Forschungsprojekt HiFiOffWind

Projekttitel: HiFiOffWind – High-Fidelity Lösungen für die Offshore-Windparkstandortbewertung

Das Projekt ‚High-Fidelity Solutions for Offshore Wind Farm Site Assessment‘ (HiFiOffWind) hat zum Ziel, einen validierten und industrietauglichen Open-Source-Workflow zu entwickeln, der GPU-fähige Large-Eddy-Simulationen (LES) für die Bewertung von Windressourcen nutzt. Dieser Workflow ermöglicht die Simulation großer Offshore-Windparks und Windparkcluster unter realistischen und variierenden atmosphärischen Bedingungen bei vertretbarem Rechenaufwand.

Die Methodik wird die Unsicherheit bei der Berechnung großräumiger Nachlaufeffekte deutlich verringern, was die Risiken im Ausbau der Offshore-Windenergie senkt und somit kostengünstiger macht. Dies ist besonders relevant für den Ausbau der Offshore-Windenergie in Deutschland, wo eine der weltweit dichtesten Planungen von Windparks besteht.

Das Teilvorhaben der Universität Oldenburg beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung des LES-Codes PALM und der Erarbeitung von Richtlinien für Windparksimulationen in der Industrie unter Nutzung des weiterentwickelten Codes. Die Weiterentwicklungen von PALM zielen auf eine deutliche Reduktion des Rechenzeitbedarfs für Simulationen mit diesem Code ab. Dies soll zu einem Teil durch die Portierung des Codes auf GPUs erreicht werden. Zum anderen sollen durch Implementierung eines robusten Subskalenmodells und Weiterentwicklungen der Parametrisierungen von Windenergieanlagen mit PALM akkurate Simulationen auch mit gröberer Gitterweite als bisher ermöglicht werden.

Forschungsprojekt WindMarkt

Projekttitel: WindMarkt – Energiemanagementsystem für die Beteiligung der Windenergie an modernen Energiemärkten

Zusammenfassung:

Die deutsche Windenergiebranche und der gesamte Sektor in Europa, ist noch nicht mit den nötigen Instrumenten ausgestattet, um eine gewinnoptimierte Teilnahme an modernen Energiemärkten unterstützen zu können. Diese Lücke muss dringend geschlossen werden. Mit dem raschen Ausbau der Windenergie Deutschlands und der EU steigt ihr Anteil an der gesamten Stromerzeugung in rasantem Tempo. Dies hat zur Folge, dass der Bedarf an Schlüsseltechnologien, die eine rentable Teilnahme an den Energiemärkten und die notwendige Unterstützung des Netzes gewährleisten können, drastisch zunimmt.

Das Hauptziel von WindMarkt ist die Entwicklung des Energiemanagementsystems (EMS) der Zukunft. Im Kontext moderner Energiemärkte soll das WindMarkt EMS das gewinnoptimierte Management und die Regelung von Windenergieanlagen/-parks in Kombination mit Batteriespeichern ermöglichen. Dieses Hauptziel wird durch die folgenden miteinander verknüpften Teilziele erreicht: Entwicklung eines ganzheitlichen Prognosesystems zur Vorhersage der Stromerzeugungsfähigkeit von Windenergieanlagen auf Day-Ahead- und Intra-Day-Horizonten. Formulierung eines Gebotssystems, das gewinnmaximierende Gebote für den Markt generiert und verfeinert, indem es die Einnahmen aus dem Stromverkauf mit den Betriebs- und Wartungskosten, in Einklang bringt. Entwicklung eines Versorgungssystems, das zum Zeitpunkt des Dispatches in der Lage ist, den Strom zu erzeugen und die bei der Ausschreibung zugesagten Leistungen zu erbringen.

Demonstration und Validierung der Funktionalitäten des EMS der Zukunft an einer Vielzahl von Standorten, Umgebungsbedingungen und Marktszenarien: Dies wird durch integrierte Tests erreicht, die numerische Simulationen umfasst, einschließlich fortschrittlicher Large Eddy Simulationen, die von FW-OL entwickelt wurden, anspruchsvolle Windkanaltests in einem Grenzschichtwindkanal unter Verwendung von an der TUM entwickelten maßstabsgetreuen Modellen und die Verwendung von tatsächlichen Felddaten.

