Anforderung 8: Handhabung begrenzter Kapazitäten
6.2 SmarTower
6.2.2 Implementierung und Erprobung des Diamant-Modells
Entwicklungsphasen
Das Ziel der Kognition ist die Entwicklung einer grundlegenden Lösungsidee für die technische Innovation. Die Kognition erfolgt durch die Analyse des Produktsystems Windenergieanlage (WEA). Die Leistungsfähigkeit von WEA wurden in den vergangenen Jahrzehnten durch Innovationen in den Bereichen Rotor und Gondel wesentlich verbessert. Jedoch zeigt sich insbesondere für das Teilsystem Mast ein erhebliches Potenzial zur Verbesserung der Kostenstruktur sowie der Materialeffizienz. Auf dieses Teilsystem entfallen ca. 20% der Herstellkosten einer Windenergieanlage. Es wird durch Stahlrohrmasten als hauptsächlicher Technik geprägt. Der Materialeinsatz von rohrförmigen Masten wächst dabei überproportional mit der Länge bei nur linear wachsenden Erträgen der WEA [JOV-09, S. 175 ff.]. Bei etwa 100 Metern Mastlänge wird ein Punkt erreicht, ab dem das Kostenwachstum des Masts den Effizienzgewinn übersteigt.
Der Mast ist somit ein Effizienz begrenzende Merkmal einer Windenergieanlage.
Weitere verbesserbare Eigenschaften ergeben sich aus dem Kreisquerschnitt heutiger Masten: Vor dem Mast bildet sich ein sogenannter Windstau, aus dem sich beim Vorbeistreichen des Rotorblattes unvorteilhafte dynamische Belastungen des Rotors und des Turmes ergeben. Als grundlegende Idee für die Innovation des Mastsystems wird eine auf drei Prinzipien bestehende Verbesserung angestrebt (Abbildung 6-1):
eine Mastform für einen reduzierten Windwiderstand,
eine modulare Leichtbaustruktur des Mastes und
ein bodennahes Azimutlager zur Windnachführung der Anlage.
Diese Innovation erlaubt eine vorrangige Belastung des Mastes in Windrichtung und dessen Auslegung in Anlehnung an ein Zug-/Druckstabwerk.
Der Systementwurf zielt auf die Konzeption prinzipieller Lösungen für das Teilsystem Produkt (im engeren Sinne) und Geschäftsmodell ab. Für den Anforderungsraum, der die an die beiden Teilsysteme gestellten Erwartungen mit gewünschten und geforderten Eigenschaften darstellt, wird eine sogenannte lebende Anforderungsliste kreiert. Die lebende Anforderungsliste wird im Laufe der Systementwicklung kontinuierlich an die aktuellen Erkenntnisse und
Erfahrungen angepasst. Folgende Themen werden in der Anforderungsliste definiert:
mit Schwerpunkt auf das Teilsystem Produkt: Gesamt-Mastsystem, Einsatzorte, Lasten, Einwirkungskombinationen, Bemessungsschnittgrößen, Mast, Windrichtungsnachführung, Fundament, Werkstoffe, Informations-management, Instandhaltung und Wartung, Sicherheit;
mit Schwerpunkt auf das Teilsystem Geschäftsmodell: Montage und Produktion, Kosten, Ästhetik.
Abbildung 6-1: Ergebnis der Kognition für den SmarTower (in Anlehnung an [Dem-MA, S. 2])
Tabelle 6-1 zeigt exemplarisch einen Auszug aus der Anforderungsliste für die montagetechnischen Anforderungen in der Wertschöpfungskette des Mastsystems. Ausgehend von der Anforderungsliste werden Funktionen für das Teilsystem Produkt sowie Hypothesen für das Geschäftsmodell abgeleitet.
Anschließend werden für die Funktionen und Hypothesen prinzipielle Lösungen konzipiert. Für das Teilsystem Produkt werden die Teilfunktionen innerhalb von Funktionsstrukturen festgehalten. Eine morphologische Analyse dient zur Darstellung von prinzipiellen Lösungsvarianten für die einzelnen Teilfunktionen der Funktionsstruktur. Tabelle 6-2 zeigt exemplarisch zwei Lösungsvarianten für einen Ausschnitt der Teilfunktionen des Mastsystems.
