Narodowe Centrum Badań
i Rozwoju

  Tytuł projektu

Realizacja prac B+R, prowadzących do wdrożenia nowego rozwiązania – MULTIREJESTRATOR PLUS dla monitorowania i kontroli systemu elektroenergetycznego pod kątem efektywności eksploatacji, wydłużenia czasu życia i optymalizacji oddziaływania na otoczenie farm wiatrowych

  Nazwa Beneficjenta/Beneficjentów

Bioseco S.A.

  Nazwa programu

Program Operacyjny Inteligentny Rozwój

  Konkurs

Program sektorowy PBS

  Wartość projektu

4 067 612,07 zł

  Wartość dofinansowania

2 995 824,27 zł

  Okres realizacji projektu

od 01.09.2018 r. do 30.11.2021 r.

Spółka Bioseco powstała 2013 r. w celu opracowania technologii umożliwiających na zrównoważony rozwój nowoczesnego przemysłu. Firma tworzy innowacyjne w skali światowej urządzenia do autonomicznego monitoringu i ochrony awifauny w przestrzeniach powietrznych farm wiatrowych oraz portów lotniczych. Unikatowa technologia została opracowana przez zespół naukowców, inżynierów, ornitologów oraz ekspertów energetyki wiatrowej.

Kluczowi członkowie naszego zespołu:

 

prof. Włodek Kulesza, Kierownik B+R Projektu

Profesor Blekinge Institute of Technology (Szwecja) o wybitnym dorobku naukowym w zakresie systemów wielosensorowych opartych na technologii Internetu rzeczy (IoT) oraz algorytmów uczenia maszynowego. Doświadczony w opracowywaniu unikatowych technologii dedykowanych ochronie środowiska, opiece zdrowotnej i nauce.

 

 

 

 

Adam Jaworski, prezes zarządu (CEO), rola w projekcie: kierownik zarządzający

W branży energetyki wiatrowej do 2008 roku. Kierował interdyscyplinarnym zespołem złożonym z inżynierów i ekonomistów, o wspólnej wizji budowy czystych elektrowni w Polsce, w ramach którego zbudowano portfel 89,4 MW na 3 farmach wiatrowych.

Do Bioseco wniósł doświadczenie pozwalające na identyfikację potrzeb operatorów farm wiatrowych. Umożliwiło to na komercyjny sukces finalnego rezultatu projektu.

 

 

 

Dr inż. Dawid Gradolewski, CTO, w projekcie Senior R&D Developer

Dawid jest autorem koncepcji technologicznej  opracowywanego systemu oraz jego kluczowych algorytmów. Jest również współautorem artykułów naukowych opracowanych w ramach projektu. W firmie odpowiada dalszy rozwój systemu.

 

 

 

 

Dr inż. Damian Maciej Dziak, Head of Software, w projekcie Senior R&D Developer

Damian jest jednym z czołowych programistów Bioseco, który specjalizuje się w systemach obliczeń rozproszonych i sztucznej inteligencji. Jego główne prace badawcze poświęcone są dostosowywaniu nowoczesnych systemów do potrzeb użytkowników oraz technologii IoT.

 

 

 

Damian Kaniecki, Head of Hardware, w projekcie Projektant systemów wbudowanych

Odpowiada za opracowanie koncepcji mechanicznej systemu wraz z projektem oraz oprogramowaniem dedykowanych systemów elektroniki. Obecnie realizuje montaż, instalację oraz utrzymanie opracowanego w ramach projektu systemu. Ekspert w dziedzinie inżynierii elektronicznej i rozwoju systemów wbudowanych, w Bioseco od 2016 roku.

 

 

 

 

Aleksandra Szurlej- Kielańska, w projekcie Koordynator monitoringu i audytu danych ornitologicznych

Odpowiada za weryfikację i tworzenie założeń funkcjonalnych dla systemu z punktu widzenia ornitologicznego, opracowywanie metodologii badań, nadzorowanie pracy ornitologów, i koordynowanie obserwacji środowiskowych oraz opracowywanie wniosków i zaleceń związanych z rozwojem systemu pod kątem skuteczności detekcji i ostrzegania ptaków.