Forschungsprojekt Leobo

Projekttitel: Leobo – Langfristige Wertoptimierung durch automatisiert rekonfigurierbare Windturbinenregelung und Windparkbetriebsmanagement

Zusammenfassung:

Windenergie wird im zukünftigen Energiesystem eine entscheidende Rolle spielen, da sie weit über 50 % des Strombedarfs decken muss. Die Umstellung auf ein System aus umrichtergestützten erneuerbaren Energiequellen ist ein kontinuierlicher Prozess, der fortlaufend neue Anforderungen generiert. Gleichzeitig entwickelt sich ein zunehmend deregulierter Markt, der eine Reaktion auf niedrige oder sogar negative Strompreise erfordert. Zusätzlich ergeben sich durch regulatorische Bedingungen, wie z.B. Lärmschutzbedingungen, erhebliche Ertragseinbußen im Betrieb. Die zeitlichen veränderlichen Regulatorik und eine ungewisse Zukunft erfordern die Anpassungsfähigkeit von Windenergiesystemen mittels adaptiver Regelung. Neue Projekte werden mehr als zwei Jahrzehnte in Betrieb sein und dabei wesentlichen Veränderungen der Betriebsbedingungen erfahren.

Aktuell wird die Windenergieanlagen-Regelung einmalig während der Bauphase konfiguriert und ein automatisierte Neukonfiguration ist nicht möglich. Das Projekt Leobo zielt darauf, den Ansatz der Windparkregelung mit der Optimierung des langfristigen Wertes eines Windparks für den Betreiber und das Energiesystem zu verbinden. Dazu soll eine integrierte und automatisiert anpassungsfähige Regelung erforscht werden, die Windparks in die Lage versetzt, während ihrer Lebensdauer wechselnde Betriebs- und Regelungsziele zu verfolgen und dabei optimal betrieben zu werden.

In diesem Teilprojekt wird eine adaptive Windparkregelung entwickelt, die sich unter Einhaltung der vorgegebenen Last- oder Lärmlimits an Änderungen von Betriebszielen oder von Bedingungen im Windpark anpassen kann. Innerhalb des Frameworks zur langfristigen Wertoptimierung überwacht die Windparkregelung die Erfüllung von Betriebszielen und passt die Betriebsstrategie bei Bedarf kurzfristig an. Die entwickelte Windparkregelung wird eigenständig und innerhalb des Frameworks zur Wertoptimierung ausführlich nummerisch und experimentell validiert.

Forschungsprojekt ReliaBlade2

Projekttitel: ReliaBlade2 – Entwicklung neuer Auslegungsmethoden für Rotorblätter

Zusammenfassung:

Die Zuverlässigkeit von Rotorblättern hat eine besondere Bedeutung für einen sicheren und wirtschaftlichen Betrieb von Windenergieanlagen. Jedoch kommt es trotz langjähriger Erfahrung der Windenergieindustrie im Entwurf und Betrieb von Rotorblättern noch immer zu Rissbildungen in der Rotorblattstruktur, die Ursache für kostspielige Reparaturen und Betriebsausfälle sind. Das deutet auf Wissenslücken in der Schadensentstehung durch Ermüdung hin. Wichtige physikalische Zusammenhänge wurden noch nicht vollständig verstanden, was insbesondere die Materialmodellierung und eine umfassende Validierung erweiterter Modelle einschließt. Digitale Zwillinge können darüber hinaus zukünftig helfen, Rotorblätter noch sicherer und kosteneffizienter zu betreiben. Jedoch stehen noch nicht alle Methoden zur Verfügung, um probabilistische Unschärfen in einem Digitalen Zwilling abbilden zu können. Um die genannten Wissenslücken zu schließen, hat sich ein Konsortium aus Forschungsinstitutionen und Industriepartnern zusammengefunden.

Das Teilvorhaben von ForWind Hannover verfolgt das allumfassende Ziel, die Strukturzuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit von Rotorblättern zu erhöhen. Dazu soll eine neue Auslegungsphilosophie für die Ermüdung von Rotorblättern in der Industrie etabliert werden, die progressive Matrixschäden einbezieht. Dabei wird auf selbst entwickelte und teilwiese in der Industrie verwendete Ermüdungsschädigungsmodelle zurückgegriffen. Charakterisierungs- und Validierungsversuche auf Couponebene sind integraler Bestandteil des Teilvorhabens. Außerdem sollen Methoden für das Erstellen probabilistischer digitaler Zwillinge entwickelt werden, die räumlich und statistisch verteilte Fertigungsimperfektionen mit Hilfe eines KI-basierten Model Updatings einbeziehen. Die entwickelten Modelle und Methoden sollen erstmalig an einem industriell gefertigten Rotorblatt angewendet und durch Ganzblattversuche validiert werden.

