Rapport FRA Megavind November Komponenter og delsystemer i vindmøller

Transkript

1 Rapport FRA Megavind November 2012 Komponenter og delsystemer i vindmøller

2 indhold 1. Forord Vision og formål Fokusering og afgrænsning strategiske anbefalinger samspillet i værdikæden Samarbejde om udvikling i værdikæden Systematisk indsats for forbedring af pålidelighed de ønskelige kompetencer Rammebetingelser Afprøvning og demonstration af komponenter og systemer Standardisering tekniske indsatsområder Billeder til forsiden: Siemens Wind Power KeenPress kk-electronic Billeder til bagsiden: LM Wind Power, Wind Power Works Bent Nielsen 2

3 1 Forord Regeringen fremlagde i maj 2006 en redegørelse om fremme af miljøeffektiv teknologi og etablerede derved en række partnerskaber for innovation, der skal styrke offentlig-privat samarbejde mellem staten, virksomheder, videninstitutioner for at accelerere innovationsprocesser inden for en række teknologiområder. Partnerskabet for vindkraft har navnet Megavind. Megavind har siden 2007 udarbejdet en række strategier, der anviser indsatser til styrkelse og acceleration af innovationen inden for vindkraft med konkrete anbefalinger til stat, videninstitutioner og virksomheder. Styregruppen består af repræsentanter fra: Vestas Wind Systems A/S siemens Wind Power A/S dong Energy COWI A/S Fritz Schur Energy A/S dtu Vindenergi aalborg Universitet energinet.dk (observatør) energistyrelsen (observatør) De seneste strategier fra Megavind er en offshorestrategi, som satte målet om en 50% Cost of Energy (CoE) 1 reduktion på havvindkraftværker i 2020, og en opdatering af strategien Vindkraftværker i Energisystemet. Her er peget på en række emner inden for forskning, udvikling og demonstration (FU&D), som skal forbedre vindmøllernes samspil med elnettet. Denne rapport udgør Megavinds første strategi for komponenter og systemer i vindkraftværker. Strategien omhandler dels rammerne for samarbejdet i værdikæden og dels en række konkrete teknologiske indsatsområder. Udarbejdelsen af strategien er sket med assistance fra Tage Dræbye, Dræbye Rådgivning og Projektledelse ApS. Der er i strategiprocessen afholdt 2 seminarer for deltagere primært fra leverandørvirksomhederne, universiteter og vindmøllefabrikanter. Det første var i september 2011, hvor rammer og tekniske indsatser indledende blev diskuteret, og det andet var i juni 2012, hvor et udkast af strategien blev gennemgået og diskuteret. Derudover har strategiens tekniske indsatser været i en bredere høring hos leverandørvirksomheder, fabrikanter og universiteter. Den danske version af strategien findes kun i en forkortet udgave. Den engelske version indeholder en mere detaljeret gennemgang af de tekniske indsatser. 1 Cost of Energy er udtryk for forholdet mellem alle omkostninger i et anlægs levetid (kapitalomkostninger og driftsomkostninger) i forhold til anlæggets samlede energiproduktion. Formlen for beregning af CoE er: Cost of Energy = (Annualized CAPEX + Annualized OPEX) / Annual energy output (AEP) 3Megavind

4 2 Vision og formål Megavinds vision er, at Danmark, danske virksomheder og videninstitutioner skal fastholde positionen som verdens førende kompetencecentrum inden for vindkraft. Vindkraft er et område, hvor dansk industri har en global førerposition. For at fastholde virksomhedernes konkurrenceevne og samtidig fastholde offentlig og politisk støtte til en storskala satsning på vedvarende energi i Europa og resten af verden, er sat som overordnet målsætning, at vindkraft skal gøres økonomisk konkurrencedygtig med fossile brændsler inden 2020 Strategiens målsætning er at sætte fokus på de rammebetingelser og kompetencer, som komponent- og delsystemsleverandører skal have for at bidrage til en Cost of Energy (CoE) forbedring og samtidig øge konkurrenceevnen. CoE forbedringer Branchen har altid arbejdet for at nedbringe CoE, og denne er reduceret med mere end 80% siden de første møller blev stillet op for mere end 30 år siden 2. Kapløbet om at levere en stadig billigere teknologi har været afgørende for, at vindkraft kan konkurrere på lige fod med bl.a. fossile teknologier, både hvad angår effektivitet og pris. Den væsentligste faktor i at reducere prisen pr. produceret kwh (CoE) har været at øge størrelsen (kapacitet og rotordiameter), optimere effektiviteten, og minimere materialeforbruget for møllerne. De første tyve år af branchens historie har fabrikanterne derfor været presset til at skulle designe og levere en ny større mølletype ca. hvert 1-2 år. I takt med at vindkraft er blevet konkurrencedygtig med andre teknologier, har der det sidste årti været mere tid til at produktmodne eksisterende mølletyper. Flere modeller er også over årene blevet opgraderet med en større rotor i stedet for en højere generatorkapacitet. Figur 1: Udvikling i møllestørrelse over 35 år Et eksempel på forbedret CoE: Ved at sikre højere dokumenteret holdbarhed (pålidelighed) for en given komponent kan man øge møllens tilgængelighed (availability) og dermed dens årlige produktion (AEP), og samtidig nedbringe både vedligehold (OPEX) og de finansielle risikopræmier (CAPEX) forbundet med netop denne komponent. Komponentleverandøren vil således kunne opnå højere priser og/eller leverandøren kan sammen med fabrikanten tilbyde møller med lavere CoE. Der er dog stadig mulige CoE reduktioner at hente på mølleteknologien, også selv om møllerne på land forventeligt ikke bliver væsentligt større. Her er især designoptimering af eksisterende komponenter og systemer samt øget pålidelighed nøgleordene. Meget kan også hentes i effektiviseringer af samarbejdet i værdikæden herunder fokus på kernekompetencer og kombinationssalg, forbedrede produktionspro- 4 2 Vindmølleindustriens beregninger

