Windenergie in schwierigem Gelände ein Alptraum für Energieversorger?

Transkript

1 Windenergie in schwierigem Gelände ein Alptraum für Energieversorger? Andreas Schlereth, Change Engineering GmbH Geschäftsführer

2 Inhalt Windenergie in schwierigem Gelände Autodesk CFD als Hilfsmittel zur Standortbeurteilung Ausgangssituation Einflussgrößen Turbulenzmodelle Reales Windparkgelände Zusammenfassung Seite 2

3 Key learning objectives Am Ende des Vortrags kennen Sie: wichtige Einflssgrößen für die Beurteilung von Standorten von WEA Möglichkeiten der Umsetzung in CFD Grenzen der Umsetzung in CFD den Nutzen von Autodesk CFD für die Bewertung von Windpark- Standorten Seite 3

4 Ausgangssituation Seite 4

5 Planungs- und Investitionssicherheit Technisches Risiko Lasten Ertragsprognose Standsicherheit Risiko bei Investition Windgutachten Risiko bei Planung UVP, Schall etc. Genehmigung Seite 5

6 Ertragsprognosen und realer Ertrag Messung lokal Windgeschwindigkeit Mittelung Häufigkeitsverteilung PROGNOSE Messungen Vergleiche Windgutachten Sicherheiten Geländeform Parklayout Leistungskurve ideal Eignung der WEA Leistungskurve real Turbinensteuerung Turbine real realer Ertrag unter Prognose Turbine ideal Seite 6

7 Einflussgrößen

8 Seite 8

9 Windenergie im Binnenland Große Rotoren, höhe Türme Niedrige Windgeschwindigkeiten Windbedingungen Windenergieanlagen reduzierte Nennleistung langsame gelegentliche Windnachführung Häufige, kurzfristige Richtungswechsel hohe Turbulenzintensität Berge, Hügel, Täler Landschaft Wälder, Lichtungen Bebauung Seite 9

10 Anlagenstandort auf bewaldetem Hügel AUSWIRKUNG VERDRÄNGUNG UND REIBUNG DURCH WALD UND HÜGEL FOLGEN Vertikaler Gradient Schlechte Ausrichtung Horizontaler Gradient Unnötiges Gieren Richtungsgradient? Veränderte Turbulenz? Seite 10

11 Anlagenstandort auf bewaldetem Hügel AUSWIRKUNG EINFLUSS AUF BETRIEBSBEDINGUNGEN DER ANLAGE FOLGEN Größeres Nickmoment Geringerer Ertrag Größeres Giermoment Mehr Lastschwankungen Dynamischere Lasten Geringere Zuverlässigkeit Drehzahlschwankungen Seite 11

12 Anlagenstandort auf bewaldetem Hügel ANFORDERUNGEN MÖGLICHKEITEN DER MODELLBILDUNG FÜR WALD MODELLE Verdrängungseffekt Rauheit an Oberfläche Rauheitseffekt Modell als Festkörper Durchlässigkeit Durchlässiger Körper Wogen der Bäume Bewegte Oberfläche Seite 12

13 Nähe zu Ortschaften Bebauung von Ortschaften führt zu größerer Grenzschicht Lenkungswirkung von Gebäuden, so dass Straßenzüge ähnlich wie Waldschneisen als Strömungskanal wirken Energieverlust und erhöhte Turbulenz für WEA

14 Berücksichtigung verschiedener Luftschichten Luftströmung in freier Atmosphäre fast parallel zu den Isobaren In Prandtl-Schicht durch Bodenreibung Verlangsamung Durch im Verhältnis kleinere Coriolis-Kraft ist größter Einfluss Druckgefälle In Ekman-Schicht geht Bodenwind mit zunehmender Höhe stetig in den nahezu geostrophischen Wind über

15 Berücksichtigung verschiedener Luftschichten Süd-Nord-Richtung v [m/s] 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Ekman-Spirale 0-0,2-0,1 0 0,2 0,4 0,6 0,8-0,2 West-Ost-Richtung u [m/s] geringes D hohes D geringes D hohes D ,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 West-Ost-Richtung u [m/s] Höhe z [m] Einfluss Höhe auf W-O-Richtung Vagn Walfrid Ekman Schwedischer Physiker ( ) MODELL - BONDARIES EINFLÜSSE Einfluss Höhe auf S-N-Richtung 500 Untersch. Richtung 400 Coriolis-Kraft Höhe z [m] geringes D hohes D Untersch. Windgeschwind. Reibungskraft 0-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Süd-Nord-Richtung v [m/s] Untersch. Reibung Druckgradientenkraft Winkelbeschleunigung