Forschungsprojekt ElMaR

Projekttitel: ElMaR – Zerstörungsfreie Ermittlung lokaler Materialparameter in Rotorblattkomponenten

Zusammenfassung:

Faserverbundmaterialien werden in der Auslegung von Rotorblättern als ideal verschmierte, homogene Materialien betrachtet. Die erforderlichen Materialkennwerte werden in Materialtests auf Coupon-Ebene ermittelt. Dabei ist bekannt, dass die Materialeigenschaften von Faserverbunden Schwankungen unterliegen. Die Unsicherheiten der Materialkennwerte finden in der Blattauslegung ihre Berücksichtigung durch Teilsicherheitsbeiwerte. Eine räumliche Variation der Materialparameter und ihre möglichen Folgen werden nicht berücksichtigt. Bei genauerer Betrachtung zeigt sich allerdings, dass die Annahme eines homogenen Materials bereits auf der Coupon-Ebene fehlerhaft ist. Es ist zu erwarten, dass auf der Strukturebene eines Rotorblatts die räumliche Variation von Materialparametern durch die manuellen Arbeitsschritte noch deutlich höher ausfällt. Damit nehmen Ungenauigkeiten in der Prognose der Ermüdungslebensdauer und Tragfähigkeit ebenfalls zu, was zu einer unnötigen Reduktion der Strukturzuverlässigkeit führt. Um probabilistische Modelle zu entwickeln, Teilsicherheitsbeiwerte zu präzisieren und damit die Strukturzuverlässigkeit von Rotorblättern zu erhöhen, verfolgt das Vorhaben die folgenden spezifischen Ziele: – Es soll eine Methode zur zerstörungsfreien Ermittlung räumlich schwankender Materialparameter in Rotorblattkomponenten entwickelt werden. Dabei wird die Forschungshypothese aufgestellt, dass eine Kombination aus etablierten bildgebenden Verfahren, modernen Algorithmen des maschinellen Lernens und hochaufgelösten Simulationsmethoden dazu geeignet ist, eine sehr hohe Genauigkeit mit geringen Rechenzeiten zu verbinden. – Die Methode soll im Labor auf der Strukturebene validiert werden. – Nach Projektabschluss soll ein Konsortium mit Industriebeteiligung organsiert werden, um ein gefördertes Verbundforschungsvorhaben mit dem Ziel der Weiterentwicklung der Methode hin zur industriellen Anwendbarkeit anzuschließen.

Forschungsprojekt EuroWindWakes

Projekttitel: EuroWindWakes: Multiscale Modelling of European Wind Energy Wake Effects

Zusammenfassung:

• Durch die geplante dichte Bebauung der Nordsee mit Offshore-Windparks werden Nachlaufeffekte und der Global-Blockage-Effekt wichtiger für die Berechnung der Stromerträge. Aktuelle Modelle bilden diese nur mit großen Unsicherheiten ab.
• Das internationale Forschungsprojekt EuroWindWakes will diese Unsicherheiten durch Verbesserung und Validierung der Methoden signifikant senken und so eine optimierte maritime Raumplanung sowie eine zuverlässige Vorhersage der Stromerzeugung ermöglichen. Dazu werden die Nachlaufeffekte für die gesamte Nordsee mit einbezogen.

Inhalte und Methodik:

Nachlaufeffekte (engl. Wakes) und der Global-Blockage-Effekt können die Stromerträge durch verstärkte Turbulenzen und verringerte Windgeschwindigkeiten deutlich senken.

Die derzeit zumeist verwendeten Modellierungen zur Berechnung der Stromerträge können diese Effekte nur mit großen Unsicherheiten abbilden. Diese Unsicherheiten können sowohl den volkswirtschaftlichen Nutzen durch eine insgesamt geringere Stromerzeugung als auch die wirtschaftliche Rentabilität aufgrund zu optimistischer Gebote in den Ausschreibungen von Offshore-Flächen erheblich beeinflussen.