5 cesser og øget brug af designkrav, standarder og benchmarking. Andre forbedringsmuligheder er knyttet til effektivisering af transport, opstilling og service. En anden væsentlig faktor er fabrikanternes udviklingsproces. Det vil sige den tid, det tager for fabrikanterne at designe og teste en ny prototype og dernæst en 0-serie, før møllen er klar til serieproduktion. Det kræver mange ressourcer over en lang periode at designe en ny mølle. Optimering af denne proces, så tiden f.eks. nedbringes fra 5 år til 2 år er et konkurrenceparameter hos fabrikanterne. Resultatet, at levere en driftsikker mølle til serieproduktion på kortere tid, bidrager også til at reducere CoE. Megavind er et partnerskab med fokus på forskning, udvikling og demonstration (FU&D). Udviklingssamarbejde og teknologiudvikling vil derfor være primære fokusområder for denne strategi. Det gælder især øget funktionalitet og pålidelighed for komponenter og delsystemer men også nye møllekoncepter. Med komponentstrategien ønsker Megavind at flytte fokus fra prisen på den enkelte komponent over på den samlede, relative omkostning forbundet med at levere kilowatt-timer. Samtidig ønskes udviklet metoder, som kan kvalificere og målrette arbejdet med at forbedre pris ydelsesforholdet knyttet til leveringen af de ønskede funktioner. Besparelser skal ikke udelukkende findes ved at gøre eksisterende komponenter billigere men også gennem optimering af funktionaliteten af de systemer, som komponenten indgår i. Man kunne forestille sig et re- designet delsystem med færre enkeltkomponenter, hvor funktionalitet og dermed CoE forbedres. En vindmølle består af ca kom-ponenter, og mange komponenter og delsystemer påvirker hinanden indirekte, selv om de ikke er direkte forbundne. Et eksempel herpå er lastoverførslen fra vingerne, som forplanter sig i hele møllen. Udvikling af mere intelligente pitch- og krøjesystemer kan nedbringe lasterne fra vingerne og muligvis øge rotordiameteren. Dette kan resultere i øget produktion eller der kan anvendes billigere nav og tårne, da materialemængderne kan nedbringes og dermed sænke CAPEX. 2.1 Fokusering og afgrænsning Udviklingsaktiviteter med henblik på optimering og effektivisering inden for et givet vindmøllekoncept er det helt centrale indsatsområde i strategien. Indsatsområdet omfatter såvel udvikling af samspillet i værdikæden som optimering og effektivisering af systemer og komponenter. Sigtet er at opnå forbedrede egenskaber i form af bedre opfyldelse af funktionskrav og mere pålidelige komponenter med øget levetid. Dog hele tiden med fokus på reduktion af CoE, så komponenter og systemer ikke bliver mere omkostningstunge end nødvendigt. Derfor vil det også være muligt for komponenter, der har en pålidelighed større end den krævede at reducere pålideligheden med evt. kost reduktion til følge. Dog er det vigtig, at dette vurderes i fra et delsystemperspektiv. Forbedringer på disse områder vil både kunne resultere i større produktion (forbedret funktion og øget oppetid), effektivisering (lavere omkostninger for at opnå en given funktion eller højere AEP) og nedsatte driftsomkostninger gennem større pålidelighed. Megavind Effektivisering af produktionen herunder serieproduktion og montering kan levere et yderligere bidrag. Mange leverandørvirksomheder har investeret i en kostbar maskinpark for at nedbringe lønomkostningerne i produktionen. Dog er produktionsoptimering i sig selv et meget omfattende emne, som ikke vil 5

6 blive behandlet indgående, da denne strategi omhandler innovation og udvikling. Men produktionsegnet set fra et standardiserings- og modulariseringsperspektiv (se afsnit 3.3.2) kan godt være en krævet egenskab, hvorfor dette element også kan være relevant. Det gælder også tiltag til at sikre en ensartet kvalitet i produktionen og dermed en forbedret pålidelighed. Der skal dog her være fokus på, at kontrolkrav til komponenter og systemer ikke er overspecificerede, så leverandørvirksomhederne påføres større omkostninger end nødvendigt, og CoE dermed stiger. Udgifter til opstilling af møller, som f.eks. transport, leje af kraner og tilhørende services omfattes kun indirekte af denne strategi. Installationsvenlige design af komponenter er et emne, der kan have endog stor indflydelse på CoE, og som derfor er relevant i udviklingsprocessen. Drift og vedligehold repræsenterer et stort forbedringspotentiale og er fuldt ud omfattet af strategien. Udviklingsmæssigt hænger det sammen med optimeringen af pålidelighed og levetid inden for et givet vindmøllekoncept. Foto: Andresen Towers A/S 6