Herkömmliche Windenergieanlage SmarTower
Mastform für einen
reduzierten Windwiderstand
Modulare Leichtbaustruktur des Mastes
Bodennahes Azimutlager zur Windnachführung der Anlage
Tabelle 6-1: Montagetechnische Grenzen Beschreibung
Die Bauteile des Mastsystems sollen die Idealwerte erfüllen und nur bei hinreichender Be-gründung diese überschreiten (Wunsch). Alle Bauteile müssen die Maximalwerte für die einzelnen Grenzwerte der Primär- und Sekundärmontage erfüllen (Forderung).
Grenzen für die Primärmontage (Fügen)
Schweißarbeiten in Höhen ab 15m werden vorab durch Schweißfachingenieure evaluiert.
Grenzen für die Sekundärmontage (Handhaben, Speichern, Bewegen, Sichern, Kontrollieren) a) Handhaben der Halbzeuge und Bauteile für den innerbetrieblichen Materialfluss:
a. Hebezeuge: Vakuum-Sauggreifer
max. Traglast [t]
Idealwerte 6
Maximalwerte 15
b. Hebezeuge: Hydraulik-Hebezeuge mit Lasthaken
max. Traglast [t]
Idealwerte 10
Maximalwerte 50
c. Flurförderfahrzeuge: Stapler/ Schwerstapler
max. Traglast [t]
Idealwerte 5
Maximalwerte 18
b) Handhaben der Bauteile für die Baustellenmontage (außerbetrieblicher Material-fluss):
a. Hebezeuge für das Fördern der Bauteile (Mast und Fundament) auf der Baustelle: Teleskopkrane, Aufbaukrane, Mobilkran
max. Hubhöhe [m] max. Traglast [t]
Idealwerte 2 25
Maximalwerte 4 160
b. Hebezeuge für die Baustellenmontage der Turmsegmente: Turmdrehkran max. Hubhöhe [m] max. Traglast [t]
Idealwerte 150 <1000
Maximalwerte 200 -
Tabelle 6-2: Morphologische Analyse zur Darstellung von Lösungsvarianten für Teilfunktionen (in Anlehnung an [Mül-PA, S. 3])
Prinzipielle
……… ……Lösung Teilfunktion
Lösungsvariante 1 Lösungsvariante 2
1.1 Biegebelastung auf-nehmen
Sandwich Varianten optional mit Füllung
Honey Combs Tubus
Zug/Druck Varianten
Tragende Außenstruktur Zug/Druck-Stäbe
1.2
Aerodynamische Belastung aufneh-men
Profilstab Halbkugel mit Kegel
1.3
Zusammenhalt zwi-schen den Segmen-ten sichern
Formschluss „schräg“ Formschluss „Lego“
Tabelle 6-3 zeigt die Hypothesen für die einzelnen Domänen des B2B-Geschäftsmodells (Wertangebot, Kunden(-segmente), Wertschöpfungskette, Ertragsschema), strukturiert durch die Segmente des Business Model Canvas.
