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Bessere Computermodelle für Mega-Windparks erforderlich
Da Windkraft immer billiger wird, erstellen Windpark-Entwickler Pläne für Parks, die eine Größenordnung größer sind als alles andere, die es heute gibt, einige mit mehr als 1.000 Turbinen. Aber es gibt ein großes Problem: Die Wirtschaftlichkeit von Windparks hängt von genauen Vorhersagen der Leistung ab, und es ist viel schwieriger zu modellieren, wie sich solche großen Windparks verhalten werden.
Wechselnde Winde: Eine Simulation zeigt die Auswirkungen turbulenter Nachläufe auf nachgelagerte Windkraftanlagen. Die Turbulenzen wirken sich auf Luft in einer Höhe von bis zu einem Kilometer über dem Boden aus.
Im Maßstab von mehreren hundert bis über tausend Windkraftanlagen kann die Simulation der Wechselwirkungen zwischen so vielen Windkraftanlagen bei unterschiedlichen Wetterbedingungen für aktuelle Computermodelle zu komplex sein. Das Problem könnte tiefgreifende Auswirkungen auf die Kosten der Windkraft und ihre Fähigkeit haben, große Mengen fossiler Brennstoffe zu ersetzen.
Vor etwa fünf Jahren führten schlechte Datenerfassung und ineffektive Computermodelle dazu, dass Windentwickler die Energieproduktion ihrer Parks um mehr als 10 Prozent überschätzten, genug, um Gewinne zu vernichten und sie in einigen Fällen daran zu hindern, Kredite zurückzuzahlen. Die Modelle haben sich verbessert, aber der Sprung zu größeren Windparks und die zunehmende Verbreitung gewöhnlicher Windparks, die nahe genug beieinander gebaut werden, um sich gegenseitig zu stören, wirft das Problem erneut auf.
Einige Forscher und Branchenexperten sagen, dass Computermodelle zwar gut darin geworden sind, die Produktion typischer Windparks von 50 bis 100 Windturbinen abzuschätzen, aber in viel größeren Maßstäben Probleme haben werden. Wenn man auf 1.000 Windturbinen gehen würde, würden die Werkzeuge der Branche versagen, sagt Keith Longtin, General Manager of Product Management bei GE Power and Water.
Mit Milliarden von Dollar, die auf dem Spiel stehen, ergreifen die Entwickler der neuen, sehr großen Windparks außergewöhnliche Maßnahmen, um die Leistung vorherzusagen.
Der Bau eines geplanten Mega-Windparks mit 1.000 Turbinen, dem Projekt Chokecherry und Sierra Madre auf der Ranch Overland Trail in Wyoming, soll im nächsten Jahr beginnen.
Die Entwickler des Projekts haben fünf Jahre lang Windgeschwindigkeit, Richtung, Temperatur und andere Wetterbedingungen am Standort gemessen (zwei Jahre sind Standard). Sie haben Daten von 32 mit Sensoren ausgestatteten meteorologischen Türmen gesammelt, die sich 60 bis 80 Meter über den sanften, mit Salbeigestrüpp bedeckten Hügeln der Ranch erheben, zusammen mit Messungen von schallgestütztem Radar (sodar genannt), das den Wind in Höhen von bis zu . scannen kann 200 Meter, die Höhe einiger Windkraftanlagen.
Die Entwickler haben auch Supercomputer verwendet, um die Daten durch die neuesten Computermodelle zu leiten, die entwickelt wurden, um die Art und Weise zu berücksichtigen, wie Windturbinen miteinander interagieren – wenn der Wind durch sie hindurchfließt, erzeugen die Turbinen Nachläufe, die die Leistung nachgeschalteter Turbinen beeinträchtigen können. Sie kamen zu dem Schluss, dass der Windpark mindestens 8,76 Milliarden Kilowattstunden pro Jahr erzeugen könnte oder genug Strom für 770.000 Haushalte.
Ein Problem bei den aktuellen Modellen ist, dass sie die Variabilität des Windes nicht nur am Boden, sondern sogar Hunderte von Metern über dem Niveau von Windkraftanlagen nicht genau darstellen. Jüngste Untersuchungen deuten darauf hin, dass Modelle bei manchen Wetterbedingungen die Nachlaufverluste dramatisch unterschätzen können, sagt Michael Drunsic, Senior Consultant bei DNV KEMA, der Entwicklern bei der Schätzung der Windkraftproduktion hilft. Die Nachläufe tragen viel weiter als bisher geschätzt, sagt er. In Windparks mit nur einer Reihe – wie beispielsweise solchen, die auf Kämme folgen – ist dies kein großes Problem. Bei großen Windparks mit mehreren Reihen könnten die längeren Nachläufe jedoch viele Windkraftanlagen beeinträchtigen und ihre Leistung verringern.
Solche Erkenntnisse können die Anordnung von Windenergieanlagen beeinflussen, insbesondere in größeren Windparks mit vielen Turbinenreihen. Charles Meneveau, Professor für Maschinenbau an der Johns Hopkins University, hat Modelle entwickelt, wie sehr große Windparks die Luft bis zu einem Kilometer über ihnen stören. Anhand einiger seiner Simulationen hat er gezeigt, dass Turbinen eigentlich doppelt so weit auseinander platziert werden sollten wie sonst üblich, um das Beste aus dem Wind herauszuholen. Aber er sagt, dass seine aktuellen Modelle die Leistung sehr großer Windparks immer noch nicht genau vorhersagen können – sie betrachten nur die Leistung bei durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten, und die Leistung von Windturbinen kann je nach Windbedingungen stark variieren, sagt er.
Doch während neue Computermodelle Herausforderungen für große Windparks identifizieren, bringen sie auch gute Nachrichten, sagt Meneveau. Er hat beispielsweise gezeigt, dass Turbulenzen zwar ein Problem sein können, aber auch für große Windparks unerlässlich sind. Ohne Turbulenzen würden die ersten Reihen eines Windparks den Wind im Wesentlichen blockieren und die Anzahl der Reihen, die installiert werden könnten, begrenzen. Er zeigte, dass Turbulenzen den Wind tatsächlich von oberhalb des Windparks nach unten ziehen. Dadurch kann die letzte Reihe in einem Windpark, obwohl sie etwas weniger Energie bekommt als die erste Reihe, noch Strom erzeugen, solange die Windturbinen richtig verteilt sind. Die schlechte Nachricht ist, dass die Leute bei großen Windparks nicht genau wussten, wie sie mit Turbulenzen umgehen sollten, sagt er. Die gute Nachricht ist, dass Sie die Farm so groß machen können, wie Sie möchten, da Sie die Luft von oben herunterziehen können.
Laut Meneveau können die Modelle auch verwendet werden, um das Design und den Betrieb von Windkraftanlagen zu optimieren. Diejenigen in der ersten Reihe könnten beispielsweise so programmiert werden, dass sie ihre Rotorblätter so ausrichten, dass mehr Wind an ihnen vorbeiströmt, wodurch die Leistung der Turbinen in den nachfolgenden Reihen verbessert und so die Leistung des gesamten Windparks erhöht wird. Entsprechende Forschungen werden am National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado durchgeführt (siehe Novel Designs Are Take Wind Power to the Next Level and Will Vertical Turbines Make More of the Wind? ).
Verbesserte Computermodelle werden entscheidend sein, um die Kosten der Windenergie zu senken, sagt Drunsic. Je genauer die Modelle und je sicherer ein Entwickler sein könne, desto geringer seien die Finanzierungskosten, sagt er.