Ziel ist es, die Vorhersageunsicherheit von 20 bis 30 Prozent auf weniger als 10 Prozent zu reduzieren. Um dieses Ziel zu erreichen, werden die Kooperationspartner aus Deutschland, Dänemark und den Niederlanden Modellierungsansätze für Nachlaufeffekte auf europäischer Skala verbessern und validieren. Aus den Ergebnissen abgeleitete Handlungsempfehlungen werden über die im Projekt beteiligten Industriepartner allen relevanten Stakeholdern zugänglich gemacht.

Darüber hinaus wird EuroWindWakes dazu beitragen, einen wichtigen Knotenpunkt des entstehenden European Center of Excellence for Wind Energy zu schaffen, eine Initiative der European Energy Research Alliance (EERA JP Wind).

Promovierenden-Netzwerk AptWind

Projekttitel: AptWind – Atmospheric Physics and Turbulence for Wind Energy Doctoral Network

Zusammenfassung:

Ziel ist, eine neue akademische Generation auszubilden, die einerseits ein tiefes Verständnis für das Zusammenspiel von atmosphärischer Strömungsphysik und Turbulenzen besitzt, und gleichzeitig in der Lage ist, aus den wissenschaftlichen Erkenntnissen innovative industrielle Anwendungen und Produkte zu entwickeln. Dafür werden die Doktoranden gezielt mit Stipendien gefördert. AptWind verfolgt konkrete wissenschaftliche Fragestellungen: Vier Forschungsleitfragen adressieren unter anderem die Auswirkungen relevanter Strömungsereignisse auf Rotoren von Windenergieanlagen mit einer Leistung von mehr als 15 MW oder die Verbesserung numerischer Simulationen.

AptWind sorgt dafür, dass eine neue Generation von wissenschaftlichen Fachkräften nicht nur gut im für das Verständnis der Windenergie wichtigen Bereich der atmosphärischen Strömungsphysik ausgebildet wird, sondern sorgt auch für eine gute Vernetzung der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untereinander und mit der Industrie. In der Folge werden wissenschaftliche Erkenntnisse schnell in der Industrie Anwendung finden.

Forschungsprojekt FLORIDA

Projekttitel: FLORIDA – Interaktion und Dynamiken von Nachlaufströmungen schwimmender Windenergieanlagen

Zusammenfassung:

Mit dem Übergang zu schwimmenden Offshore-Windparks ergeben sich neue Herausforderungen bei der Untersuchung der turbulenten Nachläufe von Windenergieanlagen (WEA). Die zusätzliche schwimmende Bewegung der Plattformen wirkt sich auf die Wechselwirkung der WEA mit dem vorherrschenden Windfeld und damit auf die Entstehung der Nachläufe aus, die in ihrer Entwicklung und Struktur bereits bei bodenfesten WEA komplex sind. Die verschiedenen Plattformtypen weisen eine bauartspezifische Dämpfung ihrer Bewegung auf, die durch die umgebenden Meereswellen und die Wechselwirkung der WEA mit dem turbulenten einströmenden Windfeld hervorgerufen wird. Dies führt zu periodischen Bewegungsmustern, die sich auch auf die Dynamik der Nachläufe (Nachlaufzentrum) auswirken und sogar eine schnellere Erholung des Nachlaufs auslösen. In jedem Fall treffen diese Nachläufe in Windparkkonfigurationen auf andere schwimmende WEA und haben Auswirkungen auf deren Leistung und Schwimmdynamik.

Für die Optimierung des Parklayouts und zur Verringerung von Ermüdungslasten ist es daher wichtig, die Nachlaufdynamik schwimmender WEA zu verstehen. Bei der Untersuchung der Nachlaufdynamik von WEA ist die Bedeutung von Windkanalexperimenten weithin anerkannt. Im Projekt FLORIDA schlagen wir daher vor, die Untersuchungen auf schwimmende WEA auszudehnen, indem Anlagenmodelle mit vordefinierten Bewegungen sowohl unter realistischen als auch unter benutzerdefinierten turbulenten Anströmbedingungen untersucht werden. Ziel ist es, die Auswirkungen der schwimmenden Bewegung in verschiedenen Freiheitsgraden auf die Nachlaufdynamik zu ermitteln, wobei der Schwerpunkt auf dem Mäandern des Nachlaufs liegt. Zusätzlich werden spezielle turbulente Anströmbedingungen verwendet, um den Einfluss verschiedener Längenskalen auf das Mäandern selektiv zu untersuchen. Basierend auf den experimentellen Daten werden neue Nachlaufmodelle für schwimmende WEA entwickelt, das die Dynamik des Nachlaufmäanderns erfassen.