Tabelle 6-3: B2B-Geschäftsmodell von Steel Pro 1. Wertangebot
30% Material- und Kosteneinsparungen
30% weniger Transport- und Montageaufwand
30% längere Lebensdauer durch Reduzierung der dynamischen Belastung und des Er-tragsverlustes aus dem luvseitigen Windstau beim Vorbeistreichen des Rotorblatts
Höhere Akzeptanz bei der Bevölkerung durch verbessertes Design 2. Kunden(-segmente)
Kunden
Hersteller von WEA wie z. B. Siemens oder Vestas Kundenbeziehungen
Kundenindividuelle Anpassung des Mastsystems (Kundenindividuelles Engineering)
Betreuung des Kunden vom Engineering bis zur Nutzung des Mastes
Langfristige Vertragsbeziehungen (Wartung, Reparatur, etc.) Vertriebs- und Kommunikationskanäle
Auftritt auf Messen wie z. B. WindEnergy Hamburg
Internetpräsenz über http://www.steel-pro-maschinenbau.de/
Direktkontakt zu Windenergieanlagenherstellern wie z. B. Siemens oder Vestas 3. Wertschöpfungskette
Schlüsselhandlungen
Fertigung der Segmente, Transport zur Baustelle und Baustellenmontage
Aufstellen eines Versuchsmusters
Zertifizierung
Wartung und Rückbau Schlüsselressourcen
Patent/Gebrauchsmuster
Branchenkontakte/-zugang
Fertigungskapazitäten für XXL-Produkte Schlüsselpartnerschaften
Fertigungspartner in Osteuropa für Herstellung eines Versuchsmusters
Hersteller von Windenergieanlagen wie z. B. Siemens oder Vestas
Dienstleister für Transport
Fortsetzung Tabelle 6-3 4. Ertragsschema Kostenstruktur
Aus den ermittelten Zielkosten für die Herstellung des Mastsystems ergeben sich folgende Maximalkosten (30% unter den Herstellkosten der Wettbewerber):
Maximale Herstellkosten für einen 120m Mast mit Windrichtungsnachführung (Azimut-lager): 450.000 €
Maximale Herstellkosten für einen 100m Mast mit Windrichtungsnachführung (Azimut-lager): 350.000 €
Einnahmequellen
Verkauf des Mastsystems und von Ersatzteilen
Wartungsverträge, Reparaturen
Lizenz- und Nutzungsgebühren
Für die einzelnen Domänen des Geschäftsmodells werden prinzipielle Lösungen konzipiert. Für den SmarTower sind insbesondere Lösungen für die Wertschöpfungskette von Relevanz, die die Transportfähigkeit der Mastsegmente gewährleisten. Die einzelnen Segmente des Mastsystems sollen in 40-Fuß-ISO-Containern von der Fertigung zur Baustelle transportiert werden können.
Abbildung 6-2 zeigt die Skizze einer prinzipiellen Lösung für den Transport der Segmente in den ISO-Containern auf.
Abbildung 6-2: Prinzipielle Lösung zum Transport der Mastsegmente
In der Phase des domänenspezifischen Entwurfs werden die einzelnen Domänen für das Teilsystem Produkt und Geschäftsmodell entwickelt. Für das Produkt ist die Domäne Mechanik von größter Relevanz. Die Module in den Domänen Elektronik und Software sind Nebenfunktionsträger des Systems und
werden hinzugekauft. Die Mechanik gliedert sich in die Module Mast und Azimutlager. Der Mast wird unter Anwendung von Leichtbauprinzipien gestaltet und in einem CAD-Modell abgebildet. Das CAD-Modell für den Mast dient als Grundlage für Festigkeits-, Verformungs- und Schwingungsexperimenten mittels FEM-Berechnungen. Das Teilsystem Lager wird nach Stahlbauprinzipien gestaltetet und in einem CAD-Modell abgebildet. Abbildung 6-3 zeigt einen Entwurf für die Gestaltung der Hauptfunktionsträger der Module Mast und Azimutlager.
Abbildung 6-3: CAD-Modelle des Mastsystems: Azimutlager mit Rotor und Stator (links);
unteres Mastsegment mit Aufzug (mittig); oberes Mastsegment mit Flansch zur Gondel (rechts) (bereitgestellt im Rahmen der Arbeit von [Sta-MAa])
Die wichtigen zu konfigurierenden Domänen für das Geschäftsmodell sind die Wertschöpfungskette und das Ertragsschema mit einer detaillierten Kostenrechnung. Die Domänen Wertangebot und Kunden(-segmente) gelten durch die prinzipiellen Lösungen bereits als im Wesentlichen festgeschrieben.
Für die Wertschöpfungskette erfolgt eine detaillierte Konfiguration der Fertigung und Baustellenmontage des Mastes sowie der Logistikprozesse zwischen der Fertigung und der Baustelle. Abbildung 6-4 zeigt das Fabriklayout mit dem Materialfluss durch die einzelnen Stationen zur Fertigung und Verzinkung der Segmente und Flansche für den Mast.
