Windparks effizienter machen

Mit steigendem Energiebedarf haben Forscher von Penn State Behrend und der University of Tabriz, Iran, einen Algorithmus oder einen Ansatz zur Entwicklung effizienterer Windparks entwickelt, der dazu beiträgt, mehr Einnahmen für Bauherren und mehr erneuerbare Energien für ihre Kunden zu generieren.

„Die Windenergie nimmt nicht nur in den USA zu“, sagte Mohammad Rasouli, Assistant Professor of Electrical Engineering am Penn State Erie, dem Behrend College. „Der Wirkungsgrad von Solarmodulen liegt unter 25 Prozent und ist immer noch Gegenstand aktueller Forschung. Windkraftanlagen hingegen sind wesentlich effizienter und wandeln über 45 Prozent der Windenergie in Strom um.“

Obwohl Windturbinen effizient sind, können Windpark-Layouts diesen Wirkungsgrad verringern, wenn sie nicht richtig ausgelegt sind. Bauherren stellen nicht immer Turbinen an die Orte mit den höchsten Windgeschwindigkeiten, an denen sie die meiste Energie erzeugen, sagte Rasouli. Der Abstand zwischen den Turbinen ist ebenfalls wichtig – da die Turbinen Widerstand erzeugen, der die Windgeschwindigkeit senkt, werden die ersten Turbinen, die den Wind einfangen, mehr Leistung erzeugen als die, die danach kommen.

Um effizientere Windparks zu bauen, müssen die Planer diese Faktoren unter Berücksichtigung von Windgeschwindigkeit und Turbinenabstand sowie Grundstücksgröße, Geographie, Anzahl der Turbinen, Vegetationsmenge, meteorologische Bedingungen, Baukosten und andere Überlegungen berücksichtigen, so die Forscher.

Das Ausbalancieren all dieser Faktoren, um ein optimales Layout zu finden, ist schwierig, auch mit Hilfe mathematischer Modelle.

„Das ist ein mehrkriterieller Ansatz“, sagte Rasouli. „Wir haben eine Funktion und wollen sie unter Berücksichtigung verschiedener Einschränkungen optimieren.“

Die Forscher konzentrierten sich auf einen Ansatz, die „biogeographisch basierte Optimierung“. BBO wurde 2008 gegründet und ist von der Natur inspiriert. Es basiert darauf, wie sich Tiere auf natürliche Weise verteilen, um ihre Umwelt entsprechend ihren Bedürfnissen optimal zu nutzen. Durch die Erstellung eines mathematischen Modells aus dem Verhalten von Tieren ist es den Forschern dann möglich, die optimale Verteilung von Objekten in anderen Szenarien, wie beispielsweise Turbinen in einem Windpark, zu berechnen.

„Analytische Methoden erfordern eine Menge Berechnungen“, sagt Rasouli. „Diese BBO-Methode minimiert die Berechnung und liefert bessere Ergebnisse, indem sie die optimale Lösung bei geringeren Rechenkosten findet.“

Andere Forscher verwendeten vereinfachte Versionen des BBO-Ansatzes in den Jahren 2017 und 2018, um effizientere Windpark-Layouts zu berechnen, aber diese vereinfachten Versionen berücksichtigten nicht alle Faktoren, die das optimale Layout beeinflussen.

Die Forscher von Penn State und der University of Tabriz vervollständigten den Ansatz, indem sie zusätzliche Variablen einbrachten, darunter reale Marktdaten, die Rauheit der Oberfläche – die beeinflusst, wie viel Leistung im Wind ist – und wie viel Wind jede Turbine erhält.

Das Forschungsteam verbesserte auch den BBO-Ansatz, indem es ein realistischeres Modell zur Berechnung von Wakes einbezog – Bereiche mit langsameren Flügelgeschwindigkeiten, die erstellt wurden, nachdem der Wind an einer Turbine vorbei wehte, ähnlich wie die Wake hinter einem Boot – und testete, wie empfindlich das Modell gegenüber anderen Faktoren wie Zinssätzen, finanziellen Anreizen und Unterschieden bei den Energieerzeugungskosten war. Sie berichten ihre Ergebnisse online im Journal of Cleaner Production, das im November veröffentlicht wird.

„Dies ist ein realistischerer Optimierungsansatz im Vergleich zu einigen der vereinfachenden Methoden, die es gibt“, sagte Rasouli. „Das wäre besser für Kunden, Hersteller und netzförmige, größere Windparks.“

Durch die Integration weiterer Daten, wie aktualisierte meteorologische Aufzeichnungen und Herstellerinformationen, werden die Forscher in der Lage sein, den BBO-Ansatz zur Optimierung von Windpark-Layouts an vielen verschiedenen Standorten zu nutzen, um Windparkdesignern auf der ganzen Welt zu helfen, ihr Land besser zu nutzen und mehr Energie zu erzeugen, um den zukünftigen Energiebedarf der Verbraucher zu decken.

„Es gibt eine Endzeit für fossile Brennstoffe“, sagte Rasouli. „Mit diesen und zukünftigen Methoden oder besseren Optimierungsansätzen können wir die Windenergie besser nutzen.“

Mehr Informationen:
Soheil Pouraltafi-kheljan et al. Optimales Design des Windparklayouts unter Verwendung eines biogeographisch basierten Optimierungsalgorithmus, Journal of Cleaner Production (2018). DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.07.217

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