7 3 Strategiske anbefalinger Komponentstrategien omfatter aktiviteter inden for fire indsatsområder: Samspillet i værdikæden. Samspillet i værdikæden mellem energiselskaber, fabrikanter og leverandører og mellem leverandørvirksomhederne indbyrdes Den enkelte virksomhed. Den måde, hvorpå den enkelte virksomheds ressourcer og kompetencer bringes i spil, herunder udvikling af nye kompetencer og forretningsområder rammebetingelser. Omfatter en række forskellige forhold, som betinger virksomhedernes udviklingsmuligheder (markeder, konkurrence, avanceret efterspørgsel, viden fra forskning og udvikling, uddannelse, standardisering og informationsinfrastruktur, faciliteter til afprøvning og demonstration) Optimering og effektivisering af funktioner. Tekniske indsatsområder, som rummer et potentiale for reduktion af CoE Det er forventningen, at leverandører af komponenter og systemer gennem optimering og effektivisering på disse fire områder kan levere en væsentlig del af en mulig CoE forbedring. Strategiens hovedspørgsmål er, hvilke aktiviteter, der skal til for at skabe de forbedringer inden for funktion, pålidelighed og levetid, som resulterer i CoE forbedring. 3.1 Samspillet i værdikæden Strategisk mål: At skabe forudsætninger for et mere effektivt innovationssamarbejde i værdikæden. En virksomheds konkurrenceevne er for manges vedkommende tæt forbundet med dens innovationsaktiviteter. Det kan være innovation i virksomheden alene, i virksomhedens samspil med andre virksomheder i værdikæden, i virksomhedens samspil med videninstitutioner og købere, eller uden for værdikæden virksomhedens rammebetingelser. På alle områder er der både tekniske innovationspotentialer og mulighed for forbedring af processer og samspil. Strategiens fokus er derfor på et forbedret udviklingssamarbejde i værdikæden. Tendensen i branchen er, at værdikæden fremover opdeles i hierarkier, hvor der i højere grad outsources flere systemleverancer til centrale leverandører. Fabrikanternes mål er at nedbringe antallet af leverandører for bl.a. dermed bedre at kunne sikre kvaliteten af de komponenter, som leveres. Resultatet kan blive en lille gruppe af leverandører, som leverer hele systemer til fabrikanterne og dermed inddrages tættere i udviklingsprocessen. Det vil også betyde, at en større gruppe virksomheder længere nede i hierarkiet kommer længere væk fra slutkunden (fabrikanten) men i stedet skal lave udviklingssamarbejde med systemleverandørerne. 7Megavind

8 Strukturændringer i værdikæden Figur 2: Leverandørerne vil i højere grad opdeles, så udvalgte leverandører bliver systemintegratorer og får ansvaret for samarbejdet med deres underleverandører for levering af delsystemer til fabrikanter (Kilde: Houmann og Drejer, Udvikling og omstilling i vindmølleindustrien) Hidtil: Almindelige leverandører Kommende: Systemintegrerende leverandør Fabrikanter Specialiseret supply chain management funktion Kommunikation og samarbejde mellem fabrikanter og komponent- og systemleverandører kan forbedres. Der er behov for en større vidensudveksling og samarbejde, således at misforståelser mellem leddene i værdikæden undgås. En forbedring og effektivisering af dette samarbejde om at levere en ønsket funktionalitet er et af strategiens omdrejningspunkter. Konkret kan en forbedret vidensudveksling, bl.a. om de specifikke påvirkninger i vindmøllen, der er en del af forudsætningen for at kunne forbedre komponenters og systemers egenskaber, have en markant indflydelse på reduktion af CoE Samarbejde om udvikling i værdikæden Delmål: beskrivelse af udviklingsprocesser, som fremmer innovation og forbedrer effektivitet i udviklingen og derigennem bidrager til en reduktion af CoE Forbedring af samarbejde mellem leverandørvirksomheder indbyrdes og mellem leverandørvirksomheder og fabrikanter omkring funktionsbaserede systemer at skabe grundlag for god kommunikation mellem værdikædens virksomheder om såvel udvikling som fremstilling af komponenter og systemer gennem en funktionsbaseret, veldefineret og entydig og fælles terminologi Traditionelt har det i branchen været således, at fabrikanterne alene står for at designe en ny mølletype og på basis af dette designgrundlag afleverer specifikationer til leverandørvirksomhederne med krav til de enkelte komponenters eller systemers egenskaber. Inddragelse af leverandørvirksomhederne i design og udvikling af nye komponenter har været forbeholdt enkelte leverandører af hovedkomponenter. 8

