Windenergieanlagen sind allen auftretenden Wetterereignissen schutzlos ausgesetzt. Auf Ereignisse mit schnellen Änderungen der Windgeschwindigkeit und -richtung können heutige Anlagen nicht ausreichend reagieren, weshalb es zur Drosselung der Anlage oder sogar zu Notstopps kommen kann. Am DLR werden zukünftig Simulationen genutzt, um mithilfe von Kurzfristwettervorhersagen Lasten in der Anlage sowie die Stromproduktion zu prognostizieren. Ziel ist eine Verbesserung des Anlagenverhaltens und damit die Reduktion von Lasten sowie eine zuverlässige Energieversorgung. Zum Abgleich der Simulationsmodelle mit der Realität werden Messdaten aus dem Forschungswindpark WiValdi genutzt.
Welche Auswirkungen haben Cold-Pool-Events auf Windenergieanlagen?
Cold-Pools im meteorologischen Sinne sind kalte Luftmassen, die durch Verdunstungsabkühlung entstehen und sich am Boden ausbreiten. Passiert die Cold-Pool-Front den Beobachter, sinkt die Temperatur, Windgeschwindigkeit und -richtung ändern sich. Anschließend beginnt der ursächliche Niederschlag. Derartige Ereignisse treten beispielsweise in Norddeutschland vielfach im Jahr auf und stellen eine Herausforderung für eine Windenergieanlage dar.
Der Regler einer Windenergieanlage hat die Aufgabe, die Anlageneinstellungen auf Basis der Umgebungsbedingungen anzupassen. Input für den Regler sind unter anderem die Windbedingungen, welche durch Sensoren erfasst werden. Der Regler steuert Gierwinkel, Pitchwinkel und Generatordrehmoment der Windenergieanlage. Die Regelung der Anlage ist ein Optimierungsproblem. Die Lasten in den Bauteilen der Anlage bestimmen die Lebensdauer und sollen möglichst gering sein. Die Stromproduktion soll möglichst hoch sein, ihr Wert hängt vom Strompreis ab.
Wird eine Änderung der Windrichtung gemessen, dreht der Gierantrieb die Anlage wieder in den Wind. Schnelle Windrichtungsänderungen, zum Beispiel durch Cold-Pool-Events, führen zu einer kurzzeitigen Fehlausrichtung der Anlage. Zur Prävention erhöhter Lasten wird die Anlage gedrosselt, indem die Rotorblätter aus dem Wind gepitcht werden. Auch Notstopps können beobachtet werden. Dadurch sinkt die Stromproduktion, aber auch aus Lastperspektive ist dieses Verhalten nicht immer optimal.
Cold-Pools in der Anlagensimulation
Am DLR-Institut für Aeroelastik werden mathematische Modelle von Windenergieanlage und Wind für Simulationen genutzt. In diesem Fall wird die Anlage durch ein Mehrkörpermodell in SIMPACK beschrieben. Die aerodynamischen Kräfte werden mithilfe der Blattelementmethode in AeroDyn berechnet. Durch die Kopplung dieser beiden Simulationen kann die gegenseitige Beeinflussung von Strukturdeformation und Aerodynamik berücksichtigt werden.
Ergebnis der Berechnung sind unter anderem die Lasten in der Anlage und die Stromproduktion. In einem ersten Schritt wurde ein Cold-Pool-Event simuliert, welches im WiValdi-Windpark beobachtet wurde. Der Wind-Input wird aus der gemessenen Windrichtung und -geschwindigkeit generiert, das Anlagenmodell entsprechend der realen Anlagenbewegung gesteuert. Dies ermöglicht einen Vergleich zwischen Messung und Simulation. Abweichungen sind zu erwarten, da die detaillierten Windbedingungen nicht an jedem Punkt in der Rotorebene bekannt sind.
Vergleich von Simulation und Messung eines Cold-Pool-Events
Da Messung und Simulation in Anbetracht der vereinfachenden Annahmen gut übereinstimmen, kann das Modell für weitere Untersuchungen genutzt werden.
Welchen Nutzen haben Wettervorhersagen?
Am DLR-Institut für Physik der Atmosphäre werden Methoden für die kurzfristige Vorhersage bestimmter Wetterereignisse, das sogenannte Nowcasting, entwickelt. Zu den Ergebnissen gehören Informationen über die Windbedingungen in naher Zukunft. Werden mit diesen Daten Anlagensimulationen durchgeführt, sind Last- und Einspeiseprognosen möglich. Diese können für Netzbetreiber interessant sein, um sich auf etwaige Leistungseinbrüche vorbereiten zu können.
Zudem ermöglichen Vorhersagen eine Optimierung des Anlagenverhaltens. Schaltet der Regler oder der Anlagenbetreiber die Anlage ab, treten geringere Lasten auf, aber auch die Stromproduktion ist geringer. Notstopps können durch ein prophylaktisches Drosseln vermieden werden. Auch ein Drehen der Anlage vor dem Eintreffen der Kaltfront wäre denkbar.