Bezpośrednim celem działania naszego systemu jest ochrona ptaków na terenie farm wiatrowych, ze szczególnym uwzględnieniem gatunków zagrożonych  wyginięciem. System BPS jest w stanie wykryć, zidentyfikować i zlokalizować ptaka z odległości wynoszącej nawet 750 metrów, co jest kluczowe aby odpowiednio wcześnie zatrzymać turbinę wiatrową, której końcówki łopat potrafią się obracać z prędkością wynoszącą nawet 300 km/h. W tym celu  system w każdej sekundzie pracy musi przetworzyć ponad 11 GB danych. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu najnowocześniejszych technologii, w tym m.in. technologię Internetu rzeczy (IoT), uczenia maszynowego oraz koncepcję obliczeń rozproszonych.

Systemy wizyjne, takie jak system BPS opracowany przez Bioseco, zyskują w ostatnim okresie popularność dzięki wysokiej skuteczności detekcji, aktywnej możliwości przeciwdziałania kolizjom oraz stosunkowo niskiej cenie. Pozytywne testy i kampanie walidacyjne pozwoliły wdrożyć rezultat projektu jako tańszą i skuteczniejszą alternatywę do kosztownych okresowych i czasowych wyłączeń farm wiatrowych. W najbardziej wrażliwych miejscach turbina wiatrowa na podstawie decyzji władz środowiskowych zatrzymywana jest prewencyjnie nawet na okres kilku miesięcy. Zamieniając trwałe wyłączenia na oferowane przez system BPS czasowe przestoje, które aktywowane są tylko i wyłącznie w momencie gdy system wykryje ptaka można uzyskać znaczący wzrost produkcji zielonej energii. Średnio jedna godzina przestoju turbiny wiatrowej to około strata 1MWh produkcji, czyli około 75 Euro. System podczas dużej aktywności ptaków potrafi zatrzymać turbinę łącznie nawet na okres godziny, a przez pozostałe 23 godziny turbina wiatrowa może bezpiecznie produkować zieloną energię.

Aby w dalszy sposób zminimalizować niepotrzebne przestoje turbiny wiatrowej spółka Bioseco opracowała rozwiązanie, które bazując na stereowizji umożliwia nie tylko skuteczną detekcję ptaków, ale również na ich lokalizację w przestrzeni powietrznej wokół turbiny wiatrowej. Zastosowanie stereoskopii pozwala również na określenie wielkości wykrytego obiektu i minimalizację fałszywych alarmów. W konsekwencji system uruchamia się tylko i wyłącznie w razie bezpośredniego zagrożenia, jeśli ptak o określonej wielkości znajdzie się w danym obszarze. Opracowany kaskadowy system odstraszaczy redukuje zatem do minimum liczbę zatrzymań turbiny wiatrowej optymalizując wykorzystanie metod ostrzegania ptaków o potencjalnej kolizji, takich jak światła czy dźwięki. W praktyce - w czasie dwóch sekund system jest w stanie oszacować odległość wykrytego ptaka oraz jego wielkość, a następnie samoczynnie wybrać działanie minimalizujące ryzyko kolizji, np. aktywując wbudowany system ostrzegania światłem i/lub  dźwiękiem oraz możliwość zatrzymania turbiny. Schemat działania kaskadowych odstraszaczy obrazuje poniższa grafika (Rysunek 1).

