WINSENT Benchmark

Windenergieanlagen (WEA) in hügeligem und komplexem Terrain zu planen und zu betreiben, ist eine Herausforderung. Die Strömungsverhältnisse sind hier oft schwer vorhersehbar, und herkömmliche Simulationsmodelle zur Planung des optimalen Windparkdesigns stoßen hin und wieder an ihre Grenzen. Genau hier setzt der WINSENT Benchmark an – ein internationales Vorhaben, das gemeinsam mit Partnern weltweit die Genauigkeit von Windenergie-Modellen voranbringt.

Der Hintergrund: IEA Wind TCP Task 57 „JAM“

Im Rahmen des internationalen IEA Wind TCP Task 57 „Joint Assessment of Models for Wind Energy“ (JAM) tauschen sich Industrie, Forschungseinrichtungen, WEA-Hersteller und Projektierer weltweit aus. Ziel ist es, numerische Modelle für Strömungs- und Anlagensimulationen anhand aufbereiteter Mess- und Topographiedaten aus verschiedenen globalen Standorten zu validieren. Die Ergebnisse fließen direkt in verbesserte Planungs-Tools ein, die es Windparkentwicklern erleichtern, auch bisher schwer erschließbare Standorte für die Onshore-Windenergie zu nutzen. Auch erlauben die Tools, die auftretende mechanische Anlagenbelastung noch genauer als bisher ermitteln zu können, so dass der Auslegungs- und Designprozess von WEA nächster Generationen verbessert werden kann.

Warum das WINSENT Testfeld?

Das WINSENT Forschungstestfeld des ZSW in Stötten auf der Schwäbischen Alb ist dafür ideal aufgestellt. Sein Standort in bergig-komplexem Gelände, kombiniert mit zwei Forschungs-Windenergieanlagen (FWEA) und mehreren meteorologischen Messmasten, bietet eine einzigartige Datenbasis.

Das ZSW übernimmt als „Benchmark Lead“ die Koordination mit den internationalen Task-Teilnehmenden sowie dem Operating Agent. Neben der Bereitstellung der Messdaten liefert das ZSW auch das aeroelastische OpenFAST-Modell der FWEAs. Die Hochschule Esslingen, Partner im WindForS-Cluster, stellt die Terraindaten in verschiedenen Radien um das Testfeld bereit und wertet die von den internationalen Partnern eingereichten Simulationsergebnisse aus.

So läuft der Benchmark ab

Der Vergleich ist in zwei klar strukturierte Phasen unterteilt:

• Phase 1: Simulation der Windströmung vom Tal auf die Hochebene. Die Einströmdaten hierzu stammen von einem Lidar-System im Tal, die Referenzdaten von meteorologischen Masten auf dem 160m höher gelegenen Plateau.

• Phase 2: Simulation der weiteren Strömungsverhältnisse sowie der mechanischen Belastung der FWEA auf der Hochebene.

Beide Phasen werden dabei unter zwei Bedingungen durchgespielt: mit hohem und niedrigem Leaf-Area-Index (LAI). Vereinfacht gesagt: Die Simulationen betrachten, wie sich die Strömung verändert, wenn der Albtrauf westlich des Testfelds belaubt oder in unbelaubtem Zustand ist. Dieser Unterschied hat einen spürbaren Einfluss auf die Strömungsverhältnisse und damit auf die mechanische Belastung und den Betrieb der Anlagen.

Was bringt das für zukünftige Arbeiten am WINSENT Testfeld?

Durch den Benchmark wird das OpenFAST-Modell der beiden FWEAs umfassend validiert – ein wichtiger Schritt für die OpenScience-Bestrebung im Zuge der WINSENT Arbeiten und die breite, transparente Nutzung des aeroelastischen Anlagenmodells in Wissenschaft und Industrie in weiterführenden Forschungsprojekten.

Zudem könnte die enge Verzahnung mit dem US-Forschungsinstitut NLR, das den JAM-Task als Operating Agent koordiniert und am WINSENT Benchmark beteiligt ist, neue Kooperationsmöglichkeiten eröffnen. Schließlich wurde OpenFAST ursprünglich am NLR entwickelt.

Fazit

Der WINSENT Benchmark unterstützt die Verbesserung und Weiterentwicklung verschiedener Software-Codes zur Strömungs- und Anlagensimulation, welche sowohl von der Wissenschaft, Projektentwicklern als auch von WEA-Hersteller eingesetzt werden.

Durch den offenen Datenaustausch und die internationale Zusammenarbeit entstehen neben neuen Kontakten verbesserte Werkzeuge, von denen nicht nur die Forschung, sondern auch die Praxis profitiert.