Entwicklung eines Wirkmodells für eine effiziente Gestaltung von Demontagenetzwerken für XXL-Produkte

Die Demontage von Windenergieanlagen gewinnt an Bedeutung. Gründe dafür sind das Auslaufen der Einspeisevergütungen für einen Großteil des deutschen Anlagenbestandes sowie das technische und wirtschaftliche End-of-Life von Windparks. Betreiber und Rückbauunternehmen stehen vor der Herausforderung den Demontageprozess effizient zu gestalten. Dabei liegt ein Zielkonflikt zwischen der Positionierung der aufwändigen und teuren Demontage am Einsatzort und dem teuren Abtransport von nicht weiter demontierten Komponenten einer Windenergieanlage zu einer Demontagefabrik, in der eine kostengünstigere Demontage möglich ist. In der Forschungsarbeit werden die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Demontage in einem Wirkmodell zusammengefasst und in ein mathematisches Modell überführt. Das mathematische Modell basiert auf einem Standortplanungs- und Allokationsproblem zur Demontage von Windenergieanlagen. Durch die Anwendung des Modells auf ein Rahmenszenario und die Durchführung einer Parameterstudie werden Handlungsempfehlungen für die einzelnen Komponenten beim Rückbau einer Windenergieanlage erarbeitet. Diese beinhalteten neben der Allokation der Demontageaufgaben auf Demontagestandorte auch Handlungsempfehlungen hinsichtlich der Demontageplanung und -dokumentation.

Windenergie, Demontage, Standortplanungs- und Allokationsproblem, Demontagenetzwerke

Immer mehr Akteure der deutschen Windenergiebranche beschäftigen sich mit der Frage, wie mit der alternden deutschen Windflotte umzugehen ist, denn rund 5.200 Anlagen werden Ende 2020 erstmals das Ende der Förderperiode der Einspeisevergütung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) erreichen. Bis Ende 2025 werden rund 8.000 Windenergieanlagen folgen. Die Betreiber der betroffenen Windkraftanlagen haben dann die Wahl zwischen (I) dem weiteren Betrieb der Altanlage im Rahmen der Direktvermarktung an der Europäischen Strombörse, (II) dem Repowering der Altanlage durch eine neue und effizientere Windkraftanlage mit anlagenspezifischen Einspeisevergütungen, die in den deutschen Erneuerbare-Energien-Auktionen ausgeschrieben wurden, oder (III) der endgültigen Ausmusterung der jeweiligen Anlage.
Die Frage der Wahl der richtigen Option stellt sich jedoch nicht nur für die Betreiber selbst, sondern auch für verschiedene andere Akteure der Windenergiebranche: Projektentwickler, Turbinenhersteller und Investoren sind an der Bewertung von anlagenspezifischen Repowering-Potenzialen in der bestehenden Windkraftanlage interessiert, um die Betreiber gezielt bei der Umsetzung neuer Projekte zu unterstützen; Demontagebetriebe und Entsorger suchen insbesondere nach Derivaten von anlagenspezifischen Demontagepotenzialen und den damit verbundenen Entsorgungs- und Recyclingströmen, um eine optimale Abwicklung der umfassenden Demontageprozesse zu ermöglichen; und regionale sowie überregionale öffentliche und politische Institutionen sind an Schätzungen über Veränderungen der installierten Windenergiekapazität interessiert, um eine optimale Steuerung des zukünftigen Kapazitätsausbaus unter Berücksichtigung gesellschaftlicher, wirtschaftlicher und politischer Gesichtspunkte zu ermöglichen.

Demontage, Windenergieanlagen

Ende des Jahres 2020 fallen gleichzeitig etwa 6.000 Windkraftanlagen erstmals aus der zwanzigjährigen Förderung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG). Etwa 8.000 weitere Windturbinen folgen bis Ende 2025. Betreiber betroffener Windkraftanlagen haben dann die Wahl zwischen dem Weiterbetrieb der Altanlage zu den deutlich geringeren Spotmarktpreisen der European Power Exchange (EPEX), dem Betrieb einer neuen und effizienteren Windkraftanlage am Standort der Altanlage (Repowering) zu auktionierten Förderkonditionen oder der endgültigen Stilllegung. Quo vadis Ü20-Anlagen (so der zunehmend an Beliebtheit gewinnende Sammelbegriff für die Altanlagen)? Diese Frage bewegt die Windbranche, aber auch Rückbau- und Entsorgungsbetriebe immer mehr. Wissenschaftler des Instituts für Integrierte Produktion Hannover (IPH) haben sich deshalb im durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekt „DemoNetXXL“ in Kooperation mit dem Institut für Wirtschaftsinformatik der Leibniz Universität Hannover mit der Auswahl und Ausgestaltung optimaler Nachnutzungsstrategien für Windkraftanlagen beschäftigt. 