9 Der er i leverandørleddet en stor specialviden om de enkelte komponenter, som ikke udnyttes til fulde i udviklingen af nye komponenter og systemer. Informationsdelingen begrænses af, at fabrikanterne ikke i tilstrækkelig grad deler data med leverandørerne. En forklaring kan være, at fabrikanterne har et ønske om at beskytte kerneviden, idet mange leverandører leverer til flere forskellige fabrikanter, og denne viden derfor potentielt kan gå videre til konkurrenten. Der vil dog være flere måder at forbedre udviklingssamarbejdet på, uden at fabrikanterne nødvendigvis behøver at udlevere kernedata. En anden forklaring kan være, at der i leverandørleddet skal opbygges en større viden om de systemer, som komponenten indgår i, før denne informationsdeling kan finde meningsfuldt sted. Envision Energys danske vidensleverandørnetværk set fra leverandørernes synspunkt Figur 3: Figuren viser et eksempel på, at mange danske leverandører har flere fabrikanter blandt deres kunder. (Kilde: Houmann og Drejer, Udvikling og omstilling i vindmølleindustrien) Deler ikke viden med Siemens eller Vestas Deler viden med Siemens og Vestas w Deler viden med Vestas Deler viden med Siemens Branchens virksomheder har alle beskrevne udviklingsprocesser, som bruges internt i virksomheden. Mange af disse er nogenlunde ens og sikrer, at produktet er gennemtestet inden det sendes i produktion. Dog kan der være forskel på terminologi og krav om dokumentation af forskellige afprøvninger. Denne forskel kan give støj i kommunikationen mellem fabrikant og leverandør. Megavind 9

10 V-modellen V-modellen er et eksempel på en velegnet struktur til beskrivelse af nogle af de elementer, der indgår i optimering af samspillet om udvikling i værdikæden (mellem vindmøllefabrikanter på den ene side og leverandører af systemer og komponenter på den anden). Afhængig af kompleksiteten i udviklingen vil der forekomme modifikationer af processen, hvori antallet af faser reduceres. V-modellen anvendes på en komponent eller et system. I en samlet udviklingsproces for en mølle vil der således skulle gennemløbes flere forløb med anvendelse af V-modellen. V-modellen kan også anvendes i beskrivelsen af samspillet mellem developer/ejer på den ene side og vindmøllefabrikanterne og leverandørvirksomhederne på den anden. Fordele ved anvendelse af V-modellen er knyttet til den løbende verifikation, som er tilpasset udviklingsprocessens forskellige faser. Herved sikres, at der ikke bruges ressourcer på udviklingsaktiviteter, som ikke opfylder grundlæggende krav. Innovationsidé (koncept) Kravspecifikation Accepttest Produktdesign Systemkrav Systemdesign Komponentdesign Komponenttest Systemintegrationstest Komponentintegrationstest Systemtest Valg af koncept Komponentproduktion 0-serie Kravspecifikationer fra vindmøllefabrikanterne kan indeholde krav til dokumentation af forhold, som leverandørerne enten ikke kan fortolke eller ved, hvordan man skal teste for. Hvordan påviser man eksempelvis 20 års pålidelighed for en hydraulisk cylinder? En måde at imødekomme dette på kan være, at leverandører af delsystemer i fællesskab udarbejder en ordbog, hvor begreber og terminologi er defineret, herunder hvordan test gennemføres og dokumenteres. Man kan også forestille sig tilpassede specifikationer fra fabrikanterne, hvor design af test og dokumentation er klart defineret. En væsentlig mulighed for at styrke interaktionen i værdikæden er at forbedre de ydre betingelser for interaktionen gennem: Fælles verificerings- og valideringsmetoder (Standardiserede tests og målemetoder) Fælles værktøjer (f. eks. tilpassede HALT/HASS/HAST/QALT eller FMEA metoder) 3 Fælles begreber vedrørende funktionskrav (Specifikation af funktioner) Fælles definitioner ved detaljerede tekniske krav (Tekniske specifikationer) En fælles terminologi skal i størst muligt omfang have referencer til eksisterende standarder herunder særligt IEC serien af standarder. Og den kunne desuden danne afsæt for et dansk initiativ til udvikling af en informationsstandard for vindkraftteknologi (se afsnit 3.3.2). Anbefaling: Der iværksættes et arbejde med udvikling af og dialog om en veldefineret fælles terminologi og udarbejdelse af fælles valideringsværktøjer. Udviklingen bør gennemføres inden for rammerne af et eller flere konkrete udviklingsprojekter med udgangspunkt i de delsystemer, som nævnes under punkt 3.4. Vindmølleindustrien tager initiativ til dette arbejde HALT: Highly Accelerated Life Test. HASS: Highly Accelerated Stress Screening. HAST: Highly Accelerated Stress Test. QALT: Quantitative Accelerated Life Test. FMEA: Failure Mode Effect Analysis

