Windräder: Egoisten unerwünscht

14.2.2017

In einem Windpark drehen sich oft Hunderte von Rotoren. Was kaum jemand weiß: Turbulenzen, die durch die Bewegung der Windräder erzeugt werden, beeinträchtigen die Leistung und Lebenserwartung benachbarter Anlagen. In einem EU-Projekt untersuchen Forscherinnen und Forscher der Technischen Universität München (TUM) diese Wechselwirkungen im Windkanal und entwickeln ein Computermodell, das die Effizienz von Windparks steigert.

Im Windkanal lassen sich die Wechselwirkungen zwischen Windkraftanlagen mit Hilfe von Modellen erforschen. (Bild: Carlo L. Botasso / TUM)

"Bisher sind Windkraftanlagen Egoisten", sagt Johannes Schreiber, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Windenergie. "Jedes einzelne ist darauf ausgelegt, über einen möglichst langen Zeitraum maximale Leistung zu erbringen." Dieser "Egoismus" sei schlecht für die Gesamtperformance, erklärt er: "Jede Anlage erzeugt Windabschattungen und Turbulenzen, die benachbarte Anlagen negativ beeinflussen können. Wenn man möchte, dass Windparks möglichst effizient arbeiten, muss man den Fokus auf das große Ganze richten."

Intelligente Steuerung erhöht die Energieausbeute

Eine wissenschaftliche Herausforderung, denn das komplexe Wechselspiel der Kräfte ist schwer zu erfassen und noch schwerer zu steuern: Jeder einzelne Rotor beeinflusst die Bewegung der Luft, die an ihm vorbeiströmt, bremst sie ab und sorgt so für Verwirbelungen. Dieser Abschattungseffekt verringert die Leistung der im Lee stehenden Anlagen und belastet das Material – Masten, Rotorblätter und Generatoren, die ständig turbulenten Strömungen ausgesetzt sind, ermüden schneller. Weltweit versuchen Wissenschaftler bereits seit Jahren, die Abschattungseffekte zu minimieren, um die Effizienz von Windparks zu steigern.

Die Forscher der TUM konnten jetzt in Experimenten zeigen, dass sich die Abschattungseffekte durch eine intelligente Steuerungstechnik reduzieren lassen: "Der Ansatz besteht darin, den Nachlauf – also den von einer Anlage verursachten Windschatten – so abzulenken, dass er an den im Lee stehenden Anlagen vorbeiströmt", erläutert Prof. Carlo Bottasso, Inhaber des Lehrstuhls für Windenergie an der TUM. Für die Arbeit wurde sein Team im vergangenen Herbst mit dem Bayerischen Energiepreis ausgezeichnet.

Test im Windkanal

Doch wie optimiert man die Luftbewegung in einem Windpark? "Der Nachlauf lässt sich durch Gieren des Rotors ablenken – beim Gieren trifft der Wind nicht mehr frontal, sondern leicht von der Seite auf den Rotor", erläutert Schreiber.

Um herauszufinden, wie sich die verschiedenen Einstellungen einzelner Anlagen auf die Energieausbeute ganzer Windparks auswirken, haben die Wissenschaftler Modelle gebaut. Wie echte Windkraftanlagen verfügen die nur 1,5 Meter hohen Miniatur-Anlagen über Generatoren, Antriebe und sogar Motoren zum Verstellen der einzelnen Blätter. Jedes Modell ist zudem mit Sensoren ausgestattet, die ermitteln, welche Kräfte auf die verschiedenen Komponenten einwirken.

Mit drei dieser Modelle im Gepäck fuhren die Münchner Forscher nach Mailand. Am Politecnico di Milano (Polytechnikum Mailand) befindet sich ein Windkanal, der die Strömungsverhältnisse in den unteren Atmosphärenschichten maßstabsgetreu erzeugen kann. "Hier konnten wir tatsächlich zeigen, dass der Abschattungseffekt die Stromausbeute verringert", berichtet Schreiber.

Im nächsten Schritt gingen die Ingenieure daran, den Energie-Output zu optimieren: Sie verbanden die drei Modelle mit einer zentralen Steuerungseinheit, welche ebenfalls am Lehrstuhl für Windenergie entwickelt wurde und als "Gehirn" des Windparks agiert. Diese Steuerung sorgt dafür, dass das Kollektiv der Windkraftanlagen ein möglichst gutes Ergebnis erzielt – im Gegensatz zur üblichen "egoistischen" Praxis.

In den Experimenten wurden die Rotoren, auf die der Wind als erstes trifft, automatisch gegiert und somit auch deren Nachläufe abgelenkt. Dabei sinkt zwar die Leistung der gegierten Anlagen, der Verlust wird jedoch mehr als ausgeglichen durch eine erhöhte Stromerzeugung der im Lee stehenden Anlagen. Diese werden wegen des abgelenkten Nachlaufs außerdem weniger stark belastet, was die Lebensdauer der Anlagen erhöht. "Die Messungen im Windkanal haben erstmals gezeigt, dass eine automatische Windparkregelung die Leistung deutlich erhöhen kann", resümiert Bottasso.

Mehr erneuerbare Energie für weniger Geld

Das Know-how wird das Team jetzt einbringen, um im EU-Projekt "Closed Loop Wind Farm Control" - kurz CL-WINDCON - zusammen mit 13 weiteren Partnern aus 6 Ländern ein intelligentes Steuersystem für Windparks zu entwickeln und testen.

In den nächsten drei Jahren wollen die Wissenschaftler die automatisierte Windparkregelung optimieren und durch Feldversuche auch im großen Maßstab testen. Das Ziel ist mehr Strom für weniger Geld: In den effizienten Windparks der Zukunft sollen alle Anlagen so gesteuert werden, dass das Kollektiv möglichst viel Leistung erbringt und geringe Wartungskosten erzeugt.

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Finanziert wurde die Arbeit der TUM-Forscher im Projekt CompactWind durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi.

Publikation:

Journal of Physics: Conference Series, Volume 753 B. Wind, wakes, turbulence and wind farms: "Wind tunnel testing of a closed-loop wake deflection controller for wind farm power maximization", Filippo Campagnolo, Vlaho Petrović, Johannes Schreiber, Emmanouil M. Nanos, Alessandro Croce and Carlo L. Bottasso
http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/753/3/032006

Mehr Informationen

Youtube-Video Bayerischer Energiepreis 2016: Kurzbeschreibung des Projekts

Bild für die redaktionelle Berichterstattung

https://mediatum.ub.tum.de/1348937

Kontakt:

Johannes Schreiber, M.Sc.
Technische Universität München
Tel.: +49 (0)89 289 16683
johannes.schreiberspam prevention@tum.de

Dr. Filippo Campagnolo
Technische Universität München
Tel.: +49 (0)89 289 16684
filippo.campagnolospam prevention@tum.de

Prof. Dr. Carlo L. Bottasso
Technische Universität München
Tel.: +49 (0)89 289 16680
carlo.bottassospam prevention@tum.de