Nahezu alle Windturbinen, die mehr als 5 Prozent des weltweiten Stroms produzieren, werden so gesteuert, als wären sie einzelne, freistehende Einheiten. Tatsächlich sind die überwiegende Mehrheit Teil größerer Windparkanlagen mit Dutzenden oder sogar Hunderten von Turbinen, deren Nachläufe sich gegenseitig beeinflussen können.
Jetzt haben Ingenieure am MIT und anderswo herausgefunden, dass die Energieabgabe solcher Windparkanlagen ohne Notwendigkeit neuer Investitionen in Ausrüstung erhöht werden kann, indem der Windstrom der gesamten Ansammlung von Turbinen modelliert und die Steuerung einzelner Einheiten optimiert wird entsprechend.
Die Steigerung der Energieabgabe einer bestimmten Anlage mag bescheiden erscheinen – sie beträgt insgesamt etwa 1,2 Prozent und 3 Prozent für optimale Windgeschwindigkeiten. Aber der Algorithmus kann in jedem Windpark eingesetzt werden, und die Zahl der Windparks wächst schnell, um die beschleunigten Klimaziele zu erreichen. Wenn diese 1,2-prozentige Energiesteigerung auf alle bestehenden Windparks der Welt angewendet würde, entspräche dies dem Hinzufügen von mehr als 3.600 neuen Windturbinen oder genug, um etwa 3 Millionen Haushalte mit Strom zu versorgen, und einem Gesamtgewinn für Stromerzeuger von fast einer Milliarde Dollar pro Jahr, sagen die Forscher. Und das alles für im Wesentlichen keine Kosten.
Die Forschung wird heute in der Zeitschrift veröffentlicht Naturenergie, in einer Studie unter der Leitung von MIT Esther und Harold E. Edgerton, Assistenzprofessor für Bau- und Umweltingenieurwesen, Michael F. Howland.
„Im Wesentlichen werden alle bestehenden Turbinen im Versorgungsmaßstab ‚gierig‘ und unabhängig gesteuert“, sagt Howland. Der Begriff „gierig“, erklärt er, bezieht sich auf die Tatsache, dass sie so gesteuert werden, dass sie nur ihre eigene Stromerzeugung maximieren, als ob sie isolierte Einheiten ohne nachteilige Auswirkungen auf benachbarte Turbinen wären.
In der realen Welt werden Turbinen in Windparks jedoch absichtlich dicht beieinander angeordnet, um wirtschaftliche Vorteile in Bezug auf die Landnutzung (on- oder offshore) und die Infrastruktur wie Zufahrtsstraßen und Übertragungsleitungen zu erzielen. Diese Nähe bedeutet, dass Turbinen oft stark von den turbulenten Wirbeln beeinflusst werden, die von anderen Windrichtungen erzeugt werden – ein Faktor, den einzelne Turbinensteuerungssysteme derzeit nicht berücksichtigen.
„Aus strömungsphysikalischer Sicht ist es oft das Schlimmste, Windturbinen in Windparks dicht beieinander zu platzieren“, sagt Howland. „Der ideale Ansatz zur Maximierung der Gesamtenergieerzeugung wäre, sie so weit wie möglich auseinander zu setzen“, aber das würde die damit verbundenen Kosten erhöhen.
Hier kommt die Arbeit von Howland und seinen Mitarbeitern ins Spiel. Sie entwickelten ein neues Strömungsmodell, das die Stromerzeugung jeder Turbine im Park in Abhängigkeit von den einfallenden Winden in der Atmosphäre und der Steuerungsstrategie jeder Turbine vorhersagt. Obwohl das Modell auf Strömungsphysik basiert, lernt es aus Betriebsdaten von Windparks, um Vorhersagefehler und Unsicherheiten zu reduzieren. Ohne etwas an den physischen Turbinenstandorten und Hardwaresystemen bestehender Windparks zu ändern, haben sie die physikbasierte, datengestützte Modellierung der Strömung innerhalb des Windparks und der daraus resultierenden Stromerzeugung jeder Turbine bei unterschiedlichen Windbedingungen dazu verwendet Finden Sie die optimale Ausrichtung für jede Turbine zu einem bestimmten Zeitpunkt. Dadurch können sie die Leistung des gesamten Parks und nicht nur der einzelnen Turbinen maximieren.
Heutzutage erfasst jede Turbine ständig die Richtung und Geschwindigkeit des ankommenden Windes und verwendet ihre interne Steuersoftware, um ihre Gierwinkelposition (vertikale Achse) so anzupassen, dass sie sich so nah wie möglich am Wind ausrichtet. Aber in dem neuen System hat das Team zum Beispiel herausgefunden, dass durch Drehen einer Turbine nur geringfügig von ihrer eigenen maximalen Ausgangsposition weg – vielleicht 20 Grad von ihrem individuellen Spitzenausgangswinkel entfernt – die resultierende Leistungssteigerung von einer oder mehreren Windrichtungen ausgeht Einheiten werden den leichten Leistungsrückgang der ersten Einheit mehr als ausgleichen. Durch den Einsatz einer zentralen Steuerung, die all diese Wechselwirkungen berücksichtigt, konnte die Ansammlung von Turbinen unter Umständen mit bis zu 32 Prozent höherer Leistung betrieben werden.
