Windressourcenbewertung

Die Windressourcenbewertung ist das Verfahren, mit dem Windkraftentwickler die zukünftige Energieproduktion eines Windparks abschätzen . Genaue Windressourcenbewertungen sind entscheidend für die erfolgreiche Entwicklung von Windparks.

Moderne Windressourcenbewertungen werden seit der Entwicklung der ersten Windparks in den späten 1970er Jahren durchgeführt. Die angewandten Methoden wurden von Entwicklern und Forschern in Dänemark entwickelt , wo die moderne Windkraftindustrie ihren Ursprung hat.

Die hochauflösende Kartierung des Windenergiepotenzials wurde traditionell auf nationaler Ebene von Regierungs- oder Forschungseinrichtungen durchgeführt, was unter anderem auf die Komplexität des Prozesses und den hohen Rechenaufwand zurückzuführen ist. Im Jahr 2015 veröffentlichte die Technische Universität Dänemark im Rahmen des Ministerials für Saubere Energie den Globalen Windatlas (Version 1.0), um weltweit frei verfügbare Daten zum Windenergiepotenzial bereitzustellen. Der Globale Windatlas wurde im November 2017 in Partnerschaft mit der Weltbank neu aufgelegt (Version 2.0) . Seitdem sind Windkarten für alle Länder mit einer Auflösung von 250 m verfügbar.

Ein weiteres ähnliches internationales Beispiel ist der Europäische Windatlas , der derzeit im Rahmen des von der Europäischen Union finanzierten Projekts „ Neuer Europäischer Windatlas“ aktualisiert wird .

Beispiele für nationale Windressourcenkarten sind der kanadische Windatlas , der Windressourcenatlas der Vereinigten Staaten und eine Reihe von Windkarten, die die Weltbank im Rahmen einer 2013 von ESMAP initiierten und auf Entwicklungsländer fokussierten Windkartenreihe veröffentlichte. ^{[ 1 ]} Diese Initiative knüpfte an ein vorheriges Projekt des Umweltprogramms der Vereinten Nationen (UNEP) an , das Solar and Wind Energy Resource Assessment (SWERA)-Projekt, das 2002 mit Mitteln der Globalen Umweltfazilität (GEF) gestartet wurde . Allerdings wurden diese nationalen Windressourcenkarten hinsichtlich Datenqualität, Methodik und Auflösung weitgehend vom Globalen Windatlas abgelöst.

Die oben genannten globalen und länderspezifischen Kartierungsergebnisse sowie viele weitere sind auch über den Globalen Atlas für Erneuerbare Energien ^{[ 2 ]} der Internationalen Agentur für Erneuerbare Energien (IRENA) verfügbar, der öffentlich verfügbare GIS- Daten über Windkraft und andere erneuerbare Energieressourcen zusammenführt .

Die Windprospektion kann mit solchen Karten beginnen, doch aufgrund ihrer mangelnden Genauigkeit und Detailgenauigkeit eignen sie sich nur für die vorläufige Auswahl von Standorten zur Erfassung von Windgeschwindigkeitsdaten. ^{[ 3 ]} Mit der zunehmenden Anzahl bodengestützter Messungen von speziell installierten Anemometerstationen sowie Betriebsdaten von in Betrieb genommenen Windparks hat sich die Genauigkeit von Windressourcenkarten in vielen Ländern im Laufe der Zeit verbessert, obwohl die Abdeckung in den meisten Entwicklungsländern weiterhin lückenhaft ist. Zusätzlich zu den oben genannten öffentlich zugänglichen Quellen sind Karten als kommerzielle Produkte über spezialisierte Beratungsunternehmen erhältlich, oder Nutzer von GIS-Software können mithilfe öffentlich verfügbarer GIS-Daten, wie beispielsweise dem hochauflösenden Winddatensatz des US National Renewable Energy Laboratory, eigene Karten erstellen. ^{[ 4 ]}

Obwohl die Genauigkeit verbessert wurde, ist es unwahrscheinlich, dass Windressourcenkarten, ob öffentlich oder kommerziell, die Notwendigkeit von Vor-Ort-Messungen für Windkraftprojekte im Versorgungsmaßstab überflüssig machen werden. ^{[ 5 ]} Die Kartierung kann jedoch dazu beitragen, die Standortidentifizierung zu beschleunigen, und das Vorhandensein hochwertiger, bodengestützter Daten kann die für die Vor-Ort-Messungen erforderliche Zeit verkürzen.

Neben „statischen“ Windressourcenatlanten, die Schätzungen der Windgeschwindigkeit und Leistungsdichte über mehrere Jahre mitteln, bieten Tools wie Renewables.ninja zeitlich variable Simulationen der Windgeschwindigkeit und der Leistungsabgabe verschiedener Windturbinenmodelle mit stündlicher Auflösung. ^{[ 6 ]}

Um die Energieproduktion eines Windparks abzuschätzen, müssen die Betreiber zunächst den Wind vor Ort messen. Dazu werden meteorologische Messtürme installiert , die mit Anemometern , Windfahnen und gegebenenfalls Sensoren für Temperatur , Druck und relative Luftfeuchtigkeit ausgestattet sind. Die Daten dieser Türme müssen mindestens ein Jahr lang erfasst werden, um eine repräsentative jährliche Windgeschwindigkeitsverteilung zu berechnen.

