr. Jonathan Evans, sagte gegenüber All Energy, dass die Verwendung eines USV, wie der C-Cat von ASV Global, oder eines autonomen Unterwasserfahrzeugs (AUV), wie ein Remus, mit einem Sensorpaket und MarynSol SeaSmart-Software schnelle Mobilität bedeuten kann Beobachtungen und automatisierte Verarbeitung und Berichterstattung.
"Der Einsatz von Robotik-Marinefahrzeugen als Umfrageplattform reduziert die Einschränkungen, die durch Kosten, Risiken und körperliche Ausdauer der Besatzung verursacht werden", sagt er. "Die Automatisierung der Datenverarbeitung reduziert die Kosten und Fehlerrisiken bei der manuellen Bearbeitung / Verarbeitung der Daten."
Mit einem konventionellen Ansatz würde ein statischer ADCP auf einem Schiff verwendet werden, was eine Crew erfordert, normalerweise an einem einzigen Ort (oder zwei oder drei, wenn Sie sehr viel Glück haben) für mindestens einen Mondmonat, gefolgt von einer Woche (oder mehr) ) von Post-Processing-Reporting ohne direkte Beobachtungen über die gesamte Array-Website und Sie können nur ein Flächensimulationsmodell an einem Standort validieren, sagt Dr. Evans.
Die Verwendung von SeaSmart und einem mobilen ADCP auf einem Seefahrzeug (AUV oder USV) bedeutet, dass der gesamte potentielle Array-Standort abgedeckt werden kann. "Es kann bestimmte Gezeiten über einen kurzen Zeitraum (3-4 Tage) gezielt angreifen", sagt Evans. "Es hat eine hochgradig automatisierte Nachbearbeitung von Daten, um eine Validierung des großflächigen Modells und schnelle Ergebnisse zu liefern - normalerweise innerhalb von einer Stunde oder weniger, was zusätzliche sofortige Folgeuntersuchungen ermöglicht."
Ende April verwendete MarynSol eine C-Cat3 im Sound of Islay North Channel. Es lief wiederholt Beine um den Sound, dann wurden die Daten gestapelt und konnten geschnitten und ein Video produziert werden. Es zeigte sich viel interne Struktur in den Daten, sagt Evans, "Wasser überfließend über Bathymetrie, 3-4m / sec an einigen Stellen, mit interessanten Scherprofilen."

Visualisierung
Eine Reihe von Projekten konzentriert sich auf Unterwasser-Visualisierungstechnologien, die von Unterwasserfahrzeugen unterstützt werden, um Offshore-erneuerbare Energieanlagen zu bewerten. In einem OWA-Projekt wird Kraken Robotics sein SeaVision 3D-RGB-Unterwasser-Laser-Imaging-System auf Fundamenten demonstrieren. Ein erstes System mit einer hochauflösenden Kamera und einem Laser zur Erstellung von Punktwolkenmodellen wurde für den Einsatz auf Unterwasserrobotern wie ROVs und AUVs entwickelt.
Ein weiteres Projekt mit Unterstützung von ORE Catapult wird Rovco aus Bristol sein, seine 3D-Visualisierungstechnologie mit Unterwasser-Robotiksystemen zu nutzen, um Offshore-Windfundamente abzubilden, unterstützt durch Software mit künstlicher Intelligenz, um die Inspektionskosten um 80% zu senken. Im National Renewable Energy Centre von ORE Catapult in Blyth, Nordostengland, wurde ein System auf volle Tests und Validierung umgestellt.
Fugenmasse
Um die Probleme rund um Fugen- und Schweißfehler bei Monopiles und Mänteln anzugehen, unterstützt das OWA eine Reihe von Unterwassertechnologie-Entwicklern, einschließlich Oceaneering. Das in den USA ansässige Unternehmen ist einer von zwei Herstellern, die bei der Entwicklung von Schweißtechnologien für die Schweißnahtprüfung von Schweißkonstruktionen unterstützt werden. Oceaneering hat ein Werkzeug angeboten, das an der Jacket-Struktur angebracht wird, um einen detaillierten Scan von Knotenschweißungen durchzuführen. Kraken Robotics hat unterdessen ein Laser-Bildgebungsgerät entwickelt, das auf einem ROV eingesetzt werden kann und Lokalisierungsfehler finden kann, bevor das gezieltere Oceaneering-Tool zum Einsatz kommt.
Im Rahmen desselben Projekts entwickeln Uniper und Next Geosolutions Unterwasser-Monopile- und Fugeninspektionstechnologien. In Zusammenarbeit mit dem British Geological Survey bietet Uniper ein Werkzeug für die niederfrequente Ultraschallprüfung bei der Wellenlänge der Fugenstärke an. Spektralreflexionen von dem Ultraschall können interpretiert werden, um Lücken oder eine Auflösung in dem Mörtel zu zeigen.
Als nächstes entwickelt Geosolutions im Rahmen eines Konsortiums mit Hydrasun und Ashtead ein Werkzeug zur Durchführung von Unterwasser-Injektionsinspektionen unter Verwendung von Breitband-Sonarinspektion, die von Flaschennasen-Delfinen inspiriert wurde. Dies wird den Mörtelzustand zwischen den Stahlkomponenten des Mantels untersuchen. Offshore-Versuche für alle OWA-unterstützten Technologien sind für diesen Sommer / Herbst 2018 geplant.