16 Berücksichtigung verschiedener Luftschichten Demo-Modelle mit mehreren Einlässen zur Umsetzung verschiedener Strömungsrichtungen Seite 16

17 Page 17 Thermische Einflüsse auf die Strömung SONNENEINSTRAHLUNG AUFGEHEIZTE FLÄCHEN GEKÜHLTE FLÄCHEN FREIE KONVEKTION WINDSTRÖMUNG ERZWUNGENE KONVEKTION GESAMTSTRÖMUNG STABILE STRÖMUNGS- VERHÄLTNISSE?

18 Turbulenzmodelle

19 Mathematiker und Physiker ( ) Wenn ich in den Himmel kommen sollte, erhoffe ich Aufklärung über zwei Dinge: Quantenelektrodynamik und Turbulenz. Was den ersten Wunsch betrifft bin ich ziemlich zuversichtlich. Seite 19

20 Turbulenzmodelle für komplexes Gelände TURBULENZMODELL VORTEILE NACHTEILE DNS Hohe Genauigkeit Sehr rechenintensiv LES Filtern statt nähern Sehr rechenintensiv RANS Geringer Rechenaufwand Schlecht bei rapider Änderung Hybride Modelle Genauigkeit / Rechenaufwand Rechenintensiv, wie filtern? Lineare Modelle Wenig rechenintensiv Kaum geeignet

21 Turbulenzmodelle in Simulation CFD NUTZEN FÜR EXTERNE AERODYNAMIK-SIMULATION VON WINDPARKGELÄNDE HOCH MITTEL GERING SST K-Omega SAS SST K-Omega Mischungsweg SST K-Omega DES K-Epsilon Wirbel-Viskosität SST K-Omega RC

22 Reales Windparkgelände

23 Vorgehensweise Höhenprofil aus Autodesk Civil 3d DGM aus Infraworks ZUERST DIE ANALYSE DES GELÄNDES UND DER LAGE, DANN CFD

24 Wirkung von Tälern Höhenschnitt 1 Höhenschnitt 3 Höhenschnitt 2 Höhenschnitt 4

25 auf den Wind in 200 m über Grund Statischer Druck Geschwindigkeit vertikal Geschwindigkeit in Windrichtung Geschwindigkeit quer

26 Beliebig viele virtuelle Messmasten Geschwindigkeit, gesamt Geschwindigkeit vertikal Höhe D t1400 Höhe D t Höhe über Grund (m) Höhe D t200 Höhe über Grund (m) Höhe D t Windgeschwindigkeit (m/s) Geschwindigkeit z-komponente (m/s) Geschwindigkeit in Windrichtung Geschwindigkeit quer Höhe D t1400 Höhe D t Höhe über Grund (m) Höhe D t200 Höhe über Grund (m) Höhe D t ,16-0,14-0,12-0,1-0,08-0,06-0,04-0,02 0 Geschwindigkeit x-komponente (m/s) 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Geschwindigkeit y-komponente (m/s)

27 Quantifizierung der lokalen Schräganströmung Schräganströmung, vertikal Schräganströmung, horizontal 400 Höhe D t1400 Höhe D t Höhe über Grund (m) ,5 1 1,5 2 2,5 3 Schräganströmung vertikal ( ) Höhe D t ,2-1 -0,8-0,6-0,4-0,2 0 Höhe über Grund (m) Schräganströmung horizontal ( ) Höhe D t200 Abhilfe: Turbinenauswahl Standortwahl

28 Zusammenfassung

29 Zusammenfassung Einflüsse auf die Strömung von Windparks im komplexen Gelände sind vielfältig Anforderungen an die Standortbeurteilung sind hoch Einsatz von CFD für die Standortbeurteilung ist notwendig Autodesk CFD erfüllt die wesentlichen Anforderungen für die Standortbeurteilung Forschung arbeitet weiter an Verbesserungen bei CFD

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