 

Rysunek 1. Schemat działania systemu wraz z kaskadowymi odstraszaczami

Poniższy film obrazuje zasadę działania BPS

Realizację projektu intensywnie wspierała spółka PGE EO SA, która na potrzeby realizowanego projektu, udostępniła swoje farmy wiatrowe – „Lotnisko” i „Kisielice”, gdzie przesterowany został w warunkach rzeczywistych prototyp systemu. Podczas testów zweryfikowany skuteczność systemu pod kątem detekcji ptaków na różnych odległościach oraz oszacowano potencjalne zyski bądź straty w produkcji energii dzięki zastosowaniu aktywnej ochrony ptaków zamiast. Weryfikacji podlegały również fałszywe wykrycia (ang. false positive), czyli przypadki, gdy system dokonałby zatrzymania turbiny na obiekt inny niż ptak. Podsumowanie pilotażu można obejrzeć pod adresem:  https://www.youtube.com/watch?v=to0mjt77pcI&t=25s

Prototyp systemu został również przetestowany w warunkach rzeczywistych, na turbinach wiatrowych które miały wcześniej zarejestrowane i potwierdzone przypadki kolizji ptaków z Turbinami wiatrowymi.

1. Cabeza Morena (Hiszpania), 3 Turbiny wiatrowe wyposażone w system BPS, okres testów wynosił 12 miesięcy. System w tym czasie wykrył łącznie 42 503 ptaki, z czego 4674 ptaki drapieżne. System 1445 razy zatrzymał turbinę wiatrową umożliwiając bezpieczny przelot. Nie odnotowano kolizji.

1. Lazaro (Hiszpania), jedna turbina wiatrowa wyposażona w system BPS przez okres 12 miesięcy – system w tym czasie wykrył14 344 ptaków, z czego zarejestrowano 7 867 wykrycia ptaków drapieżnych. System zatrzymał turbinę 1 767 razu umożliwiając bezpieczny przelot. Nie odnotowano kolizji.

Analizę zebranych danych umożliwia dedykowana aplikacja webowa, która została przedstawiona na rysunku 2. W aplikacji można obejrzeć miniatury zarejestrowanych detekcji, przykładowe trasy przelotu estymowane przez system, oraz nagrania wideo zarejestrowane w rozdzielczości 4k.

Rysunek 2. Screen z aplikacji webowej dla Klientów do obserwacji wykryć ptaków w pobliżu turbiny

 

W toku prowadzonych prac, dokonano szeregu testów obejmujących m.in. długookresowe obserwacje ornitologiczne, testy z wykorzystaniem drona oraz ptaków wyposażonych w odbiornik GPS.  Pełna weryfikacja systemu obejmująca analizę statystyczną zebranych danych umożliwiła na potwierdzenie skuteczność rozwiązania, a rezultaty pracy zostały opublikowane w renomowanych czasopismach naukowych. Przeprowadzone testy wykazały, że system może w pełni skutecznie zastąpić okresowe prewencyjne zatrzymania turbiny wiatrowej, które w niektórych częściach Europy trwają nawet kilka miesięcy. Kolejne artykuły  są przygotowane do publikacji:

1. Gradolewski, D.; Dziak, D.; Martynow, M.; Kaniecki, D.; Szurlej-Kielanska, A.; Jaworski, A.; Kulesza, W.J. Comprehensive Bird Preservation at Wind Farms. Sensors 2021, 21, 267. https://doi.org/10.3390/s21010267
2. Prezentacja na 13th Wind Wildlife Research Meeting,: Bioseco Bird Protection System (BPS) the tool for protection of birds at windfarms. Autorzy: Aleksandra Szurlej-Kielańska, Lucyna Pilacka, Dariusz Górecki, Dawid Gradolewski, Damian Dziak, Adam Jaworski, 01 - 04 December 2020;
3. Aschwanden, J. & F. Liechti (2019): Test of the automatic bird detection system BPS on the test field of WindForS in the context of nature conservation research (NatForWINSENT). Schweizerische Vogelwarte, Sempach.Report on behalf of the Centre for Solar Energy and Hy-drogen Research Baden-Württemberg (ZSW)