Messungen, die mit Fernerkundungsgeräten wie SODAR und LiDAR erfasst werden , finden in der Windenergiebranche zunehmend Akzeptanz. Für Offshore-Messkampagnen sind schwimmende LiDAR- Systeme mittlerweile Standard. ^{[ 7 ]}

Da Vor-Ort-Messungen in der Regel nur für einen kurzen Zeitraum verfügbar sind, werden zusätzlich Daten von nahegelegenen Langzeitreferenzstationen (meist an Flughäfen) erfasst . Diese Daten dienen dazu, die vor Ort gemessenen Daten so anzupassen, dass die mittleren Windgeschwindigkeiten repräsentativ für einen längeren Zeitraum sind, für den keine Vor-Ort-Messungen vorliegen. Versionen dieser Karten können mit Softwareanwendungen wie WindNavigator angezeigt und verwendet werden .

Für eine genaue Abschätzung der Energieproduktion eines geplanten Windparkprojekts sind folgende Berechnungen erforderlich:

• Korrelationen zwischen den meteorologischen Messtürmen vor Ort:
  • Auf großen Windparks werden üblicherweise mehrere meteorologische Messtürme installiert. Für jeden Turm gibt es Zeiträume, in denen Daten fehlen, die jedoch von einem anderen Turm auf dem Gelände erfasst wurden. Fehlende Daten lassen sich mithilfe von linearen Regressionsanalysen ( Methode der kleinsten Quadrate) und anderen, windspezifischen Regressionsverfahren ergänzen. Diese Korrelationen sind genauer, wenn die Türme nahe beieinander (wenige Kilometer Abstand) stehen, die Sensoren auf den verschiedenen Türmen vom gleichen Typ sind und in gleicher Höhe über dem Boden montiert sind.
• Korrelationen zwischen Langzeit-Wetterstationen und meteorologischen Messtürmen vor Ort:
  • Da der Wind von Jahr zu Jahr schwankt und die erzeugte Leistung proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit ist, können kurzfristige (< 5 Jahre) Messungen vor Ort zu sehr ungenauen Energieschätzungen führen. Daher werden Windgeschwindigkeitsdaten von nahegelegenen, längerfristigen Wetterstationen (meist an Flughäfen) verwendet, um die Messdaten vor Ort zu korrigieren. Üblicherweise werden lineare Regressionen nach der Methode der kleinsten Quadrate angewendet, obwohl auch verschiedene andere Methoden existieren.
• Vertikale Scherung zur Extrapolation der gemessenen Windgeschwindigkeiten auf die Nabenhöhe der Turbine:
  • Moderne Windkraftanlagen haben üblicherweise eine Nabenhöhe von 80 m oder mehr. Entwickler zögern jedoch oft, Türme mit einer Höhe von über 60 m zu errichten, da in den USA eine Genehmigung der FAA (Federal Aviation Administration) erforderlich ist und die Kosten dies erfordern. Vertikale Scherprofile nach dem Potenzgesetz und dem logarithmischen Gesetz sind die gebräuchlichsten Methoden, um die gemessene Windgeschwindigkeit auf die Nabenhöhe zu extrapolieren.
• Windströmungsmodellierung zur Hochrechnung der Windgeschwindigkeiten über ein Gebiet:
  • Die Windgeschwindigkeiten können innerhalb eines Windparks erheblich variieren, wenn das Gelände komplex (hügelig) ist oder sich die Oberflächenrauigkeit (z. B. durch die Höhe von Vegetation oder Gebäuden) ändert . Zur Berechnung dieser Windgeschwindigkeitsschwankungen wird Windströmungsmodellierungssoftware verwendet, die entweder auf dem traditionellen linearen WAsP- Ansatz oder dem neueren CFD- Ansatz basiert.
• Energieerzeugung unter Verwendung der Leistungskurve eines Windkraftanlagenherstellers:
  • Sobald die langfristigen Windgeschwindigkeiten in Nabenhöhe berechnet wurden, wird anhand der Leistungskurve des Herstellers die Brutto-Stromproduktion jeder einzelnen Turbine im Windpark berechnet.
• Anwendung von Energieverlustfaktoren:
  • Zur Berechnung der Nettoenergieproduktion eines Windparks werden die folgenden Verlustfaktoren auf die Bruttoenergieproduktion angewendet:
    • Windturbinen-Nachlaufverlust
    • Verfügbarkeit von Windkraftanlagen
    • elektrische Verluste
    • Klingenverschleiß durch Eis/Schmutz/Insekten
    • Abschaltung bei hohen/niedrigen Temperaturen
    • Abschaltung bei hohen Windgeschwindigkeiten
    • Einschränkungen aufgrund von Netzproblemen

Windkraftentwickler nutzen verschiedene Arten von Softwareanwendungen, um Windressourcen zu bewerten.

