Stopel: Jak sztuczna inteligencja może wspierać rozwój lądowej energetyki wiatrowej
– Serwis i naprawa turbin wiatrowych to nieodłączny element funkcjonowania energetyki wiatrowej. W XXI wieku zadanie to może zostać powierzone sztucznej inteligencji (AI) i dronom, które są w stanie szybciej i taniej naprawiać usterki – pisze Michał Stopel, finalista II edycji programu grantowego SOFIA.
- Okresowe inspekcje stanu technicznego turbin wiatrowych pozwalają uniknąć nie tylko katastrofy w postaci całkowitego uszkodzenia turbiny wiatrowej, ale także spadku wydajności. Szacuje się, że każdy dzień, w którym turbina nie jest zdatna do użytku przynosi straty na poziomie od 800 do 1600 dolarów.
- Systemy SCADA zaimplementowane we współczesnych turbinach zbierają i przetwarzają sygnały z ponad 200 różnego rodzaju czujników w odstępach od 1 do 10 minut. Do zadań systemów SCADA należy również organizacja baz danych w czasie rzeczywistym, sygnalizowanie problemów i generowanie raportów. Znacząco ułatwia to interpretację danych i wykorzystanie ich do skutecznego monitorowania stanu technicznego.
- Drony są już powszechnie dostępne i pozwalają na realizację zadań serwisowych nie tylko bezpieczniej, ale szybciej i taniej. Szacuje się, że zastosowanie dronów pozwala na oszczędności rzędu 40 procent w porównaniu do inspekcji na linach.
Siła wiatru ma długą historię
Historia wykorzystania turbin wiatrowych w celu zasilania maszyn wykorzystywanych przez człowieka sięga czasów antycznej Grecji i starożytnego Rzymu. Wówczas energia pochodząca z wiatru wykorzystywana była w młynach oraz pompach. Pierwsze wzmianki na temat turbiny wiatrowej w rozumieniu współczesnym jako urządzenie służące do wytworzenia energii elektrycznej z wiatru miały miejsce w Danii, w miejscowości Ascov i datuje się je na rok 1891.
Wspomniana turbina osadzona była na wieży o wysokości dwudziestu trzech metrów, rozpiętość łopat wynosiła również dwadzieścia trzy metry i generowała moc od 5 do 25 kW.
Chińczycy pobili rekord
Obecnie największa funkcjonująca turbina wiatrowa na świecie to MySE 16-260 produkcji Mingyang Smart Energy (Rys. 2). Jest to offshorowa turbina wiatrowa, tzn., że przeznaczona jest do użytkowania poza obszarem lądowym. Została uruchomiona i podłączona do sieci elektrycznej w lipcu 2023 roku. Według danych producenta średnica łopat wynosi 260 metrów. Wysokość wieży, na której znajduje się jej gondola to 152 metry. Sama gondola waży 385 ton a każda z trzech łopat 54 tony.
Producent przewiduje, że turbina ta co godzinę będzie w stanie dostarczyć 66 GW energii do chińskiej sieci energetycznej zasilając 67 kWh energii, co powinno zaspokoić potrzeby blisko 80 tys. mieszkańców. Szacuje się, że jej wykorzystanie pozwoli również na zmniejszenie emisji CO2 o 56 tys. ton rocznie.
Serwis ponad wszystko
Głównym czynnikiem decydującym o popularności konkretnej technologii służącej do wytwarzania energii elektrycznej jest Uśredniony Koszt Energii (LCoE – Levelized Cost of Energy). Znakomitą jego część stanowi obszar określany jako Obsługa i Konserwacja (O&M – Operation and Maintenance). W przypadku turbin wiatrowych koszt O&M stanowi aż 25 procent całkowitego kosztu energii LCoE.
Okresowe inspekcje stanu technicznego turbin wiatrowych pozwalają uniknąć nie tylko katastrofy w postaci całkowitego uszkodzenia turbiny wiatrowej, ale także spadku wydajności. Co więcej, szybkie reagowanie na pojawianie się uszkodzeń pozwala skrócić czas przestoju turbiny co w konsekwencji bezpośrednio wpływa na wartość LCoE. Szacuje się, że każdy dzień, w którym turbina nie jest zdatna do użytku przynosi straty na poziomie od 800 do 1600 dolarów.