11 3.1.2 Systematisk indsats for for bedring af pålidelighed Delmål: Udvikling af fælles metoder til estimering, vurdering og dokumentation af pålidelighed Vigtige elementer i at skabe større pålidelighed er: Dels en bedre identifikation af kritiske, dimensioneringsbestemmende forhold Dels metoder til vurdering af pålideligheden af kritiske komponenter og delsystemer Dels fælles metoder til dokumentation af pålidelighed Dette inkluderer beskrivelse af fælles metoder til verifikation af pålidelighed på basis af tests. Udover estimering af pålidelighed i form af svigtrater er det også væsentligt at opnå information om hvilke usikkerheder, der er bestemmende for komponenternes pålidelighed og dermed forudsigelighed af komponenternes levetid. Endvidere er det af hensyn til evt. planlægning af forebyggende vedligehold vigtigt at have en model for skadesvirkningen, og at denne kan observeres ved hjælp af indikatorer. For leverandører til de enkelte delsystemer er det vigtigt at have et solidt kendskab til hinandens komponenter og den gensidige afhængighed, der er imellem disse i et givet system. Det kan sagtens være, at det er en fejl hos komponent A eller B, som får komponent E til at fejle. Der er behov for en erfaringsopsamling fra de virksomheder, som forestår vindmølledriften (fabrikanter og ejere), og der er brug for at udnytte resultaterne af gennemførte studier af pålidelighed. Det er vigtigt, at erfaringer og resultater gøres umiddelbart sammenlignelige, således at forståelsen er entydig i hele værdikæden. Planlagt service og vedligehold i forbindelse med drift og vedligehold er en vigtig udgiftspost og tænkes derfor ind i udviklingen. Dokumentation af pålidelighed udgør en stor fremtidig udfordring og skal ses i en livscyklus betragtning, hvor CoE maksimeres, og hvor stor forudsigelighed af levetiden kan være vigtigere end en lav svigtrate. For at kunne planlægge condition based preventive vedligehold optimalt, kræves information om skadesudvikling før brud (eller en indikator på denne). Det er ikke nok med information om svigtrater. Der er andre brancher, som har arbejdet længere med pålidelighed end vindkraftbranchen, og der vil være metoder og værktøjer som også med fordel kan bruges i vindmøllesammenhæng. Anbefaling: Der udvikles metoder til estimering og vurdering af levetid og pålidelighed og til ensartet rapportering af pålidelighed. Dette kan gøres ved at have øget fokus på forskning og udvikling i pålidelighed og test på universiteterne, og ved at iværksætte et projekt, hvor man kigger på metoder og værktøjer for dokumentation af test og pålidelighed. Industri og universiteter indleder et projektsamarbejde om dette. Megavind 11

12 3.2 De ønskelige kompetencer Der er under udarbejdelsen af strategien konstateret, at der er betydelige forskelle på komponent- og systemleverandørers kompetencer i relation til vindmølleteknologi. Nogle virksomheder har leveret komponenter til møller i alle de år, der har været en industri for dette, andre er først kommet til inden for det sidste årti, hvor vækstraterne har været særligt høje. For en række leverandørvirksomheder vil udvikling af kompetencer derfor være et vigtigt indsatsområde. Ønskelige kompetencer skal forstås som de kompetencer, som fabrikanter og leverandørvirksomhederne skal råde over for at fungere som kvalificerede samarbejdspartnere. I denne strategi er fokus primært på teknisk viden og udviklingsprocesser. Strategisk mål: At udvikle aktuelle og potentielle leverandørvirksomheder til kvalificerede leverandører til vindmølleindustrien, og at fabrikanterne udvikler kompetencerne til at hjælpe leverandørvirksomhederne med dette Gruppen af leverandørvirksomheder består bl.a. af virksomheder, der har en lang tradition for at fremstille vindmøllekomponenter og systemer. I vid udstrækning har opgaverne som tidligere nævnt været baseret på ordreproduktion med detaljerede specifikationer fra vindmøllefabrikanterne. Der er tradition for en betydelig, ad hoc baseret dialog om problemstillinger knyttet til udviklingsprocessen. Udnyttelsen af de specialiserede teknologiske kompetencer hos leverandørvirksomhederne i udviklingsprocessen må imidlertid vurderes som værende utilstrækkelig. Omvendt vil det for en række leverandørvirksomheder kræve en yderligere udvikling, hvis de skal gå ind i rollen som system- eller delsystemleverandører. Der er et behov for, at leverandørerne prioriterer en opgradering af kompetencerne inden for test og verifikation af komponenterne. Det kan være at ansætte ingeniører med specifikt kendskab til at teste og dokumentere komponenter eller brug af eksterne konsulenter til at levere testdesign og dokumentation. Man kan også hos leverandørvirksomhederne efterspørge erhvervelse af en mere grundlæggende viden om møllen, som helhed og det miljø, som deres komponent eller system indgår i. Modsat skal fabrikanterne blive bedre til at lave kravspecifikationer, som evt. indeholder guidelines for test og verifikation og være parate til en tættere dialog om dette, så leverandøren har en rettesnor at gå efter. Det er en pris man må betale for at have det tættere samarbejde, og den pris vil ofte være, at man underkastes en kærlig, men fast vejledning hen imod at optimere sine produkter og processer, og det vil sige alt andet lige, så tror jeg, at det her kommer til at gå hen i retning af automobilindustrien [ ]. Og det stiller så nogle krav til sådan nogen som os [mølleproducenter], at vi skal kunne give dem [underleverandørerne] det modspil, og det kan vi ikke ordentligt endnu. 4 Anbefaling: Fokus på test og verifikations- arbejde på universiteterne, så der uddannes ingeniører med en særlig testbaggrund, som bl.a. dækker design, specifikation, pålidelighedsvurderinger m.m. Disse ingeniørretninger findes på udenlandske universiteter Citat fra rapporten: Udvikling og omstilling i vindmølleindustrien, Houmann s. 58.