Windkraftanlagen, Repowering, Nachnutzungsstrategien, Demontage

Im Durchschnitt wurden seit 1997 jährlich mehr als 1.275 Windenergieanlagen in Deutschland installiert und mehr als 27.000 Windenergieanlagen sind heute in Betrieb. Die technische und wirtschaftliche Lebensdauer von Windenergieanlagen beträgt etwa 20 bis 25 Jahre. Folglich wird die Demontage von veralteten Windenergieanlagen in den kommenden Jahren durch Repowering oder Stilllegung von Windparks deutlich zunehmen und zu Millionen von Kosten für die Betreiber führen. Eine Möglichkeit, die kostspielige und zeitraubende Demontage von Windenergieanlagen komplett vor Ort zu ersetzen, ist der Aufbau eines Demontage-Netzwerkes, in dem teilweise demontierte Windenergieanlagen zur weiteren Bearbeitung zu spezialisierten Demontageplätzen transportiert werden. Dieses Netzwerk erfordert ein Optimierungsmodell zur Ermittlung der optimalen Standorte und eine angemessene Verteilung der Demontageschritte auf die Demontagestandorte. Die Herausforderung besteht darin, die Abhängigkeit der Netze vom Trade-off zwischen Transport- und Rückbaukosten zu berücksichtigen, die wiederum von der Wahl der Rückbautiefen und Standorte abhängt. Aufbauend auf dem Koopmans-Beckmann-Problem wird ein mathematisches Optimierungsmodell zur Lösung des beschriebenen Standortplanungs- und Allokationsproblems vorgestellt. Um einen Proof-of-Concept zu ermöglichen, wenden wir unser Modell auf eine Fallstudie eines beispielhaften Windparks in Norddeutschland an. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Modell Demontagebetrieben helfen kann, effiziente Demontagenetze für Windenergieanlagen aufzubauen und von entstehenden wirtschaftlichen Vorteilen zu profitieren.

Demontage, Windenergieanlagen, Optimierungsmodell

Windräder halten mehr Lastwechsel aus als Brücken oder Helikopter - doch auch sie haben irgendwann ausgedient. Frühzeitig vor dem Ablauf der genehmigten Betriebszeit sollten sich Betreiber von Windenergieanlagen deshalb mit ihren Optionen für Weiterbetrieb, Repowering oder kompletten Rückbau auseinandersetzen. Zusammen mit Praxispartnern erforscht das Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gGmbH, wie eine Demontage schnell, günstig und umweltfreundlich gelingen kann. Das Projekt "Entwicklung eines Wirkmodells für eine effiziente Gestaltung von Demontagenetzwerken für XXL-Produkte" wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Demontage, Windenergieanlagen

Tausende Windkraftanlagen müssen in den kommenden Jahren demontiert und ersetzt werden, auf die Windparkbetreiber kommen Kosten in Millionenhöhe zu. Wie der Rückbau schnell, günstig und umweltfreundlich gelingen kann, erforschen Wissenschaftler am Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) vor der großen Rückbau-Welle, mit der sie in zirka drei Jahren rechnen.

Demontage-Netzwerke, Windenergieanlagen

Die Demontage von großskaligen Produkten (wie Windenergie-, Kran- oder Förderanlagen), auch als  XXL-Produkte bezeichnet, gewinnt zunehmend an Bedeutung. Ein Grund dafür sind die begrenzten Laufzeiten der Anlagen. Die Herausforderung der Demontage liegt in der Positionierung zwischen der zum Teil aufwändigen und teuren Demontage am Einsatzort und dem teuren Abtransport von Einzelteilen zu einer Demontagefabrik. Aus diesem Grund soll im Rahmen eines Forschungsprojektes „DemoNet“ ein Wirkmodell entwickelt werden, welches Unternehmen bei der Gestaltung eines XXL-Demontagenetzwerkwerkes unterstützt. Die Forschungshypothese besteht darin, dass eine verteilte Demontage aus ökologischen, ökonomischen und logistischen Gesichtspunkten sinnvoller ist. Die Grundlage für das Vorhaben bildet die Erweiterung eines Standortplanungs- und Allokationsproblems als mathematisches Optimierungsmodell zur Demontage von XXL-Produkten. Zur Lösung des Optimierungsproblems wird ein genetischer Algorithmus entwickelt.

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