Abbildung 6-4: Fabriklayout und Materialfluss zur Fertigung und Verzinkung der Bauteile (in Anlehnung an [Zur-BA, S. 48 ff.])
Für die Domäne Ertragsschema erfolgt die Ermittlung der Kosten für den Lebenszyklus des Mastsystems. Der Ertrag des SmarTowers ergibt sich aus der Einspeisevergütung über die Lebensdauer der Anlage. Tabelle 6-4 fast die relevanten Kosten zusammen, die über den Lebenszyklus einer WEA mit
Fläche zur sonstigen Nutzung
Fläche zur sonstigen Nutzung
F1
F2 F3
F4 F5
F6 F7
F8
F9
V1
V2 V4
V3
V6 V5
V7 V8
Waren- eingangs-lager
Warenausgangslager 5m
5m Station 1 Station 2
Station 3
Station 4
Station 5
Station 6 Station 7
Station 8 Station 9
Station 10 Station 11
Kurzbezeichnung Arbeitsschritt (Bauteil)
Fertigungsprozesse Kurzbezeichnung Arbeitsschritt
Prozesse zum Verzinken für beide Bauteile
F1 (Segment/
Flansch)
Plasmaschneiden V1 Beizen
F2 (Flansch) Nachbearbeiten V2 Spülen
F3 (Flansch) Profilbiegen V3 Entfetten
F4 (Segment) Nachbearbeiten V4 Spülen
F5 (Segment) Rundwalzen V5 Fluxen
F6 (Segment/
Flansch)
Spannungsarmglühen V6 Verzinken (Ofen)
F7 (Flansch) Unterpulverschweißen V7 Verzinken (Zinkbad)
F8 (Flansch) Bohren V8 Abkühlen
F9 (Flansch) Nachbearbeiten
Materialfluss
SmarTower-Mastsystem auftreten. Insgesamt fallen während des Lebenszyklus der Anlage ca. 2.500.000 € an Kosten an.
Tabelle 6-4: Übersicht über die Lebenszykluskosten einer WEA Entstehungsphase
Anlagenprojektierung 96.950 €
Materialkosten SmarTower 305.421 €
Selbstkosten WEA-Komponenten 1.472.691 €
Fertigung, Montage und Transport SmarTower 114.705 €
Montage und Transport WEA-Komponenten 340.000 €
Gesamtkosten Entstehungsphase 2.329.767 €
Nutzungsphase
Anlagenbetrieb 54.000 €
Anlageninstandhaltung 30.000 €
Gesamtkosten Nutzungsphase 84.000 €
Entsorgung
Gesamtkosten Entsorgungsphase 78.000 €
Lebenszyklus/Life Cycle
Gesamtkosten Lebenszyklus 2.491.767 €
Tabelle 6-5 zeigt den Ertrag einer WEA über eine 20 jährige Lebensdauer in Abhängigkeit der Einspeisevergütung und des Standortes.
Tabelle 6-5: Übersicht über den Ertrag einer WEA
Einspeisevergütung [Cent/kWh]
5 9 12
20a Lebenszyklus;
2,3 MW Nennleistung
Nettoenergieproduktion
[MWh] Ertrag über den Lebenszyklus [€]
Inlandsstandort 102.000 5.100.000 9.180.000 12.240.000
Küstennaher Standort 117.500 5.875.000 10.575.000 14.100.000
Küstenstandort 147.000 7.350.000 13.230.000 17.640.000
Die Systemintegration dient dazu, die Entwürfe für die Domänen der Teilsysteme Produkt und Geschäftsmodell in einem Gesamtsystem für das Produkt und Geschäftsmodell zusammenzuführen. Für das Teilsystem Produkt werden dazu die gestalteten Haupt- und Nebenfunktionsträger in einem CAD-Gesamtmodell miteinander verknüpft. Zusätzlich wird ein funktionaler Prototyp hergestellt. Die im Modell abgebildeten wesentlichen Baugruppen umfassen: die Mastsegmente mit Flansch, das Azimutlager mit Rotor, Stator und Antrieb, den Aufzug, die Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik, den Flansch zwischen
Lager und Mast, den Flansch zwischen Mast und Gondel, die Steigeinrichtung sowie die Verkleidung für die Mastsegmente. Das integrierte Geschäftsmodell umfasst die konfigurierten Domänen für die Wertschöpfungskette und das Ertragsschema und wird um die Hypothesen für das Wertangebot und die Kunden(-segmente) aus Tabelle 6-3 ergänzt.