13 3.3 Rammebetingelser De erhvervsøkonomiske rammebetingelser kan i sig selv bidrage til at skabe konkurrencefordele for virksomhederne. Adgang til state-of-the-art testfaciliteter kan gøre en betydelig forskel for både fabrikanter og leverandørers konkurrenceevne. Især virksomheder, som ikke har ressourcerne til at etablere egne større testfaciliteter, vil kunne høste store fordele ved at få adgang til faciliteter og konsulentbistand, som kan bidrage til at teste og dokumentere produkterne også i større systemer. Derudover er et fælles standardiseringsarbejde også overordnet set til gavn for branchen, idet det vil sikre en ensartet kvalitet af produkterne afprøvning og demonstration af komponenter og systemer Delmål: Forbedring af mulighederne for afprøvning og demonstration af moduler og systemer herunder f.eks.: Elektriske systemer Hydrauliksystemer Styringssystemer Kølesystemer Leverandørvirksomhedernes muligheder for fuldskala afprøvning og demonstration (afprøvning under virkelige omstændigheder) er i dag typisk afhængige af et samarbejde med fabrikanterne. Der er behov for at skabe bedre muligheder gennem etablering af testfaciliteter. Flere faciliteter er under etablering, men en fælles udfordring er finansieringen af faciliteterne. Faciliteter og deres finansiering kan med fordel organiseres i samarbejde mellem leverandørvirksomhederne og relevante vidensinstitutioner. En mulighed er, at leverandørvirksomhederne går sammen i et konsortium og i fællesskab køber en mølle, hvor man kan teste sammen på systemniveau. Dette samarbejde foregår allerede, hvor flere leverandører er gået sammen om at opstille en testmølle på prøvestationen Høvsøre. En anden mulighed ville være at få et samarbejde med en af branchens developere og få adgang til at lave systemafprøvning på en af disses møller. Vindmøller opstilles over hele verden og i meget forskellige miljøer fra -40 til +50 grader celsius, i arktiske egne, i ørkener og på havet. Der stilles derfor store krav til komponenternes evne til at klare bl.a. kulde, varme, fugt og korrosion. Flere leverandører laver selv mindre klimatests på deres komponenter, men det ville være til gavn for mange, hvis man som leverandør havde adgang til at kunne teste større systemer i et stort klimakammer. Anbefaling: At der ydes offentlig støtte til etableringen af faciliteter til storskala klimatest Anbefaling: At leverandører i højere grad samarbejder med mølleejere om at teste delsystemer på eksisterende møller. Megavind 13

14 3.3.2 Standardisering Begrebet standardisering dækker over både offentlige standarder (IEC, ISO, DS, DIN etc.) samt over standardiserede produkter, altså et forsøg på at opnå fordele ved at minimere antallet af varianter. Offentlige standarder beskriver ofte krav til kvalitet og sikkerhed. Delmål: at fremme arbejdet med standardisering og modularisering af komponenter og systemer, så stykprisen minimeres, funktionalitet optimeres, fleksibilitet øges og pålideligheden optimeres, og der kommer en ensartet kvalitet i produktionen En anvendt terminologi tager udgangspunkt i formålene med standardiseringen: Kompatibilitet og grænseflader. Standarder på dette område fastlægger betingelserne for, at et produkt kan fungere i den sammenhæng, som det placeres i. Det kan være simpel geometrisk kompatibilitet, og det kan være en standardisering af data grænseflader/koblinger. Minimums kvalitet, grundlæggende sikkerhedskrav. Dette er ofte indholdet i den offentlige standardisering. Det er typisk, at disse standarder også anvendes som grundlag for regulering inden for sundhed, sikkerhed og miljø. Eftersom der typisk er tilknyttet målemetoder, er de også anvendelige som grundlag for specifikation af krav fra køber. Reduktion af antallet af varianter. Dette er forbundet med economy of scale i produktionen og opnåelse af et større antal enheder i serieproduktion og dermed en mindskelse af produktions- og logistikomkostninger, dette kan eksempelvis gøres gennem modularisering 5. informationsstandarder. Indeholder standardiserede definitioner af en række hyppigt anvendte begreber og kan således bidrage til forankring af et fælles sprog i form af en særlig brancheterminologi knyttet til tekniske dokumenter og til handelsdokumenter. Standarder og standardisering kan opstå fra forskellige typer processer: De facto standardisering, der typisk forekommer, når en markedsledende aktør selv sætter standarderne og andre derefter anvender denne standard. industristandarder, der er baseret på et samarbejde mellem aktører i en bestemt branche eller sektor og som ikke har deltagelse af standardiseringsinstitutioner. Offentlige standarder, som varetages af internationale (IEC, ISO) og nationale (DS, DIN) standardiseringsorganisationer. Det skal i denne forbindelse understreges, at de gængse tekniske standarder ikke i sig selv er forpligtende for virksomhederne. De kan gøres forpligtende af det offentlige (gennem love og regler) eller af en køber (gennem krav om opfyldelse af givne standarder). Uden for begrebet standardisering ligger anvendelse af gængse, generiske komponenter og systemer, der ikke specielt er tilpasset anvendelsen i vindmøller (hyldevarer). I nogle tilfælde kan en standardiseringsproces for sådanne komponenter være relevant med det formål at beskrive de påvirkninger, som komponenterne skal modstå og de tilhørende målemetoder. Der er ønske om/behov for at udvikle specifikke standarder relateret til produkter og systemer. Der bør derfor iværksættes aktiviteter med henblik 14 5 modularisering handler om at bryde sine produkter og processer op i mindre og relativt uafhængige funktionelle enheder også kaldet moduler. Med den rigtige balance mellem fordelingen af funktioner i modulerne og standardisering af grænsefladerne mellem modulerne kan man opnå stor fleksibilitet i produktprogram og forsyningskæde.

