Βιωσιμότητα αιολικών πάρκων και βελτίωση της αξιοπιστίας και διαθεσιμότητάς τους μέσω διαδικασιών βελτιωτικής συντήρησης

Abstract

The scope of the present doctoral dissertation is the investigation of a methodology that will result in improved reliability and availability of a wind farm through interventions that belong in the frame of improvement maintenance strategy, as well as the study of its viability particularly focused on the impact of operation and maintenance cost. The first part of the scope is succeeded by analyzing real operation and maintenance data of a wind farm, statistically processing the wind turbines failure data and calculating the reliability and availability of: separate wind turbine subsystems, hyper system (whole wind turbine) and finally the whole wind farm. Wind turbines’ critical components detection is also an important parameter in order to prioritize the maintenance works on the base of criticality. Criticality is defined by the combination of the failure frequency and the damage that is provoked by the failure. An innovative method is developed based on Fault Tree Analysis (FTA) and Design Structure Matrix (DSM) in order to reveal the wind turbines’ critical subsystems. Then, by recognizing the critical subsystems, appropriate interventions within the improvement maintenance strategy are proposed for reducing the failure rate and the related safety risk. The reduced failure frequency leads to an improvement of wind turbine reliability and availability and consequently of the whole wind farm. The investigation of the economical influence that the attempt of achieving high reliability and availability has is interesting because of the impact that the operation and maintenance cost has on the viability of a wind farm. In order to have a realistic estimation of this influence an installation as well as a viability study of a wind farm in the Greek offshore zone took place. The research leads to the conclusion that such an investment is feasible, taking under consideration the present techno-economic restrictions as well as the social/ environmental restraints in order to be accepted by the community. The parameters that have the highest impact on the internal rate of return (IRR) are the initial costs, the electricity export rate and the operational and maintenance costs. The selection of the proper maintenance strategy as well as the appropriate interventions on the critical subsystems is crucial for the wind farm, because in case the operation and maintenance costs approach the 30% of the total annual income the project is not viable anymore.

Σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση ενός μεθοδολογικού πλαισίου που θα οδηγήσει σε βελτιωμένη αξιοπιστία και διαθεσιμότητα ενός αιολικού πάρκου μέσω παρεμβάσεων που εντάσσονται στο πλαίσιο της στρατηγικής βελτιωτικής συντήρησης, καθώς και η μελέτη της βιωσιμότητάς του εστιάζοντας ιδιαίτερα στην επίδραση που προκύπτει από τα κόστη λειτουργίας και συντήρησής του. Για να επιτευχθεί ο παραπάνω σκοπός γίνεται ανάλυση των πραγματικών δεδομένων λειτουργίας και συντήρησης ενός αιολικού πάρκου, στατιστική επεξεργασία των βλαβών των ανεμογεννητριών του και υπολογισμός της αξιοπιστίας και διαθεσιμότητας μεμονωμένων υποσυστημάτων, του υπερ-συστήματος (ανεμογεννήτρια) και του συνολικού αιολικού πάρκου. Σημαντική παράμετρος είναι ο εντοπισμός των κρίσιμων υποσυστημάτων της ανεμογεννήτριας, ώστε να μπορεί να υπάρχει ιεράρχηση των εργασιών συντήρησης με βάση το κριτήριο της κρισιμότητας. Η κρισιμότητα ορίζεται από τον συνδυασμό της συχνότητας εμφάνισης των αστοχιών και της επικινδυνότητας που συνεπάγονται οι αστοχίες αυτές. Για την ανίχνευση των κρίσιμων υποσυστημάτων αναπτύσσεται μία καινοτόμος μέθοδος η οποία συνδυάζει την ανάλυση δέντρου βλαβών (FTA) και τον πίνακα σχεδιασμού δομής (DSM). Έχοντας τα κρίσιμα υποσυστήματα προτείνονται στην συνέχεια παρεμβάσεις που υπάγονται μεθοδολογικά στην στρατηγική της βελτιωτικής συντήρησης, ώστε να μειωθεί ο ρυθμός των βλαβών τους καθώς και η επικινδυνότητα των αστοχιών τους. Μειώνοντας τον ρυθμό των βλαβών βελτιώνεται η αξιοπιστία και η διαθεσιμότητα των μεμονωμένων ανεμογεννητριών και κατ’ επέκταση όλου του αιολικού πάρκου. Η διερεύνηση της οικονομικής επίδρασης που έχει η προσπάθεια για την επίτευξη υψηλής αξιοπιστίας και διαθεσιμότητας έχει ενδιαφέρον λόγω του αντίκτυπου που έχουν τα κόστη λειτουργίας και συντήρησης στην οικονομική βιωσιμότητα του αιολικού πάρκου. Προκειμένου να είναι ρεαλιστική η εκτίμηση αυτής της επίδρασης, γίνεται μελέτη της εγκατάστασης και βιωσιμότητας ενός αιολικού πάρκου στον Ελλαδικό υπεράκτιο χώρο. Η έρευνα που πραγματοποιείται αποδεικνύει ότι είναι εφικτή μία τέτοιου είδους επένδυση, λαμβάνοντας υπόψη τους υφιστάμενους τεχνικοοικονομικούς όρους αλλά και κοινωνικούς/ περιβαλλοντικούς περιορισμούς που τίθενται προκειμένου να είναι αποδεκτή από το κοινωνικό σύνολο. Την μεγαλύτερη επίδραση στον εσωτερικό βαθμό απόδοσης έχουν τα αρχικά κόστη, η τιμή πώλησης της ηλεκτρικής ενέργειας και τα κόστη λειτουργίας και συντήρησης. Η επιλογή της στρατηγικής συντήρησης που θα ακολουθηθεί καθώς και των κατάλληλων παρεμβάσεων στα κρίσιμα υποσυστήματα είναι ζωτικής σημασίας για το αιολικό πάρκο, γιατί σε περίπτωση που τα κόστη λειτουργίας και συντήρησης αγγίξουν το 30% των ετήσιων συνολικών εσόδων, τότε η επένδυση γίνεται μη βιώσιμη.