Obecnie w celu inspekcji stanu technicznego turbin wiatrowych (Condition monitoring – CM) głównie wykorzystuje się inspekcję bezpośrednią poprzez dostęp linowy lub na platformie, bądź pośrednią z zastosowaniem technik fotograficznych z ziemi z użyciem teleobiektywu. Każda z tych metod posiada zarówno wady jak i zalety. W przypadku analizy bezpośredniej niezaprzeczalną zaletą jest dokładność natomiast główną wadą czasochłonność oraz koszty związane z zatrudnieniem wykwalifikowanych osób i wysokim ryzykiem wykonywania operacji na dużej wysokości, czasem i w trudnych warunkach.
AI i drony mogą usprawnić prace
W przypadku metody fotograficznej z ziemi zaletą jest wyższe bezpieczeństwo oraz brak konieczności zatrzymywania turbiny. Natomiast odbywa się to kosztem jakości otrzymanych danych. Coraz częściej implementuje się systemy kontroli stanu technicznego (Contidion monitoring systems – CMS), które z użyciem różnego rodzaju czujników, umieszczonych w poszczególnych podzespołach turbiny wiatrowej, zbierają określone dane. Badania prowadzone nad tymi systemami wskazują, że ze względu na koszty i techniczną złożoność tychże systemów wciąż ich użycie jest niewielkie. W ramach systemów CMS coraz częściej wykorzystuje się narzędzia informatyczne, które nadzorują przebieg procesów zachodzących w siłowni wiatrowej.
Systemy te określane są pojęciem SCADA tj. Supervisory Control and Data Acquisition. Systemy SCADA zaimplementowane we współczesnych turbinach zbierają i przetwarzają sygnały z ponad 200 różnego rodzaju czujników w odstępach od 1 do 10 minut. Do zadań systemów SCADA należy również organizacja baz danych w czasie rzeczywistym, sygnalizowanie problemów i generowanie raportów. Znacząco ułatwia to interpretację danych i wykorzystanie ich do skutecznego monitorowania stanu technicznego.
Istotną zmianą w procesie O&M okazało się zastosowanie bezzałogowych statków powietrznych, popularnie określanych jako drony. Drony wykorzystywane są nie tylko do wizualnej inspekcji farm wiatrowych, ale także do transportu części zamiennych. Zastosowanie dronów znacząco wpływa na redukcję kosztów O&M w tym także skrócenie czasu przestoju przy jednoczesnym wzroście wydajności i bezpieczeństwa. Zastosowanie bezzałogowych systemów latających na różnym etapie procesu O&M pozwala na istotny wzrost bezpieczeństwa w porównaniu do wcześniej stosowanych metod inspekcji.
Technologia ta jest już powszechnie dostępna i pozwala na realizację zadań nie tylko bezpieczniej, ale szybciej i taniej. Szacuje się, że zastosowanie dronów pozwala na oszczędności rzędu 40 procent w porównaniu do inspekcji na linach. Uzupełnienie procesu CM w narzędzia wykorzystujące algorytmy AI, pomimo początkowo wysokich nakładów związanych z gromadzeniem baz danych, może przyczynić się do dalszego spadku kosztów nadzoru farm fotowoltaicznych co w konsekwencji obniży wartość LCoE a energia elektryczna pozyskana z turbin wiatrowych stanie się jeszcze bardziej atrakcyjna.
Podsumowując, wiele wskazuje na to, że sztuczna inteligencja i drony coraz częściej będą zastępować pracowników przy serwisowaniu turbin wiatrowych. Jest to praca niebezpieczna z uwagi na wysokość oraz silny wiatr. Ponadto zaawansowana technologia będzie w stanie obniżyć koszty i usprawnić serwis, co dla realizacji projektów farm wiatrowych może być ważnym czynnikiem.
Badanie Google: Większość Polaków wierzy, że sztuczna inteligencja zmieni ich życie
