Od czasu użycia pierwszego pływającego LiDARu (ang. Floating Light Detection and Ranging) do pomiaru prędkości wiatru na morzu, około dekady temu, odnotowano znaczące postępy w rozwoju technologii pływających LiDARów. Technologia ta dojrzała komercyjnie. Nieufność i sceptycyzm części branży wobec „nowego” zauważalnie zmalały. Deweloperzy projektów morskich farm wiatrowych w końcu przestali się jej bać.

Poziomy dojrzałości technologicznej

Proces ten zapoczątkowało niewątpliwie wyznaczenie i realizacja długoterminowej mapy drogowej dojścia etapami do punktu, w którym technologia pływających LiDARów znajduje się dzisiaj. Mapę drogową OWA [1], bo o niej mowa, opublikowano po raz pierwszy w 2013 r., a następnie zaktualizowano w 2018 r. Zdefiniowano w niej trzy poziomy dojrzałości technologicznej systemów pomiarowych pod kątem użyteczności komercyjnej, gdzie poziom trzeci określa najbardziej dojrzałą technologię. Zastosowanie tej skali umożliwiło ocenę, jakie prace w obszarze walidacji zostały już zrealizowane, a jakie muszą zostać wykonane, aby w przyszłości technologia osiągnęła pełną gotowość do komercjalizacji.

Rysunek 1: Poziomy dojrzałości technologicznej, opracowanie własne na podst. [1]

Pierwszy z poziomów, czyli podstawowy, obejmuje technologię pływających LiDARów, która nie jest dostatecznie zwalidowana, w związku z czym może być jedynie uzupełnieniem w kampanii wiatrowej prowadzonej przy użyciu masztu meteorologicznego. Na poziomie drugim, przedkomercyjnym, technologia jest na tyle dojrzała, aby mogła być akceptowalna do samodzielnego pomiaru parametrów wiatru na morzu, ale po uzyskaniu pozytywnego wyniku weryfikacji testowej (ang. Type Verification) trwającej minimum 6 miesięcy. Musi również osiągać wskaźniki KPI dostępności danych, dla tego poziomu, zgodnie z OWA [1]. Kryteria akceptacji dla tych wskaźników zostały przedstawione w Tabeli 1 poniżej:

Tabela 1: Kryteria akceptacji dla poszczególnych wskaźników KPI, opracowanie własne na podst. [1]

Wejście na najwyższy poziom – trzeci, komercyjny, oznacza, że technologia została w pełni zwalidowana, przechodząc dodatkowe testy weryfikacyjne, a także minimum trzy testy klasyfikacyjne (ang. Type Classification) oraz została sprawdzona w co najmniej pięciu komercyjnych kampaniach pomiarowych na morzu z sukcesem, zarówno pod kątem progów dostępności danych, wyższych od tych na poziomie przedkomercyjnym, jak i pod kątem jej niezawodności. Warto tutaj jednak zaznaczyć, że same LiDARy, które są częścią systemu pomiarowego, poziom komercyjny osiągnęły już dużo wcześniej, zdając egzamin w wielu kampaniach pomiarowych wiatru na lądzie. Mowa tutaj o dwóch modelach: ZX 300 i Windcube v2.

Śledząc tempo zmian rozwoju technologii pływających LiDARów pod kątem przechodzenia z jednego poziomu na drugi, widać jego duże zróżnicowanie w zależności od różnych producentów (Rysunek 2). Niektóre z pierwszych pływających LiDARów osiągnęły poziom przedkomercyjny w 2014 roku, czyli zaraz po publikacji Mapy drogowej OWA [1] i nadal są w punkcie, w którym znajduje się kilka innych systemów mających niezależnie zweryfikowany status dojrzałości technologicznej dla tego poziomu.

Rysunek 2: Tempo zmian rozwoju technologii pływających LiDARów, opracowanie własne na podst. [2]

Zmierzch masztów pomiarowych?

Pomimo nieustających walidacji systemy pomiarowe na poziomie przedkomercyjnym wykorzystywane są już od kilku lat w morskich kampaniach wiatrowych. Oprócz tego, że są w stanie zagwarantować wymagane progi dostępności i jakości danych na potrzeby bankowalnych analiz produktywności, jeszcze przed osiągnięciem poziomu trzeciego mają przewagę nad masztami pomiarowymi. Kampanie pomiarowe przy użyciu pływających LiDARów kosztują nawet 90% mniej niż podobne kampanie z wykorzystaniem tradycyjnych masztów na platformach stacjonarnych [3]. Poza tym procedura związana z uzyskiwaniem odpowiednich pozwoleń i decyzji dla pływających LiDARów jest o wiele mniej skomplikowana niż dla masztów, co w konsekwencji skraca czas realizacji całej inwestycji. Chociaż maszty pomiarowe mają wciąż do odegrania pewną rolę, szczególnie na nowych, niezbadanych akwenach, nie można się nie zgodzić z tezą, że to właśnie pływające LiDARy stają się normą i nowym standardem w branży.