15 på udvikling af vindkraftspecifikke standarder for komponenter og systemer på områder, hvor der er bred tilslutning til det. Disse standarder skal beskrive krav til sikkerhed og kvalitet. Brug af standardkomponenter vil i høj grad medvirke til at nedbringe CoE, da der så vil komme en helt anden stordriftsfordel i produktionen. Vindmøllebranchen opererer generelt med meget små styktal, der er for mange leverandørers vedkommende tale om meget få tusind på årsbasis, og det er ikke nok til for alvor at nedbringe produktionsomkostningerne. Det er ikke alle komponenter, som vil kunne standardiseres pga. forskellig designs og teknologivalg hos vindmøllefabrikanterne. Men der ville være meget at hente, hvis man standardiserede de funktioner, som ikke berører den enkelte møllefabrikants kernekompetencer her tænkes eksempelvis på fælles standarder for tårne. Man kunne også forestille sig, at fabrikanterne blev enige om den samme diameter for vingeroden og brug af ensartede bolte. Dette ville have en betydning for produktionen af nav mm. Kompatibilitet og grænseflader er et af de områder, som branchen har fokus på. Eksempler på denne type teknisk standardisering er geometrisk kompatibilitet og standardiserede data grænseflader mellem forskellige komponenter. Standardiserede metoder til verifikation af komponenters og systemers egenskaber er et andet område, som der er interesse for. Eftersom de påvirkninger, som komponenter og systemer møder i møllen, er specifikke for vindkraftteknologi, kan der opnås fordele ved at tilpasse de generiske test og verifikationsmetoder til vindkraft. Fokus bør være på at standardisere funktionaliteter, så man i højere grad giver leverandørvirksomhederne mulighed for at byde ind med mere innovative løsninger på, hvordan denne funktionalitet opnås. Dette er bl.a. sket for komponenter i mølletårne. Et offentligt program med støtte til en proaktiv indsats inden for standardisering rettet mod udvalgte komponenter og systemer vil understøtte kompetenceudviklingen af leverandørvirksomhederne. Anbefaling: Der iværksættes aktiviteter, som kan understøtte vindkraftspecifik standardisering og modularisering med fokus på kompatibilitet og grænseflader samt metoder til verifikation af egenskaber omfattende både industristandarder og offentlige standarder. Vindmølleindustrien tager initiativ til dette arbejde. Megavind 15

16 3.4 Tekniske indsatsområder Nogle af møllens delsystemer rummer større potential for CoE reduktioner end andre. Under delmålene i dette afsnit er opremset nogle af de indsatser, som rummer størst potentiale for dette. Delmål: Optimering af design/lastfordeling Substituering af de typisk anvendte materialer med nye (lavere vægt, billigere, bedre egenskaber) optimering og forbedring af møllens samlede styringssystem (optimeret lastfordeling, bedre og mere præcis måling af den indkommende vind) Nye komponenter i det elektriske system Der er stor forskel på, hvor meget den enkelte komponent eller delsystem fylder i den samlede kostpris for en vindmølle. De største poster udgøres af bl.a. vinger, tårn og gearkassen - for gearede møller og her vil et optimeret design henholdsvis kunne øge produktion, nedbringe materialeomkostningerne eller øge pålideligheden. Dette vil være med til at nedbringe CoE, når det kommer til møllens købspris (CAPEX). Andre komponenters kostpris fylder ikke meget i det store billede, men er til gengæld dyre set over møllens levetid, fordi de er skyld i driftstop og dermed nedsat produktion. Dette har været gældende bl.a. for diverse lejer placeret rundt omkring i møllen. Der er også eksempler på sensorer med en meget lav stykpris, som har været skyld i uforudsete møllestop med bekostelige produktionstab som resultat. Øget pålidelighed eller en sikker forudsigelse af levetid for den enkelte komponent eller delsystem, så man kan lave en forudset udskiftning i forbindelse med et planlagt servicebesøg vil medføre reducerede drifts- og vedligeholdelsesomkostningerne (OPEX). Selv om en komponent eller et system ikke fylder meget i efterfølgende lagkagediagrammer, kan en optimering af design eller funktion eller en sikker vurdering af levetid derfor alligevel bidrage betragteligt til nedbringelse af CoE. FOTO: Siemens AG

