OPTIMIZE-Überblick

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Was ist das optimale Layout für einen Windpark?

Das optimale Layout eines Windparks hängt von der individuellen Situation des geplanten Vorhabens ab. Unabhängig von den Randbedingungen ist im Wesentlichen der maximale Profit unter Berücksichtigung der Auswirkungen auf die Umwelt (u.a. Schall und Schattenwurf) maßgeblich.

Bereits diese Formulierung impliziert einige Fragen. Was ist der maximale Profit? Hier muss der Zeitfaktor berücksichtigt werden. Die höchste Kapitalverzinsung bedeutet z.B. nicht unbedingt den höchsten aktuellen Wert. Parameter wie der Einspeiseerlös für die elektrisch erzeugte Energie, die Lebensdauer der WEA oder die Betriebskosten haben eine hohe Bedeutung. Die Größe der WEA lässt sich ebenfalls nicht alleine anhand von Wirtschaftlichkeitskriterien bestimmen – was für Kräne sind verfügbar, wer kann liefern und wann? – die Liste der zu klärenden Fragen lässt sich beliebig fortführen.

Wie lassen sich die Einflüsse auf die Umwelt in einem ausreichenden Maß berücksichtigen? Lohnt es sich, die Fläche hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit so auszureizen, dass die visuelle Beeinträchtigung zu einem verfrühten Ende des Projekts führen kann, noch vor der erwarteten Lebensdauer?

Weiterhin gibt es Situationen, in denen die Pachtverträge bestimmte Aufstellungsmuster diktieren. Die Vorstellungen der Entwickler und Planer müssen mit denen von Eigentümern, Gemeinden und Baubehörden abgestimmt werden.

Es müssen also viele unterschiedliche Aspekte bei der Planung berücksichtigt werden.


Das Module OPTIMIZE ist so strukturiert, dass es dem Anwender ein hohes Maß an Kontrolle beim Optimierungsprozess gewährt. Die aktuelle Implementation von OPTIMIZE kann auf der Basis der zur Verfügung stehenden Fläche, der Windressourcen und des Parkwirkungsgrad einen Layoutvorschlag berechnen. Ergänzend kann in einem zweiten Schritt eine Schalloptimierung des gefundenen Layouts durchgeführt werden. Ein sehr wichtiger Punkt ist aber auch die Unterstützung bei eigenen Layout-Adaptionen.

An der Optimierung sind vier Elemente beteiligt:

  • Standort-Einschränkungen in Form eines WEA-Flächen-Objekts, durch das verfügbares Land, Ausschlussflächen und Mindestabstände definiert werden
  • Eine Windressourcenkarte, die entweder importiert oder mit dem RESOURCE-Modul berechnet werden kann
  • Ein Optimierungsalgorithmus, der, basierend auf den Anforderungen, ein geeignetes Ergebnis liefert
  • Ein Navigationsfenster, in dem Ergebnisse dargestellt und nachverfolgt werden.


Der Optimierungsalgorithmus deckt die folgenden vier Situationen ab:


Die Optimierung eines Windparks mit einem freien Layout findet als iterativer Prozess, der unter sinnvollen Annahmen eine große Menge an möglichen Parkkonfigurationen ausprobiert, statt. Die Optimierung eines Windparks mit einem Raster-Layout variiert bestimmte von Ihnen gewählte Parameter innerhalb von durch Sie definierten Grenzen, z.B. die Abstände innerhalb einer WEA-Reihe, und findet unter allen möglichen Parameter-Kombinationen die mit dem höchsten Ertrag heraus.

In einfachem Gelände (z.B. auch Offshore) ist die Optimierung als Raster-Layout die bessere Methode, da die Methode des Freien Layouts, wenn die verfügbare Energie von Position zu Position nur geringfügig variiert, nur schwer die besten Positionen finden kann. Die energetisch optimale Anordnung in einer derartigen Situation besteht außerdem stets darin, die Abstände zwischen den WEA zu maximieren, was ein regelmäßiges Muster zur Folge hat. Dieses ist überdies auch aus optischen Gesichtspunkten zu bevorzugen.


Die Kurzanleitungen zu den verschiedenen Optimierungsmodi finden Sie am Anfang der Kapitel:


Start des Moduls

Der Lizenzierungsstatus des Moduls OPTIMIZE wird im Modulfenster in der Untergruppe Optimierung angezeigt:


DE Opti(10).png


Wenn OPTIMIZE im Modulfenster mit einem grünen Punkt erscheint, so ist es auf dem Rechner lizenziert. Ein gelber Punkt bedeutet, dass das Modul nicht lizenziert ist. Das Modul wird jedoch nicht über das Modulfenster, sondern über das Symbol DE Opti(11).png in der Symbolleiste oder über das "Werkzeuge"-Menü gestartet:


DE Opti(12).png


Berechnungsmethoden

Das WindPRO-Modul OPTIMIZE optimiert ein Windpark-Layout nach drei fundamental unterschiedlichen Methoden.

Bei allen Methoden ist die Voraussetzung, dass auf der Karte mit Hilfe des WEA-Flächen-Objekts diejenigen Flächen markiert werden, die zur Verfügung stehen (gegebenenfalls parzellenscharf; es können auch mehrere Teilflächen angegeben werden). Weiterhin können für diese Flächen oder Teilflächen Voraussetzungen angegeben werden, z.B. wie viele WEA minimal oder maximal dort platziert werden sollen, und es können Ausschlussflächen definiert werden.