Osiągnięcie kolejnego kamienia milowego, czyli poziomu trzeciego dojrzałości technologicznej, z pewnością będzie temu służyć. Długo oczekiwany moment nastąpił całkiem niedawno. Przełomowym okazał się bowiem rok 2022, kiedy to dwa systemy pływających LiDARów – Oceanor Seawatch i FLS200, dostawców odpowiednio: Fugro i Eolos, osiągnęły najwyższy poziom dojrzałości technologicznej. Systemy te potwierdziły tym samym swoją niezawodność zarówno w trakcie krótszych, jak i dłuższych prób weryfikacyjnych i klasyfikacyjnych oraz komercyjnie, w kampaniach pomiarowych wiatru na morzu trwających minimum 12 miesięcy.

Rysunek 3: Fugro Oceanor Seawatch, Fugro

Rysunek 4: Eolos FLS200, Eolos

W sukcesie Eolos ma swój udział również PGE Baltica, której kampania pomiarowa wiatru na obszarze projektów Baltica 2 i Baltica 3 obejmowała testy klasyfikacyjne systemu FLS200, w niezbadanych jak dotąd warunkach środowiska morskiego tej części Morza Bałtyckiego. Kampania pomiarowa realizowana była w okresie od stycznia 2018 do lutego 2020 roku. Wyniki całej kampanii, w tym testów klasyfikacyjnych, zostały poddane ocenie niezależnego konsultanta technicznego w celu potwierdzenia spełnienia wymagań kwalifikujących system pomiarowy FLS200 do przejścia z poziomu drugiego na poziom trzeci dojrzałości technologicznej.

Niezawodność systemu pomiarowego FLS200 firmy Eolos potwierdzona w kampanii pomiarowej dla projektu Baltica 2+3 przełożyła się na wybór tego samego wykonawcy badań i jego boi pomiarowej do przeprowadzenia kampanii pomiarowej na obszarze innego projektu rozwijanego przez PGE Baltica. Boja FLS200 została tym razem odholowana dalej w głąb morza, około 85 km na północ od linii brzegowej i zakotwiczona w lokalizacji projektu Baltica 1. Pomiar wiatru, a także fal i prądów morskich rozpoczął się w lipcu 2022 i będzie kontynuowany przez minimum 1 rok.

Niepewność pomiarowa: Poziom 2 vs Poziom 3

Jednym z kluczowych pytań, zadawanych teraz przez branżę, jest z pewnością: „Jak osiągnięcie poziomu trzeciego wpłynie na niepewność pomiarową i w efekcie na cały projekt?”

Niepewność pomiarowa jest jednym z elementów niepewności całkowitej szacowanej przy wyznaczaniu wartości produkcji energii dla różnych poziomów prawdopodobieństwa np. P75 czy P90. P90 jest z kolei jednym z głównych wskaźników analizowanych przez banki przy finansowaniu projektów farm wiatrowych. Niższa niepewność pomiarowa skutkuje wyższą produktywnością na poziomie P90, a tym samym stawia dewelopera na lepszej pozycji przy negocjacjach z bankiem.

Zgodnie z mapą drogową OWA [1] oraz zalecanymi praktykami OWA [4] i IEA [5], niepewność pomiarową tworzą trzy składowe wymienione na schemacie poniżej:

Rysunek 5: Komponenty niepewności pomiarowej, opracowanie własne na podst. [1]

Pierwsza składowa niepewności pomiarowej – niepewność weryfikacyjna – związana jest z błędem pomiaru szacowanym na podstawie wyników weryfikacji testowej (przedinstalacyjnej) urządzenia względem referencyjnego masztu pomiarowego lub LiDARu na platformie stacjonarnej. Błędy pomiaru uwzględnione w niepewności instalacyjnej, czyli te na skutek uchybień w montażu urządzeń systemu pomiarowego, są najczęściej znikome w przypadku pływających LiDARów. Obie te składowe – weryfikacyjna i instalacyjna – nie zmieniają się w zależności od poziomu dojrzałości technologicznej systemu pomiarowego. Różnica na poziomach drugim i trzecim pojawia się dopiero na etapie określania trzeciej składowej niepewności pomiarowej, a mianowicie niepewności klasyfikacyjnej. Testy klasyfikacyjne pod kątem wrażliwości systemu pomiarowego na różne warunki środowiska morskiego wymagane są bowiem na trzecim poziomie dojrzałości technologicznej. Znając wyniki walidacji klasyfikacyjnej, wyznaczającej poziom odporności systemu pomiarowego na zmienność warunków zewnętrznych, można je odnieść do tych z lokalizacji projektu i oszacować ewentualny błąd pomiaru z tym związany. W przypadku systemów pomiarowych na poziomie drugim jest to ograniczone, gdyż niepewność klasyfikacyjna bazuje jedynie na założeniach opartych na informacji z pojedynczej weryfikacji testowej systemu i opinii eksperckiej. Warto wspomnieć, że w niektórych przypadkach systemy pomiarowe na poziomie trzecim mogą odznaczać się podobną wartością niepewności klasyfikacyjnej do tej na poziomie drugim. Przykładowo jeśli warunki środowiska morskiego w lokalizacji projektu będą znacząco odbiegać od tych z lokalizacji testów klasyfikacyjnych, skutkować to będzie podwyższeniem niepewności klasyfikacyjnej. Niemniej jednak, nawet przy takim scenariuszu niepewność będzie nieco niższa od tej zakładanej dla systemu na poziomie drugim w tej samej sytuacji.