17 Fordeling af CAPEX på komponenter og delsystemer på mølleniveau Vinger 20% Nav og pitch system inkl. lejer 8% Lastregulering, sensorer og kontrolsystem (PLC) 4% Gearkasse 14% Hovedleje og hovedaksel 6% Transformer 3% Konverter 8% Generator og elektrisk system 8% Strukturelle elementer 6% Tårn 23% Figur 5: Megavinds estimat på fordelingen af CAPEX i % af hovedkomponenter og delsystemer i en vindmølle. Tallene er et estimeret gennemsnit af omkostningerne for møller ml. 1,5-3 MW. Vinger 22% Nav 2% Rotor lejer 1% Hovedaksel 2% Bundplade 3% Gearkasse 13% Generator 3% Krøjesystem 1% Pitchsystem 3% Konverter 5% Transformer 4% Bremsesystem 1% Nacellehus 1% Kabler (mølle til transformerstation) 1% Skruer 1% Tårn 26% Andet 11% Figur 6: EWEAs estimat på fordelingen af CAPEX i % af hovedkomponenter og delsystemer i en vindmølle baseret på en REpower MM92 (2 MW) mølle (Kilde: Wind Directions, januar/februar 2007) I den engelske version af denne strategi vil følgende delsystemer og deres funktioner blive beskrevet mere indgående, disse vil også rumme mere detaljerede anbefalinger af forsknings-, udviklings- og demonstrationsprojekter: FOTO: Vestas Wind Systems A/S

18 Komponenter og systemer Udviklingsmuligheder Vinger Aeroelastisk tilpasning hvor deformations mønstre bliver optimeret for at øge de aerodyna miske egenskaber og bedre kontrol af laster og udbøjninger Passiv regulering hvor der er en kobling mellem udbøjninger, vrid og løft Øget automatisering af produktionsprocesser Bedre materialer Aerodynamik og lastregulering inkl. pitch- og krøjesystemer Hurtigt bevægelige flapmekanismer som også bruges på flyvinger Mikrotab-systemer som styrer flowet rundt om vingen Morfing-strukturer hvor selve vingestrukturen ændrer form Nye vinge og rotorkoncepter Avancerede kontrolsystemer Forskellige typer individuel pitch Styring baseret på estimerede eller målte vindhastigheder, LIDAR etc. Forskellige avancerede styringsteknikker som: model predictive control, robust control, repetitive control Avanceret fejlfinding og fejlisolering samt fejltolerans styringer for at øge pålidelighed og oppetid Modelbaseret styring på parkniveau for produktionsoptimering eller produktions- og lastoptimering Optimering af komponenters levetid med størst mulig produktion Tilpasset styring, som tilpasser styringerne til møllens driftsforhold Styringer som bruger nye aktuatorer i vingerne 18

19 Komponenter og systemer Udviklingsmuligheder Mekanisk drivetrain, gear, lejer og smøresystemer Kompakt letvægts lejeophæng Gearkasser med opdelt drejningsmoment som tillader brugen af planethjul med en lille diameter, da drejningsmomentet er opdelt mellem flere gearstadier Gearkasseløsninger med bedre lastfordeling mellem flere end tre planethjul. Variable transmissionsgearkasser som kan eliminere energitab i kraftelektronik, da gearkassen kan kobles direkte til en mellemspændings synkron generator Stål såvel som smøringsløsninger til lejer og gearkasser, som egner sig til omgivelserne i en mølle Forbedrede condition monitoring systemer Elektriske systemer (transformer, generator, konverter) Transformere: Isolationsløsninger til offshore møller, hvor man bruger syntetisk ester som er ugiftig og biologisk nedbrydelig Transformere: Nye transformere som kan håndtere de nye store offshore møller og transmissionsforbindelser på eks. 66 kv Konvertere: Silikone karbid IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) løsninger Konvertere: Fler-niveau konverter koncepter Konvertere: Fejlsikrede systemer som kan køre ved reduceret kraft hvis en del af konverteren eller generatoren fejler Konvertere: Aktiv filtrering på nettet for at forbedre elkvalitet Generatorer: Nye koncepter, f.eks. mangepolede eller superledende generatorer på langt sigt Strukturelle elementer (nav, spinner, nacellehus og bundramme), kransystem) Supportstrukturer (tårne) 6 Brug af lettere materialer til eksempelvis bundrammen Nedbringe materialeomkostninger og vægt eksempelvis ved brug af hybridløsninger Megavind 6 med supportstrukturer menes kun tårne og fundamenter til landmøller. Fundamenter til havmøller er behandlet i Megavinds offshorestrategi fra december

20 Sekretariat: Vindmølleindustrien Rosenørns Allé 9, 5 DK-1970 Frederiksberg C Tel: danish@windpower.org