Für die Energie-Optimierungen (A und B) wird eine vorher erstellte Windressourcenkarte des Areals benötigt. Bei einfachem Terrain mit einheitlichen Windbedingungen, für die ein regelmäßiges Layout mit Methode B erstellt werden soll (z.B. bei Offshore-Projekten) kann auch mit einer Weibull-Verteilung gearbeitet werden.


Methode A: Freies Layout

Automatische Energie-Optimierung eines freien Windpark-Layouts: OPTIMIZE ermittelt iterativ die Parkauslegung mit dem höchsten Energieertrag sowie unter Berücksichtigung der für die zu beplanenden WEA-Flächen angegebenen Einschränkungen.

Ein WEA-Typ, für den die Optimierung durchzuführen ist, kann aus dem Bestand des WEA-Katalogs ausgewählt werden oder neu definiert werden. Um eine Optimierung mit unterschiedlichen WEA zu ermöglichen, können diese vor dem Start der Optimierung auch direkt in die unterschiedlichen Areale eingegeben werden. Bestehende WEA können zur Berechnung des Parkwirkungsgrads bzw. in Hinsicht auf die Einhaltung der definierten Bedingungen bezüglich Anzahl, Einspeisekapazität und Abständen in die Berechnung einbezogen werden.


Die WEA können auf drei verschiedene Weisen platziert werden:

  • Automatisch Füllen: WindPRO versucht, so viele WEA wie möglich in der Fläche unterzubringen. Es wird an einer Ecke begonnen und dann einfach am nächstgelegenen Punkt, an dem aufgrund der Abstandsanforderungen WEA möglich sind die nächste WEA platziert, und so weiter.
  • Energie-Schnelloptimierung: WindPRO verwendet die beste Position (entsprechend der Windressourcenkarte) für die erste WEA. Die nächste WEA kommt an die nächstbeste geeignete Fläche und so weiter. Der Parkwirkungsgrad wird hierbei nicht berücksichtigt.
  • Energieoptimierung: Wie bei der Schnelloptimierung werden die energetisch besten Standorte verwendet, es wird dabei jedoch auch auf den Parkwirkungsgrad geachtet. Nachdem die zweite WEA platziert wurde, wird die erste WEA unter Berücksichtigung der Wake der zweiten WEA neu positioniert – dies wiederholt sich für jede neue WEA.


Methode B: Raster-Layout

Parkauslegung für Raster-Layouts (gerade parallele Linien mit gleichen Abständen zwischen WEA oder Bogen-Layout)

Dazu wird das Park-Design-Objekt benutzt; es kann eine automatische oder eine manuelle Optimierung durchgeführt werden.

Der manuelle Weg besteht darin, auf der Karte in den festgelegten WEA-Flächen mit Hilfe des Park-Design-Objekts Windenergieanlagen-Felder zu erzeugen und durch Drehung, Verschiebung und Veränderung der Abstände zu modifizieren. Das Programm verfolgt währenddessen Anzahl und Leistung der innerhalb des Gebiets befindlichen WEA. Wenn das erwünschte Layout vorliegt, kann es realisiert werden, d.h. es wird automatisch ein neuer Layer erzeugt, in den die innerhalb der WEA-Flächen befindlichen WEA als Neue-WEA-Objekte kopiert werden. Es können nacheinander mehrere Varianten auf verschiedenen Layern erzeugt werden, die dann Grundlage für weitere WindPRO-Berechnungen (z.B. Energie, Schall) sind.

Die automatische Optimierung eines regelmäßigen Layouts wird über das OPTIMIZE-Modul gestartet. Dort kann ein minimaler Parkwirkungsgrad (bzw. maximale Parkverluste) definiert werden, um sicherzustellen, dass Konfigurationen, die dieses Minimum nicht erfüllen, nicht berücksichtigt werden. Beim Start der Optimierung werden die Parameter sowie die Minima und Maxima, zwischen denen variiert werden soll, angegeben (z.B. Abstand zwischen WEA in einer Reihe). Der Optimierungsprozess besteht darin, dass sämtliche Parametervariationen und -kombinationen durchgespielt werden und die Konfiguration mit dem maximalen Ertrag ermittelt wird.


Methode C: Schalloptimierung

Die Schalloptimierung benötigt ein WEA-Layout und eine Anzahl definierte WEA-Betriebsmodi. Die Betriebsmodi der WEA werden in den WEA-Eigenschaften festgelegt als Level 0 (Standard), Level 1, Level 2 etc, wobei die Schallemissionen, aber auch die Produktion mit den höheren Levels abnimmt. Es müssen weiterhin Schall-Immissionsorte in der Umgebung der Windfarm definiert werden.

In den Optimierungseinstellungen wird für die Schalloptimierung das Ausbreitungsmodell ausgewählt (siehe DECIBEL).

Zunächst werden alle WEA maximal schallreduziert und eine Schallberechnung wird durchgeführt. Wenn an einem Immissionsort Richtwerte überschritten werden, wird die WEA mit dem dort höchsten Schallbeitrag aus dem Layout entfernt. Dieser Prozess wird so lange wiederholt, bis alle Immissionsrichtwerte eingehalten werden.

Die verbliebenen WEA werden dann auf den lautesten Schallmodus gesetzt und die Immissionen für die Rezeptoren werden berechnet. Finden Überschreitungen statt, wird die WEA, die am Immissionsort mit der höchsten Überschreitung den höchsten Schallbeitrag leistet, um eine Stufe reduziert. Dies wird fortgeführt, bis alle Immissionsrichtwerte eingehalten werden.

Wird die Kombination aus Energie- und Schalloptimierung gewählt, wird zuerst das Energieoptimierte Layout gefunden und dieses dann durch Entfernen und Reduzieren einzelner WEA schalloptimiert.


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