Unterwasserkabel
Die Überwachung von Unterwasserkabeln kann eine schwierigere Aufgabe sein. Während die meisten Offshore-Windparks in seichten Gewässern gebaut wurden, relativ nah an der Küste, ist die Sichtweite schlecht und es gibt oft starke Strömungen. Stromkabel sind in der Regel mit Sand, Schlamm oder Schlamm bedeckt oder bedeckt, was die Überwachung mit herkömmlichen Methoden erschwert. Sandbänke in der südlichen Nordsee können sich auch dramatisch über Nacht verschieben.
AUVs könnten ein Schlüsselinstrument in dieser Entwicklung sein. Laut ORE Catapult können Betreiber von Offshore-Windparks, die AUVs verwenden, ihre Energiekosten (LCOE) um 0,8% senken. Mit dieser Kosteneinsparung für einen repräsentativen Offshore-Windpark von 400 MW wird eine Senkung der Stromgestehungskosten um 0,8% zu Kosteneinsparungen von 1,6 Mio. GBP pro Jahr führen, so die Organisation. In den nächsten 25 Jahren könnte dies bei den derzeitigen 11 GW installierter Kapazität in Europa 1,1 Mrd. GBP erreichen.
Eines der Projekte in diesem Raum ist das in Darlington ansässige AUD-Dockingstation-Projekt Modus Seabed Intervention (siehe MTR: Mai 2018), das vom ORE Catapult unterstützt wird. Dies zielt darauf ab, dass Fahrzeuge vor Ort bleiben, um Offshore-Windpark-Unterwasserinfrastruktur zu inspizieren und zu inspizieren, anstatt von Unterstützungsschiffen unterstützt zu werden.

Neue Grenzen
Die Inspektionsmöglichkeiten werden sich weiter öffnen, da sich im Offshore-Bereich erneuerbarer Energien neue Grenzen öffnen, nicht zuletzt bei schwimmendem Offshore-Wind. Während es derzeit nur einen Offshore-Windpark mit Pilotbetrieb gibt, den Hywind-Park von Statoil in der Nähe von Peterhead, Schottland, mit fünf schwimmenden Windturbinen, wird das globale Potenzial als signifikant angesehen. Mit mehr Unterwasserkomponenten als Festboden-Windturbinen, einschließlich Rümpfen, Festmacherleinen, Ankern und Verkabelung, gibt es möglicherweise mehr Arbeit, die hier getan werden muss.
In der Tat wurde Oceaneering International Services kürzlich als Beitrag zur Carbon Trust-geführten Joint-Venture-Industriepartnerschaft (Joint Impactable Wind Partnership Partnership, JIP) ausgewählt, um die Überwachungs- und Inspektionserfordernisse für schwimmende Windprojekte zu bewerten.
Offshore Erneuerbare Energien sind ein aufstrebender Markt im Bereich O & M. Je mehr Anlagen gebaut werden, desto stärker wird der Einsatz robotischer und autonomer Systeme im Rahmen ihres Betriebs und ihrer Wartung.