Winddatenmanagement-Software unterstützt den Benutzer beim Erfassen, Speichern, Abrufen, Analysieren und Validieren von Winddaten. Typischerweise werden die Winddatensätze direkt von einem Datenlogger an einer meteorologischen Messstation erfasst und in eine Datenbank importiert. Sobald die Daten in der Datenbank gespeichert sind, können sie mithilfe der im System integrierten Tools analysiert und validiert oder für die Verwendung in externer Winddatenanalyse-Software, Windströmungsmodellierungssoftware oder Windparkmodellierungssoftware exportiert werden.

Viele Hersteller von Datenloggern bieten Winddatenmanagement-Software an, die mit ihren Loggern kompatibel ist. Diese Softwarepakete erfassen, speichern und analysieren in der Regel nur Daten von den Loggern des jeweiligen Herstellers.

Es gibt Datenmanagement-Software und -Dienste von Drittanbietern, die Daten von einer Vielzahl von Datenloggern akzeptieren können und umfassendere Analysetools sowie Datenvalidierungsfunktionen bieten.

Winddatenanalysesoftware unterstützt den Benutzer bei der Beseitigung von Messfehlern aus Winddatensätzen und führt spezialisierte statistische Analysen durch.

Methoden zur Windströmungsmodellierung berechnen hochauflösende Karten der Windströmung, oft mit einer horizontalen Auflösung von unter 100 m. Um bei der Modellierung mit hoher Auflösung die verfügbaren Rechenressourcen nicht zu überschreiten, umfassen die typischen Modellgebiete dieser kleinskaligen Modelle einige Kilometer horizontal und mehrere hundert Meter vertikal. Modelle mit einem so kleinen Gebiet sind nicht in der Lage, mesoskalige atmosphärische Phänomene zu erfassen, die häufig die Windmuster bestimmen. Um diese Einschränkung zu überwinden, wird mitunter die Nested-Modeling-Methode eingesetzt. ^{[ 8 ]}

Windströmungsmodellierungssoftware dient dazu, wichtige Eigenschaften der Windressourcen an Standorten vorherzusagen, an denen keine Messungen vorliegen. Die am häufigsten verwendete Anwendung dieser Art ist WAsP, entwickelt am Risø National Laboratory in Dänemark. WAsP nutzt ein Potentialströmungsmodell, um die Windströmung über das Gelände an einem Standort zu prognostizieren. Meteodyn WT und WindStation sind ähnliche Anwendungen, die stattdessen Berechnungen der numerischen Strömungsmechanik ( CFD ) verwenden, welche potenziell genauer sind, insbesondere bei komplexem Gelände. ^{[ 9 ]}

Software zur Windparkmodellierung simuliert das Verhalten geplanter oder bestehender Windparks und berechnet deren Energieproduktion. Nutzer können Winddaten, Höhen- und Rauheitslinien, Spezifikationen der Windkraftanlagen und Hintergrundkarten eingeben sowie Objekte definieren, die Umweltauflagen darstellen. Diese Informationen dienen der Planung eines Windparks, der die Energieproduktion unter Berücksichtigung von Auflagen und baulichen Gegebenheiten maximiert. Verschiedene Softwareanwendungen zur Windparkmodellierung sind verfügbar, darunter ZephyCFD , Meteodyn WT , Openwind , Windfarmer , WindPRO , WindSim und WAsP .

In den letzten Jahren hat sich aufgrund des gestiegenen Bedarfs an dezentraler Stromerzeugung aus lokalen Windressourcen eine neue Art von Windparkentwicklung entwickelt. Diese Windparkprojekte werden hauptsächlich von Landbesitzern mit hohem Energiebedarf, wie Landwirten und Industriestandortbetreibern, vorangetrieben. Eine besondere Anforderung an die Windmodellierung ist die Berücksichtigung aller lokalen Gegebenheiten wie Bäume, Hecken und Gebäude, da die Nabenhöhen der Turbinen zwischen 10 m und 50 m variieren. Windmodellierungsansätze müssen diese Merkmale einbeziehen, doch nur wenige der verfügbaren kommerziellen Windmodellierungssoftware bieten diese Funktionalität. Weltweit wurden mehrere Arbeitsgruppen eingerichtet, um diese Modellierungsanforderung zu untersuchen. Unternehmen wie Digital Engineering Ltd (UK), NREL (USA) und DTU Wind Energy (Dänemark) sind führend in der Entwicklung auf diesem Gebiet und erforschen die Anwendung von Meso-CFD-Windmodellierungstechniken für diesen Zweck.