In einem monatelangen Experiment in einem echten Windpark im Versorgungsmaßstab in Indien wurde das Vorhersagemodell zunächst validiert, indem eine Vielzahl von Gierorientierungsstrategien getestet wurden, von denen die meisten absichtlich suboptimal waren. Durch das Testen vieler Kontrollstrategien, einschließlich suboptimaler, sowohl im realen Betrieb als auch im Modell, konnten die Forscher die wahre optimale Strategie identifizieren. Wichtig ist, dass das Modell in der Lage war, die Stromerzeugung der Farm und die optimale Steuerungsstrategie für die meisten getesteten Windbedingungen vorherzusagen, was die Zuversicht gab, dass die Vorhersagen des Modells die wahre optimale Betriebsstrategie für die Farm verfolgen würden. Dies ermöglicht die Verwendung des Modells, um die optimalen Steuerungsstrategien für neue Windbedingungen und neue Windparks zu entwerfen, ohne dass neue Berechnungen von Grund auf neu durchgeführt werden müssen.
Dann bewies ein zweites monatelanges Experiment auf derselben Farm, bei dem nur die Vorhersagen der optimalen Steuerung aus dem Modell umgesetzt wurden, dass die realen Auswirkungen des Algorithmus mit den in Simulationen beobachteten Gesamtenergieverbesserungen übereinstimmen können. Im Durchschnitt über den gesamten Testzeitraum erzielte das System bei allen Windgeschwindigkeiten eine Steigerung der Energieabgabe um 1,2 Prozent, bei Geschwindigkeiten zwischen 6 und 8 Metern pro Sekunde (ca. 13 bis 18 Meilen pro Stunde) eine Steigerung um 3 Prozent.
Während der Test in einem Windpark durchgeführt wurde, sagen die Forscher, dass das Modell und die kooperative Steuerstrategie in jedem bestehenden oder zukünftigen Windpark implementiert werden können. Howland schätzt, dass eine Verbesserung der Gesamtenergie um 1,2 Prozent, umgerechnet auf die weltweit vorhandene Flotte von Windkraftanlagen, mehr als 31 Terawattstunden zusätzlichen Strom pro Jahr erzeugen würde, was ungefähr der Installation von 3.600 zusätzlichen Windkraftanlagen ohne Kosten entspricht. Dies würde den Windparkbetreibern zusätzliche Einnahmen in Höhe von rund 950 Millionen US-Dollar pro Jahr bringen, sagt er.
Die zu gewinnende Energiemenge variiert stark von einem Windpark zum anderen, abhängig von einer Reihe von Faktoren, einschließlich des Abstands der Einheiten, der Geometrie ihrer Anordnung und der Variationen der Windmuster an diesem Standort im Laufe eines Jahr. Aber in allen Fällen kann das von diesem Team entwickelte Modell eine klare Vorhersage der genauen potenziellen Gewinne für einen bestimmten Standort liefern, sagt Howland. „Die optimale Regelungsstrategie und der potenzielle Energiegewinn werden bei jedem Windpark anders sein, was uns dazu motiviert hat, ein vorausschauendes Windparkmodell zu entwickeln, das breit einsetzbar ist, um die Windenergieflotte zu optimieren“, fügt er hinzu.
Aber das neue System kann möglicherweise schnell und einfach übernommen werden, sagt er. „Wir benötigen keine zusätzliche Hardwareinstallation. Wir nehmen eigentlich nur eine Softwareänderung vor, und damit ist eine erhebliche potenzielle Energiesteigerung verbunden.“ Selbst eine 1-prozentige Verbesserung, betont er, bedeute, dass die Betreiber in einem typischen Windpark mit etwa 100 Einheiten die gleiche Leistung mit einer Turbine weniger erzielen könnten, wodurch die Kosten eingespart würden, normalerweise Millionen von Dollar, die mit dem Kauf, dem Bau und dem Bau verbunden sind Installation dieser Einheit.
Darüber hinaus stellt er fest, dass der Algorithmus es durch die Reduzierung von Nachlaufverlusten ermöglichen könnte, Turbinen in zukünftigen Windparks enger beieinander zu platzieren, wodurch die Leistungsdichte der Windenergie erhöht und Land- (oder Meeres-) Fußabdrücke eingespart werden. Diese Erhöhung der Leistungsdichte und die Reduzierung des Fußabdrucks könnten dazu beitragen, die dringenden Ziele zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen zu erreichen, die eine erhebliche Ausweitung der Nutzung von Windenergie sowohl an Land als auch auf See erfordern.
Außerdem sei Offshore der größte neue Bereich der Entwicklung von Windparks, und „die Auswirkungen von Nachlaufverlusten sind in Offshore-Windparks oft viel größer“. Das bedeutet, dass die Auswirkungen dieses neuen Ansatzes zur Steuerung dieser Windparks erheblich größer sein könnten.
Das Howland Lab und das internationale Team verfeinern die Modelle weiter und arbeiten daran, die Betriebsanweisungen, die sie aus dem Modell ableiten, zu verbessern, hin zu einer autonomen, kooperativen Steuerung und dem Streben nach der größtmöglichen Leistungsabgabe unter bestimmten Bedingungen, sagt Howland .
Michael F. Howland et al, Kollektiver Betrieb von Windparks auf der Grundlage eines Vorhersagemodells erhöht die Energieerzeugung im Versorgungsmaßstab, Energie der Natur (2022). DOI: 10.1038/s41560-022-01085-8