Ringversuch Numerische Strömungssimulation in der Windenergie Round Robin Numerical Flow Simulation in Wind Energy

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1 Ringversuch Numerische Strömungssimulation in der Windenergie Round Robin Numerical Flow Simulation in Wind Energy Information Nr. 1 - Information No Eine Initiative von - An Initiative of Deutsches Windenergie Institut GmbH - German Wind Energy Institute GmbH Ebertstraße 96 - D Wilhelmshaven

2 Unsicherheit von Ertragsprognosen Verbesserung durch Strömungssimulation? Die Unsicherheiten von Ertragsprognosen auf Basis des Europäischen Windatlas- Verfahrens sind kein Geheimnis und werden heute teilweise in Form von Projekten erkennbar, deren Erträge deutlich hinter den Erwartungen zurückbleiben. Dabei zeigt sich zum Teil bereits in einfachem Gelände, daß auch bei Verifizierung der für die Berechnung verwendeten Basisdaten durch WEA-Betriebsdaten immer noch erhebliche Unsicherheiten vorhanden sind. Im Binnenland mit komplexer werdender Geländestruktur und windschwächeren Gebieten steigen sowohl die Schwierigkeiten der Berechnung als auch die Genauigkeitsanforderungen an die Ergebnisse, zudem sind hier zum Teil noch keine WEA-Betriebsdaten verfügbar. Es ist offensichtlich, daß dieses nicht ohne eine Verbesserung der Methoden zu bewältigen ist. Neben der oft wiederholten Empfehlung zu fachkundig durchgeführten Windmessungen, wie international für Projektentwicklung üblich, werden in diesem Kontext zunehmend auch numerische Strömungsmodelle in die Diskussion gebracht. Diese Modelle stammen aus verschiedenen Bereichen der Forschung oder Industrie, und bieten zumindest potentiell die Möglichkeit, die relevanten Einflußfaktoren auf die Windströmung durch numerische Lösung der Zustandsgleichungen zu berechnen. Je nach Komplexität des Modells können auch die atmosphärischen Temperaturverhältisse einbezogen und die Erzeugung und Ausbreitung von Turbulenz berechnet werden. Während in der Industrie mit der numerischen Strömungssimulation umfangreiche Erfahrungen bei Standardproblemen vorliegen und in der Wettervorhersage numerische Modelle weltumspannend betrieben werden, liegen bei der Anwendung dieser Modelle im Bereich der Windenergienutzung relativ wenige Erfahrungen vor, insbesondere hinsichtlich der zu erwartenden Modellunsicherheiten. Es gibt zwar immer wieder vereinzelte Anwendungen mit verschiedenen Modellen, selten werden jedoch die Unsicherheiten systematisch untersucht, so daß die Ergebnisse als übertragbar angesehen werden könnten. Was vor allem fehlt, ist eine unabhängige Untersuchung in Form eines Blindversuches, bei dem die Ergebnisse verschiedener Modelle von unabhängiger Seite mit Meßdaten verglichen werden, und die Unsicherheiten hinsichtlich praxisrelevanter Fragestellungen systematisch untersucht werden. DEWI hat im Rahmen verschiedener Forschungstätigkeiten bereits umfangreiche Erfahrungen mit der Anwendung von Strömungsmodellen verschiedener Komplexität zur Ermittlung des Windpotentials gesammelt ([1], [2], [3], [4]). Zum Einsatz kamen u.a. im Rahmen des europäischen Forschungsprojektes MOWIE (Improved Tools for Wind Prediction in Mountainous Area) verschiedenste Modelle unterschiedlicher Komplexität (AIOLOS, LINCOM, CRES-3D, GESIMA). Die Schwierigkeit, eine Vergleichbarkeit sowie eine Übertragbarkeit von Ergebnissen verschiedener Modelle sicherzustellen, ist daher wohlbekannt, und die Kompetenzen zur Interpretation und Auswertung der Modellergebnisse wie auch die Kenntnis der praxisrelevanten Fragestellungen sind vorhanden. Zudem verfügt DEWI über eine große Datenbasis an hochwertigen Windmessungen, die Gegenstand von Verifizierungsberechnungen sein können. Information Nr. 1, Martin Strack, /5

