Energie: Einführung

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Die Berechnung der mittleren jährlichen Energieproduktion (AEP, Annual Energy Production) gehört zu den wichtigsten Aufgaben bei der Windenergie-Projektentwicklung. Der Energiegehalt des Windes steigt in der dritten Potenz zur Windgeschwindigkeit an. Vom Energiegehalt nutzen Windenergieanlagen aufgrund technischer und physikalischer Beschränkungen etwa die Hälfte. Eine Verdoppelung der Windgeschwindigkeit bedeutet somit etwa eine Vervierfachung der Produktion. Aber auch kleinere Zunahmen der Windgeschwindigkeit haben schon signifikante Änderungen der Produktion zur Folge, so führt z.B. eine Erhöhung der Windgeschwindigkeit von 6 m/s auf 7m/s zu einer Zunahme der Produktion um rund 35%. Nur mit einer möglichst präzisen Vorhersage der Windverhältnisse lassen sich die Produktion und damit der finanzielle Ertrag des Projekts prognostizieren. Projektkosten, Unterhaltungskosten, Darlehenszinsen und vieles mehr sind ebenfalls wichtige Faktoren, diese variieren jedoch von Projekt zu Projekt bei weitem nicht so stark wie die Windverhältnisse. Über die Durchführbarkeit eines Projekts entscheiden maßgeblich die Windverhältnisse.

Es gibt unterschiedliche Wege, zu einer Schätzung der mittleren jährlichen Energieproduktion (AEP, Annual Energy Production) zu kommen. In windPRO sind meistens die folgenden drei Module in dieser Reihenfolge beteiligt:

• MCP – Langzeitkorrektur der lokalen Windmessungen
• PARK – Berechnung der mittleren jährlichen Energieproduktion (AEP) incl. Wake-Verlusten (benachbarte WEA nehmen sich gegenseitig den Wind weg)
• LOSS&UNCERTAINTY – Berechnung der erwarteten Verluste sowie der Unsicherheiten.

Bevor die Berechnungen durchgeführt werden können, müssen verschiedene Vorbereitungen getroffen werden:

Schaffung einer Winddaten-Basis. Wenn eine lokale Windmessung vorliegt, wird diese in ein METEO-Objekt eingelesen. Ohne lokale Windmessung müssen andere Datenquellen in Betracht gezogen werden, zum Beispiel Online-Datenquellen (siehe Laden von Online-Klimadaten).

Auswahl des Anlagentyps und Windfarm-Layout. Die Module SITE COMPLIANCE und LOAD RESPONSE können hilfreiche Werkzeuge sein, um WEA-Typen zu identifizieren, die den Windlasten am Standort widerstehen können. Die Module METEO und WAsP interface helfen dabei, abzuschätzen, wie verschiedene WEA-Typen die lokalen Windbedingungen in Produktion umsetzen. RESOURCE ermittelt die räumliche Variation der Windverhältnisse über die Standortfläche (Windressourcenkarte) und erlaubt so eine günstigere Platzierung der individuellen WEA, entweder manuell oder halbautomatisch durch das Modul OPTIMIZE.

Aber auch andere Faktoren können Einschränkungen für das Windfarm-Layout bedeuten; häufig sind Anforderungen zum Schutz der Nachbarn vor Geräuschen und Schattenschlag der WEA zu berücksichtigen (Module DECIBEL und SHADOW). Die visuelle Wahrnehmung der WEA kann eine Rolle spielen (Modul ZVI für Sichtbarkeitskarten, Modul PHOTOMONTAGE), und weitere Naturschutzbelange (Vogelzug und -brut, Fledermäuse) können bestimmte Abstände zu entsprechenden Habitaten erfordern.

Einrichten eines Berechnungsmodells. Um die horizontale und vertikale Variation der Windbedingungen über das Gelände modellieren zu können, werden ein Geländemodell (Höhen, Geländerauigkeit und Hindernisse) und ein Strömungsmodell (WAsP oder WAsP-CFD) benötigt. windPRO bietet verschiedene Online-Datenquellen für Geländemodell-Komponenten an sowie eine vollständige Integration der Strömungsmodelle WAsP und WAsP-CFD. Alternativ kann die Modellierung der Windverhältnisse auch extern erfolgen und in Form des standardisierten .flowres-Formats in windPRO importiert werden.

Ein weiterer Schritt, der sich anschließen kann, ist die Performance-Überprüfung im laufenden Betrieb. Hierbei leistet das Modul PERFORMANCE CHECK wertvolle Dienste, da es erlaubt, Modellierung und tatsächliche Produktion detailliert miteinander zu vergleichen und so Rückschlüsse auf Modellierungsfehler oder Performanceprobleme der WEA zu ziehen.

Winddaten-Basis – mit lokaler Windmessung

1. Importieren Sie die Logdateien der Windmessung in ein METEO-Objekt. Überprüfen Sie die Daten und deaktivieren Sie fehlerhafte Daten
2. Richten Sie ein Geländemodell mit mindestens Höhen- und Rauigkeitsdaten, ggf. auch lokalen Hindernissen, ein (siehe Terraindatenobjekt).
3. Analysieren Sie die Winddaten z.B. indem Sie die modellierte Windscherung mit der tatsächlich gemessenen vergleichen. Wenn mehrere Masten vorliegen, vergleichen Sie, wie gut sich ein Mast anhand der Ergebnisse eines anderen Masts vorhersagen lässt (Kreuzvorhersage). Versuchen Sie Unterschiede zu erklären und passen Sie ggf. das Geländemodell oder die Strömungsmodell-Parameter an.
4. Laden Sie Langzeit-Referenzzeitreihen (z.B. aus Online-Datenquellen) in ein METEO-Objekt. Überprüfen Sie die Qualität und vergleichen Sie unterschiedliche Datenquellen.
5. Erzeugen Sie eine Langzeitkorrigierte regionale Windstatistik oder eine lokale Langzeit-Zeitreihe mit dem MCP-Modul.

Winddaten-Basis – ohne lokale Windmessung

1. Verwenden Sie eine oder mehrere regionale Windstatistiken (WAsP-Format), die z.B. von einigen meteorologischen Diensten angeboten werden. Die Qualität ist oft nicht ausreichend und eine Validierung anhand von lokalen Daten (z.B. existierenden WEA) ist notwendig.
2. Oder verwenden Sie Daten aus Mesoskalen-Modellierungen. Benötigt eine Kalibrierung anhand regionaler Messdaten oder existierender WEA, da das absolute Niveau von Mesoskalen-Modellierungen häufig signifikant abweicht, auch wenn Richtungsverteilung und Dynamik des Windes gut getroffen werden.
3. Oder verwenden Sie Windressourcenkarten (WAsP-Format) von einer Drittquelle. Hierbei sollte auf einen nachvollziehbaren Berechnungsweg und Angaben zur Unsicherheit geachtet werden.

Für Option (1), die aufgrund verbesserter Mesoskalen-Modelle zunehmend interessant wird, bietet windPRO seit Version 3.0 ein vollständiges Berechnungskonzept, den Scaler, an, das hier beschrieben wird. Unter Scaler vs. regionale Windstatistik wird der Unterschied des Scaler-Konzepts zum bisherigen Konzept der regionalen Windstatistiken dargestellt.

Siehe auch:

• Energie: Einführung
• Scaler vs. regionale Windstatistik
• Energie: Datengrundlage