Die Innovation ist der Endpunkt des Diamant-Modells. Sie beschreibt die Realisierung und Anwendung des Gesamtsystems durch dessen Einführungen am Markt. Zu diesem Zweck vermarktet Steel Pro das Mastsystem unter dem Markennamen „Asparago“ (steel-pro-maschinenbau.de/windenergie.html) und führt intensive Kundengespräche mit Windenergieanlagenherstellen und -betreibern. Die Verkaufsbroschüre, die zur Vermarktung des integrierten Gesamtsystems der Innovation von Steel Pro erstellt wurde, wird in Anhang A-5 abgebildet. Zum Schutz der Innovation vor Wettbewerbern hat Steel Pro ein Geschmacksmuster angemeldet.
Modellierung
Durch Modellierung wird die Systementwicklung kontinuierlich unterstützt.
Methoden zum Erstellen von virtuellen und/oder physischen Ersatzmodellen für das betrachtete Basissystem dienen zum Ausarbeiten von Entwürfen für die einzelnen Konkretisierungsgrade des Produktes sowie des Geschäftsmodells. Für das Teilsystem Produkt fungieren CAD-Modelle zur modellhaften Abbildung sowie zur Vorbereitung von statischen und dynamischen Experimenten.
Abbildung 6-5 zeigt ein CAD-Modell der mechanischen Struktur eines Mastsegments. Modelle für das Teilsystem Geschäftsmodell werden für die Wertschöpfungskette sowie für das Ertragsschema ausgearbeitet.
Abbildung 6-5: CAD-Modell der mechanischen Struktur für ein Mastsegment
Für das Teilsystem Geschäftsmodell werden das Fabriklayout und der Transport sowie die Montage und Demontage in der Wertschöpfungskette anhand von Prinzipskizzen dargestellt. Zusätzlich werden für die Montage und den Transport CAD-Modellen erstellt. Das Zusammenwirken der Wertschöpfung über den Lebenszyklus des SmarTowers wird mittels einer Produktlebenszyklusanalyse in Anlehnung an [DIN 14040] modellhaft abgebildet (Abbildung 6-6). Für das Ertragsschema wird ein spezifisches Modell zur Abbildung der Vergütung in Abhängigkeit des Standorts und der Einspeisevergütung sowie ein Modell der Lebenszykluskostenrechnung gewählt (wie bereits in Tabelle 6-4 und Tabelle 6-5 dargestellt).
Abbildung 6-6: Modell des Produktsystems für die Lebenszyklusphase Baustellenmontage
Fertige Flansche Fertige Mastsegmente
Fertige Lagerschalen
Fertige Lagerbauteile
Fertige Profilträger Oberbodenarbeiten
Fundamentbau
Netzanbindung und Errichtung der Übergabestation
Andeckung
Turmmontage
Gondelinstallation
Montage der Rotorblätter
Innenausbau
Anschluss, Fertigstellung und Inbetriebnahme
Gesteins-körnung
Beton-herstellung
Beton Zement
Bewehrungs-stahl
Lagermontage
Gondel
Rotorblätter
Fördern
Fördern
Schutt/Erde
Inbetriebgenommene Windenergieanlage Deponierung
Abfallbehandlung
Baustellenmontage
Transport
Prozessmodul, Funktion; mit Energiefluss und Emission
verbunden Ressourcen, Halbzeuge,
Bauteile, Baugruppen, Erzeugnis; mit Masse verbunden
Transport-, Fördervorgang; mit Energiefluss verbunden Legende
Prozessstrom Betrachtete Teilsysteme
Fördern
Testen und Absichern der Eigenschaften
Die Modellierung schafft die Grundlage für das Testen und Absichern der Eigenschaften der Teilsysteme Produkt und Geschäftsmodell durch Verifizieren und Validieren der entwickelten Entwürfe. Es dient außerdem zum Austausch von Informationen und Wissen zwischen den Entwicklungsphasen der beiden Teilsysteme. Für die Entwicklung der Domäne Mechanik werden insbesondere die Belastungen durch das Verformungs- und Schwingungsverhalten als Eigenschaften für das Mastsystem getestet. In Abbildung 6-7 werden dazu die Von-Mieses-Spannungen für den Nennbetrieb des Mastsystems dargestellt.