W dotychczasowych kampaniach pomiarowych z użyciem pływających LiDARów na poziomie drugim, całkowita niepewność pomiarowa oscylowała w granicach ~3% do ~4%. Przy potencjalnym zmniejszeniu niepewności klasyfikacyjnej dla systemów na poziomie trzecim, możliwe jest, że całkowita niepewność pomiaru spadnie poniżej 3%. Zbliży się zatem do niepewności pomiarowej dla anemometrów czaszowych mierzących prędkość wiatru na masztach meteorologicznych. Innym powiązanym aspektem, w którym można doszukać się korzyści płynących z użycia systemu pomiarowego na poziomie trzecim jest dostępność danych. W myśl zasady: „im więcej, tym lepiej” większa dostępność danych powinna pomóc w dokładniejszym zdefiniowaniu rozkładu częstotliwości prędkości i kierunku wiatru, a tym samym w precyzyjniejszym określeniu reżimu wiatrowego w lokalizacji projektu. Chociaż nie wpłynie to bezpośrednio na samą niepewność pomiaru, przyczyni się jednak do obniżenia całkowitej niepewności szacowania zasobów wiatru oraz produkcji energii dla przyszłej farmy wiatrowej.

Co dalej?

Są to zatem realne korzyści, jakie niesie ze sobą osiągnięcie najwyższego poziomu dojrzałości technologicznej przez pływające LiDARy. Niemniej jednak pomimo związanych z tym zalet, a tym samym przewagi systemów na poziomie trzecim względem tych na poziomie drugim, można je w dużej mierze traktować na równi ze sobą. Kampanie wiatrowe z użyciem technologii na obu poziomach są bowiem wystarczające do celów wiarygodnej oceny zasobów wiatru w lokalizacji projektu pod warunkiem, że są one przeprowadzone prawidłowo, zgodnie z obowiązującymi wytycznymi. W niektórych przypadkach, o czym wspomniano wcześniej, spodziewana niepewność pomiarowa może być zbliżona niezależnie od poziomu dojrzałości technologicznej systemu użytego w kampanii pomiarowej. Jest ona bowiem oceniana indywidualnie dla każdego projektu. Poza tym użycie systemu na poziomie drugim, wcale nie musi też od razu wskazywać na to, że nie zostaną osiągnięte progi dostępności danych, takie jak te dla poziomu trzeciego. Nie oznacza to więc końca żywotności systemów pomiarowych na poziomie drugim. Teza ta nabiera jeszcze większego znaczenia, patrząc na ilość nowych projektów w ujęciu globalnym i tylko garstkę aktualnie dostępnych na rynku dostawców pływających LiDARów. Nie zmienia to jednak faktu, że osiągnięcie poziomu trzeciego przynosi również duże korzyści komercyjne samym dostawcom, toteż w niedalekiej przyszłości należy spodziewać się kolejnych dostawców ogłaszających, że ich systemy osiągnęły najwyższy stopień dojrzałości technologicznej.

Bibliografia

Autor: Marceli Tauzowski, Starszy Ekspert ds. pomiarów i produktywności MFW, PGE Baltica

Absolwent Akademii Górniczo-Hutniczej na kierunku Odnawialne Źródła Energii oraz studiów podyplomowych z zakresu Inżynierii Danych w Szkole Głównej Handlowej. Posiada tytuł MBA Wyższej Szkoły Biznesu - National Louis University. Certyfikowany Project Manager APMG. Specjalizuje się w pomiarach wiatru, projektowaniu layoutów i szacowaniu produkcji energii dla przyszłych farm wiatrowych. Doświadczenie zdobywał u wiodących konsultantów technicznych przy projektach rozwijanych na wodach Niemiec, Wielkiej Brytanii, Irlandii, USA i Japonii, zarządzając zespołami inżynierów i analityków. Obecnie bierze udział w projektowaniu pierwszych polskich morskich farm wiatrowych, w PGE Baltica pełniąc rolę Starszego Eksperta ds. pomiarów i produktywności MFW.