Rozwiązanie Bioseco zostało objęte ochroną patentową. Patent pt. „SYSTEMS AND METHODS FOR DETECTING FLYING ANIMALS”, stanowiący podstawę do rozwinięcia BPS, został już przyznany w Stanach Zjednoczonych, a dalsze postępowanie toczy się w Australii, Brazylii, Kanadzie, Chinach, Indiach, oraz przed europejskim urzędem patentowym EPO. Dodatkowo, zapewniając ochronę rezultatów intelektualnych projektu, pod koniec 2020 firma zgłosiła do ochrony przez Urząd Patentowy Zjednoczonego Królestwa Wielkiej Brytanii i Irlandii Północnej wynalazek, objęty numerem 2018391.9 pod tytułem „A STEREOVISION METHOD AND SYSTEM”. Planowane jest dalsze rozszerzanie ochrony patentowej na kluczowe rynki energetyki wiatrowej.

Produkt po zakończonej fazie badawczej przeszedł walidację obejmującą szereg badań, testów, które finalnie zakończyły się certyfikacją umożliwiającą komercyjne wdrożenie systemu do użytku. Produkt otrzymał certyfikat zgodności CE, który potwierdza zgodność produktu z normami PN-NE 61000-4-2, PN-EN 61000-4-4, PN-EN 61000-4-5, PN-EN 61000-4-6,        PN-EN 61000-4-8, PN EN 55032. Certyfikacja CE stanowi proces oceny zgodności parametrów produktu z wymogami określonymi w unijnych dyrektywach i stanowi warunek konieczny do dopuszczenia do obrotu na terenie Europejskiego Obszaru Gospodarczego.

Produkt cechuje się wysokim potencjałem komercjalizacyjnym, a jego sprzedaż ciągle rośnie. W samym 2022 roku zakontraktowano już sprzedaż 60 systemów, a firma jest w trakcie rozmów handlowych i negocjacji z kolejnymi zainteresowanymi odbiorcami. Przykładową instalację systemu obrazuje Rysunek 3.

Rysunek 3. System BPS na farmie wiatrowej na Teneryfie

System BPS został również dostrzeżony na arenie międzynarodowej zyskując prestiżowy tytuł IEEE Next Rising Star, jak również na arenie krajowej otrzymując wyróżnienia Zielonego Orła Rzeczpospolitej (I miejsce dla firm technologicznych) oraz Polski Produkt Przyszłości. Firma otrzymała również nominację do godła „Teraz Polska” 2022.

Rysunek 4. Wyróżnienia i nagrody dla naszego produktu

Skala śmiertelności ptaków na farmach wiatrowych zależy od wielu czynników, w tym od położenia farmy względem siedlisk i stref bytowania poszczególnych gatunków. Szczególnie narażone są duże ptaki, a skala ich śmiertelności jest znacząca, szczególnie w sytuacjach, gdy na danym terenie występuje tylko kilka czy kilkanaście par danego gatunku ptaków. W minionym kwartale w Stanach Zjednoczonych zapadł wyrok przeciw spółce prowadzącej ponad 100 farm wiatrowych na terenie całego kraju. Nałożono na nią grzywnę 1,8 mln $, gdyż od 2012 r. na 50 farmach doszło do 137 śmiertelnych kolizji bielików amerykańskich i orłów przednich.  Dodatkowo sąd zobowiązał tego operatora do pokrycia kosztów odtworzenia ww. gatunków (6,2 mln $), wdrożenia w ciągu 5 lat działań minimalizujących kolizje ptaków drapieżnych z turbinami wiatrowymi (27 mln $) oraz wyznaczył grzywnę za każdy kolejny przypadek kolizji (29,6 tys. $).  Szacuje się, że rocznie na farmach wiatrowych ginie ponad 500 tys. ptaków, w tym chronione i zagrożone wyginięciem.