Zusätzlich wird zur Verifizierung der Gestalt des Mastsystems mittels des funktionalen Prototyps ein Workshop mit ausgewiesenen Windkraftexperten durchgeführt. Das finale Wertangebot wird für überwiegend bilaterale Gespräche mit WEA-Herstellern in Form einer Broschüre abgebildet.
Vollansicht Detailansicht Legende
Abbildung 6-7: Darstellung der Von-Mieses-Spannungen für den Nennbetrieb der WEA
Ein notwendiger Wissensaustausch zwischen der Entwicklung des Produktes und dem Geschäftsmodell ist die Abstimmung zwischen dem Logistikkonzept als Teil der Wertschöpfungskette sowie der Gestaltung der Mastsegmente und Flansche, insbesondere deren Abmaße und Gewichte. Als Experiment wird hierfür ein
CAD-Modell zur geometrischen Prüfung der Transportfähigkeit als Eigenschaft des Mastsystems eingesetzt (Abbildung 6-8).
Abbildung 6-8: CAD-Modell der Mastsegmente mit Flanschen in einem ISO-Container
Begleitende Analysen
Die Systementwicklung wird flankiert von einer Umfeld-, Markt- und Konkurrenzanalyse sowie einer Analyse des Standes der Forschung und Technik. Beide Analysephasen sichern die Marktfähigkeit und den Innovationsgrad der Systeme ab. Sie stellen sicher, dass die Anforderungen an technische Systeme sowie die markt- und wettbewerbsspezifischen Anforderungen erfüllt werden. Als ein Ergebnis der Umfeld-, Markt- und Konkurrenzanalyse ergeben sich die in Tabelle 6-6 dargestellten Herstellkosten konkurrierender WEA-Hersteller als Referenzwerte für die Kostenrechnungen.
Tabelle 6-6: Übersicht über die Kosten der im Wettbewerb agierenden Hersteller
Her- stel-ler
Mast-höhe [m]
Nenn- leis-tung [MW]
Ver- kaufs-preis [T€]
Gesamt Investi- tions-kosten [T€]
Anla- gen-kosten [T€]
Mast [T€]
Wind- richtungs- nach-führung [T€]
Herstellkos-ten Mast und
Wind- richtungs-nachführung [T€]
A 120 2,4 4.000 3.400 2.414 410 48 458
B 105 2 3.300 2.805 1.991 338 39 378
C 100 2,3 3.000 2.550 1.810 307 36 343
Bei der Analyse des Standes der Forschung und Technik ist die Erarbeitung und Auswertung der relevanten Normen und Standards wichtig. Die in Deutschland geltenden Normen und Standards zum Bau einer Windenergieanlage bestehen
zum einen aus den Normen der International Electrotechnical Comission (IEC), welche in die DIN 61400-1 [DIN 61400-1] weitgehend überführt wurden. In Deutschland werden Windenergieanlagen rechtlich als Bauwerke eingestuft. Das Deutsche Institut für Bautechnik (DIBt) hat eigene Richtlinien für den Bau von Windenergieanlagen herausgegeben [DIBt RBH8]. Für die technische Typenprüfung sowie die Baugenehmigung sind die zuständigen Baubehörden verantwortlich. Diese nutzen Zertifizierungsgesellschaften wie z.B. Germanischer Lloyd als Gutachter für den maschinentechnischen Teil des Bauwerkes.