Der Ansatz umfasst sowohl die Weiterentwicklung bestehender dynamischer Modelle als auch die Erweiterung mit stochastischen Methoden. Die Modelle werden zur Erzeugung von dynamischen Windfeldern mit realistischen Nachlaufeigenschaften schwimmender Anlagen als Input für voll gekoppelte Simulationen und Software-in-the-Loop-Experimente im Wellentank verwendet, bei denen (1) eine Software die auf die schwimmende WEA wirkenden aerodynamischen Lasten mit solchen dynamischen Windfeldern berechnet und (2) die aerodynamischen Lasten mit Aktoren mit 6 Freiheitsgraden nachgestellt werden. Zusätzlich wird der Einfluss dieser Windfelder auf das Verhalten des Schwimmkörpers der WEA untersucht.

Forschungsprojekt optDIC

Projekttitel: optDIC – Optimierung des DIC-Messsystems zur Erfassung von Deformationen an Windenergieanlagen

Zusammenfassung:

Die Auslegung moderner Windenergieanlagen (WEA) wird stark durch aeroelastischer und strukturdynamischer Aspekte beeinflusst und limitiert. Zur Validierung dieser Auslegungsmethoden werden umfangreiche Langzeit-Deformationsmessungen an WEA benötigt, die aktuell nicht verfügbar sind. Im Projekt „optDIC“ wird die optische Messtechnik Digital Image Correlation (DIC) weiterentwickelt, um flächige Langzeit-Deformationsmessungen an WEA zu ermöglichen und somit den Mangel an experimentellen Validierungsdaten zu verringern. Durch die Nutzung geeigneter Methoden der künstlichen Intelligenz oder konventioneller Bildverarbeitungsalgorithmen sollen dazu die Rotorblätter in Echtzeit detektiert und die aufgenommenen Datenmengen dadurch signifikant reduziert werden. Zusätzlich soll die aktuell verwendete Messmethode erweitert werden, sodass Windrichtungsänderungen kompensiert werden können. Eine automatisierte Auswertung der aufgenommenen Messdaten soll außerdem die industrielle und wissenschaftliche Attraktivität von DIC erhöhen. Das aktuelle DIC-Messsystem soll im Rahmen dieses Projektes hinsichtlich Langzeitmessungen witterungsbeständig aufgebaut werden. Durch Langzeit-Feldmessungen von instationären Verformungen an einer WEA sollen abschließend die entwickelten Datenverarbeitungs- und -analyseverfahren erprobt und bewertet werden.

Forschungsprojekt WindRamp II

Projekttitel: WindRamp II – Beobachtergestützte Kürzestfrist-Leistungsprognose großer Offshore Windpark-Cluster für die Systemintegration und Netzstabilisierung

Zusammenfassung:

Mit dem Vorhaben „WindRamp II“ knüpft ForWind (AG WESys an der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg) an die erfolgreichen Arbeiten des im Dezember 2023 abgeschlossenen Vorhaben WindRamp an, bei dem eine beobachtergestützte Kürzestfristvorhersage für die Windgeschwindigkeit und -leistung erforscht wurde. In WindRamp II zielt das Teilvorheben von ForWind auf die Erweiterung der beobachtergestützten Prognose auf heterogene WindparkCluster mit sehr großen Anlagen, die Entwicklung neuer Methoden für erhöhte Prognosegenauigkeit und einen erweiterten Prognosehorizont. Durch die verbesserten Leistungsprognosen soll eine zuverlässigere Systemintegration der Windenergie mit weniger erforderlichem Ausgleichsenergieeinsatz sowie Warnungen bei erwarteten Rampenereignissen erreicht werden. Die im Projekt WindRamp entwickelte neuartige Technologie von langreichweitigen Scanning-Lidar-Geräten soll in WindRamp II zur Erweiterung des Vorhersagehorizonts sowie der Verbesserung der Qualität beitragen.

Das vom BMWK geförderte Projekt wird von ForWind koordiniert und gemeinsam mit den Verbundpartnern energy & meteo Systems, DLRVE und RWE sowie METEK und Abacus Laser als assoziierte Partner durchgeführt.