3 Daher plant DEWI einen Ringversuch Numerische Strömungssimulation in der Windenergie Angesprochen für die Teilnahme an diesem Blindversuch sind Dienstleister, die numerische Strömungsberechnung zur Windpotentialbestimmung (mesoskalig oder mikroskalig) als Service anbieten, um auf Basis der vom DEWI bereitgestellten Eingangsdaten Berechnungen durchzuführen und die Ergebnisse für Vergleiche mit Messungen zur Verfügung zu stellen. DEWI hat bereits Kontakt zu verschiedenen international tätigen Unternehmen in diesem Bereich aufgenommen und durchgehend positive Resonanz erhalten. Dabei kommen DEWI als Gründungsmitglied von MEASNET die umfangreichen Erfahrungen zugute, die bei der Durchführung von Blindversuchen zur Qualitätssicherung und -steigerung in verschiedenen Bereichen (z.b. Anemometerkalibration) gesammelt wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeiten werden durchgehend international anerkannt und als Quasi-Standard gewertet. Zudem erfüllt DEWI die wichtige Voraussetzung der Unabhängigkeit, da DEWI sich trotz der umfangreichen Erfahrungen mit unterschiedlichen Modellen nicht auf ein bestimmtes Produkt oder eine Methode festgelegt hat. Der aktuelle Stand und weitere Informationen zum Blindversuch Numerische Strömungssimulation in der Windenergie werden im Internet unter veröffentlicht. Uncertainty of Energy Yield Prognoses Can Computational Fluid Dynamics be a Solution? (Extract of German opening text) The uncertainties of energy yield prognoses based on the European Wind Atlas Method are obvious and become visible in wind farms which do not meet the expected results. With exploitation of the inner regions of Germany the difficulties of energy yield prognoses are increasing as well as the demands for accuracy. Besides the installation of wind measuring equipment, the computational fluid dynamics (cfd) is discussed as possible solution. However, the experience with cfd for wind energy prognosis is limited and lacks especially a systematic verification and analysis of the expected uncertainties. Since DEWI has extensive experience with application of flow models of different complexity for wind resource assessment ([1], [2], [3], [4]) and the evaluation and comparison of the results, but does not promote a specific model or method, DEWI feels capable to perform a. Referenzen/References: [1] Heinemann, Detlev; Mengelkamp, Heinz-Theo; Strack, Martin; Erfahrungen mit der Anwendung des nichthydrostatischen mesoskaligen Strömungsmodells GESIMA zur Windpotentialbestimmung in komplexem Gelände. - DEWEK '98: 4. Deutsche Windenergie-Konferenz, 21. bis 22. Okt in Wilhelmshaven. - Wilhelmshaven: DEWI, S [2] Heinemann, Detlev; Mengelkamp, Heinz-Theo; Strack, Martin; Waldl, Hans-Peter; Experiences with the Application of the Non-Hydrostatic Mesoscale Model GESIMA for assessing Wind Potential in Complex Terrain, 1999 European Wind Energy Conference Proceedings, Nice, France, 1-5 March 1999; S [3] Martin Strack, Gerhard Gerdes, Thomas Pahlke, Ulrich Focken; Wind Potential Assessment in Complex Terrain: Verification of WASP and Investigation of Improvements by Integration of Flow Models of Different Complexity. - Deutsche Windenergie- Konferenz, 2000, Wilhelmshaven [4] Tammelin, Bengt; Bergström, Hans; Botta, G. ; Douvikas, Dimitris; Hyvönen, Reijo; Rathman, Ole; Strack, Martin; Verification on wind energy predictions produced by WASP and some mesoscale models in European mountains European Union Wind Energy Conference: Copenhagen, Denmark, 2-6 July S Information Nr. 1, Martin Strack, /5

4 DEWI is planning to perform a Round Robin Numerical Flow Simulation in Wind Energy. Companies or institutions, who offer flow simulation as service for wind energy prognosis, are welcome to participate. The round robin will include test calculations on base of input data provided by DEWI, and the evaluation of the results and comparison with measurement data. Aim of the Round Robin Test An important aim of the round robin test is the comparability and transferability of the results. It is not the goal to test the quality of input data, but to test the quality of the calculation procedures. For this reason the model calculations shall base on the same identical high quality input data to produce results which are evaluated in the same, identical way. Not only the overall results in form of wind speed distribution shall be evaluated, but different flow conditions, which are assessed to be relevant for the purpose of wind resource calculation and which allow to make statements which can be transferred to other sites. The details of evaluating and assessing the model results will be proposed by DEWI and have to be agreed upon by all participants. Test Sites of Different Scale According to the different demands on the application of flow simulation for wind energy and according to different model scales, the tests are planned to be divided into microscale and a mesoscale cases: the microscale test case cover a region of a few kilometres and will be calculated in high resolution to handle the small-scale effects relevant for micro-siting purposes. According to the common demands, the microscale calculations shall be driven by a measurement carried out in the region, and the results shall be compared against other measurements. Figure 1: Three-dimensional representation of the orographic structure of microscale site 1. Information Nr. 1, Martin Strack, /5

5 In Figure 1 a representation of the orographic structure of the site 1, which is a potential microscale test site, is shown (the size of the extract is 5 x 5 km 2 ). The measurement mast positions are marked with a cross, main wind direction is south. At four positions wind has been measured by means of high quality calibrated sensors on 10 m and 40 m height, at the fifth position at 10 m height. The roughness influences at this site are low due to low and homogenous roughness length. A highresolution description of orography and roughness of the site is available and will be delivered in a format as required. The mesoscale test area will be larger, however still in the order of regional scale (e.g. 60 x 60 km 2 ) and also equipped with several high-quality wind measurement masts. Also for this case an important driving force for the simulations should be the surface measurement values. To acknowledge the capability of some methods to cover a large range of scales, and also to acknowledge the importance of this scale for application, a third "intermediate-scale" (e.g. 20 x 20 km 2 ) may be suitable for test calculations. DEWI is examining a site of this scale equipped with several wind profile measurement masts and additional SODAR measurements. Test Procedure The procedure will be as clear and simultaneously as simple for all participants, as possible. The orographic height and roughness data will be delivered in a resolution and format as needed for the calculations. After definition of a set of wind situations which are to be calculated to cover the present wind climate, this simulations will be carried out. The calculations have to be carried out on voluntary, unpaid basis. The model simulation results will be evaluated according to the agreed evaluation and assessment criterions. The results of the test will be presented in a concerted publication. The detailed results of the tests can be accessible to all the participants for further development and enhancement as far as all concerned are agree. Further Proceeding DEWI has contacted some German and international companies and got positive response. The interest in such model verifications is big. The details and conditions of the Round Robin Numerical Flow Simulation in Wind Energy will be prepared by DEWI and proposed soon to all interested, as well as a estimation of the schedule of the work. Please, do forward the information to potentially interested. Actual information of the round robin can be found in internet at Contact: German Wind Energy Institute GmbH Ebertstraße 96 - D Wilhelmshaven Martin Strack - m.strack@dewi.de Information Nr. 1, Martin Strack, /5