Opracowany przez Bioseco system BPS rozwiązuje problem śmiertelności ptaków oraz minimalizacji przestojów Turbiny wiatrowej spowodowanych czasowymi wyłączeniami. Rozwiązujemy to poprzez aktywne zatrzymywanie rotora turbiny wiatrowej w momencie gdy ptak znajduje się w strefie zagrożenia kolizją. Dzięki bliskiej współpracy członków zespołu z ornitologami system jest w stanie oszacować odległość wykrytego ptaka oraz jego wielkość, a następnie samoczynnie wybrać działanie minimalizujące ryzyko kolizji, np. aktywując wbudowany system ostrzegania światłem i/lub  dźwiękiem oraz możliwość zatrzymania turbiny.

Z rezultatów projektu korzystają operatorzy farm wiatrowych, dla których system jest narzędziem minimalizacji ryzyka kolizji i optymalizacji produkcji zielonej energii. Wraz z rozwojem energetyki wiatrowej, organy odpowiedzialne za ochronę środowiska nakładają na operatorów obowiązek czasowego wyłączenia turbiny albo stosowania systemu detekcji. Na podstawie pilotażowych badań można przyjąć, że przy stosowaniu systemu BPS można zredukować czas wyłączeń o ok. 50 proc. w stosunku do czasu narzuconego przez urząd. Szacowana oszczędność dla inwestora wynosi ok. 15 tys. EURO rocznie.

System wykazuje pozytywny wpływ na środowisko naturalne, poprzez zwiększoną produkcję energii pochodzącej z wiatru poprzez redukcję wyłączeń turbiny, zastosowanie systemu ostrzegania (świetlnego i dźwiękowego) poprzedzającego zatrzymanie turbiny.

Istotnym aspektem działania systemu jest ochrona ptaków, w tym gatunków zagrożonych, na terenie farm wiatrowych, czym zainteresowane są przede wszystkich lokalne organy odpowiedzialne za ochronę środowiska. Sprawiamy, że zielona energia jest jeszcze bardziej zielona.

W projekcie zdefiniowano szereg wyzwań technologicznych. Głównym wyzwaniem było opracowanie rozwiązania umożliwiającego detekcję ptaka z pożądanej odległości z wysoką skutecznością (min. 95%) przy niewielkiej liczbie fałszywych wykryć oraz ograniczenie do minimum czasu zatrzymania turbiny wiatrowej. W czasie testów udało się zredukować liczbę fałszywych wykryć z 61% do 4% dzięki wprowadzeniu ulepszonych filtrów oraz optymalizacji oprogramowania. Zgodnie z założeniami wniosku, zespół pracował nad opracowaniem inteligentnego systemu analizy trasy lotu, co udało się osiągnąć. Wyzwaniem było również opracowanie rozwiązania pozwalającego na  przetwarzanie olbrzymiej ilości danych w czasie rzeczywistym. System dedykowany jest głównie zagrożonym gatunkom ptaków, przeważnie dużym o rozpiętości skrzydeł przewyższającej 1,2 metra. W projekcie zdefiniowano wyzwanie polegające na poprawie parametru odległości wykrywania ptaków o rozpiętości skrzydeł większej niż 150 cm o 200 m!

Istotnym wyzwaniem formalnym było sprostanie wymogom formalnym projektu unijnego, który firma realizowała samodzielnie. Poza wyzwaniami związanymi z realizacją projektu w dobie pandemii COVID-19, istotnym wyzwaniem było wejście w tryb funkcjonowania w zawiłościach projektu dofinansowanego. W płynnym wejściu w ten tryb niezmiernie pomocni byli opiekunowie projektu po stronie NCBiR.

Odwagi w tworzeniu innowacji! Wierzymy, że jedyną drogą do rozwoju jest sięganie po nowe, nieszablonowe rozwiązania. Wsparcie funduszy unijnych pozwala, nawet firmom z krótkim stażem, rozwijać swoje pomysły. Zarówno na etapie pracy nad projektem, jak również jego rozliczaniu warto słuchać rad i wskazówek Ekspertów NCBiR. W realizowanych projektach – nie bójmy się zmian – z uwagi na długi okres realizacji, dostosowanie projektu do zmian na rynku jest obligatoryjnym czynnikiem sukcesu.

Powodzenia!