Windenergie Neues Steuerungsmodell soll Effizienz von Windparks erhöhen

Hunderte von Windrädern und Rotoren stehen in einem Windpark nebeneinander. Durch die Bewegung entstehen Turbulenzen, die Leistung und Lebenserwartung benachbarter Anlagen beeinträchtigen. In einem EU-Projekt untersuchen Forscher der Technischen Universität München (TUM) diese Wechselwirkungen in einem Windkanal. Entwickelt werden soll ein Computermodell, das die Effizienz von Windparks steigert.

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Mehr Strom für weniger Geld – so lautet das Ziel des Projekts. In Windparks der Zukunft sollen alle Anlagen so gesteuert werden, dass das Kollektiv möglichst viel Leistung erbringt und geringe Wartungskosten erzeugt. „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.“ Dies sei jedoch schlecht für die Gesamtperformance. „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.“

Abschattungen senken Effizienz

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. Er bremst sie ab und sorgt so für Verwirbelungen. Dieser Abschattungseffekt verringert die Leistung der im Lee stehenden Anlagen und belastet zugleich 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 Professor Carlo Bottasso, Inhaber des Lehrstuhls für Windenergie an der TUM. Für die Arbeit wurde sein Team im vergangenen Herbst mit dem Bayerischen Energiepreis ausgezeichnet.

Miniatur-Modelle im Windkanal getestet

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 Johannes 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 1,5 m hohen Miniatur-Anlagen über Generatoren, Antriebe und Motoren zum Verstellen der einzelnen Blätter. Jedes Modell ist zudem mit Sensoren ausgestattet, die ermitteln, welche Kräfte auf die verschiedenen Komponenten wirken.

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.

Steuerungseinheit lenkt das Kollektiv

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 Praxis.

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

EU-weites Projekt mit Feldversuchen im großen Maßstab

Sein Know-how will das Team jetzt einbringen, um im EU-Projekt „Closed Loop Wind Farm Control“ (Cl-Windcon) zusammen mit 13 weiteren Partnern aus sechs Ländern ein intelligentes Steuersystem für Windparks zu entwickeln und zu testen. In den nächsten drei Jahren wollen die Wissenschaftler die automatisierte Windparkregelung optimieren und durch Feldversuche auch im großen Maßstab testen.

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