MOE-Fellowship

Andrey Zadorozhnyy

Entwicklung von Methoden zur Erhöhung der Effizienz von Windkraftanlagen im Energiesystem : Abschätzung des Vereisungsrisikos von Windkraftanlagen

Gegenwärtig ist die Grundform der Energieressourcen immer noch Mineralbrennstoff – Erdöl, Erdgas, Brennschiefer, Torf, Kohle. Dies sind speicherbare Ressourcen und bei dem heutigen Wachstumstempo der Gewinnung wird die Quantität von solchen Ressourcen immer geringer. Im Unterschied zum fossilen Brennstoff ist die Windenergie praktisch unerschöpflich, überall zugänglich und umweltfreundlich.

Die Windindustrie entwickelt sich ständig weiter. Und die Entwicklung steht vor neuen Herausforderungen. Jede neue Generation von Windkraftanlagen ist größer als die vorherige. Windkraftanlagen der 10MW-Klasse (neue Generation) werden mit ihren gegenüber der heutigen 5MW-Klasse weiter vergrößerten Rotorblattlängen in Höhenbereichen operieren, die deutlich über die 150 m über den Boden hinausgehen, die heutige 5MW-Anlagen erreichen. Da die Temperatur in der Atmosphäre mit der Höhe in der Regel abnimmt, stellt sich auch die Frage, ob die Anlagen der zukünftigen Generation auch einem höheren Vereisungsrisiko ausgesetzt sind.

Die Vereisung von Windenergieanlagen hat einen erheblichen Einfluss auf die aerodynamischen Lasten an und die Dynamik von Windenergieanlagen. Mit zunehmender Erfahrung aus dem Betrieb von Windenergieanlagen häufen sich auch die Berichte über Energieverluste durch Minderleistung und Stillstandszeiten von vereisten Anlagen. Die Folgen der Vereisung der Windkraftanlagen und besonders der Rotorblätter wirken sich, neben dem Effizienzverlust im Energiesystem, insbesondere durch ein erhöhtes Sicherheitsrisiko (sowohl für Servicepersonal wie auch für Personen, die sich zufällig in der Nähe aufhalten), durch Unfallrisiko, erhöhten Lärmpegel und Ertragsverluste aus.

Die Entwicklung neuer Methoden zur Erhöhung der Effizienz ergibt erhebliches ökologisches und ökonomisches Einsparpotenzial bei On- und Offshore-Windenergieanlagen. Die Effizienz von Windkraftanlagen ist direkt mit der Reduzierung von CO2-, SO2- und Stickoxide-Emissionen in die Atmosphäre und der Erhaltung von fossilen Ressourcen verbunden. Je höher die Effizienz von Windkraftanlagen im Energiesystem ist, desto mehr kann man Emissionen reduzieren und fossile Ressourcen sparen.

Kenntnisse über das Vereisungsrisiko an Windenergieanlagen an bestimmten Standorten sind daher auch für präzise Energieertragsprognosen bei der Planung neuer Windparks eine wichtige Information.

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde ein Programm geschrieben, das verwendet werden kann, um das Vereisungsrisiko für Windenergieanlagen abzuschätzen. Die Hauptaufgabe des Programms ist die Berechnung der Geschwindigkeit der Eisbildung (kg/s), abhängig von den Wetterkonditionen und den Parametern (Abmessungen) der Windenergieanlage.

Darüber hinaus wurde eine Methodik entwickelt, die die Reduzierung der Stromerzeugung aufgrund der Vereisung zu berechnen hilft.
Die Methodik besteht aus zwei Teilen:
1. Berechnung des Einflusses der gebildeten Eismasse auf die aerodynamischen Parameter der Windturbinenblattdrehung.
2. Berechnung des Einflusses der Veränderung aerodynamischer Parameter auf die Stromerzeugung.

Die Methodik und die in dem Programm erhaltenen Ergebnisse erlauben in der Zukunft:
- eine Karte des Vereisungsrisikos für bestimmte Regionen zu erstellen;
- die Wirkung der Vereisung von Windkraftanlagen auf die Effizienz dieser Anlagen im Energiesystem zu analysieren;
- Auswirkungen auf die Umwelt zu berechnen, darunter sind so wichtige Indikatoren wie die Reduzierung von CO2-, SO2- und Stickoxide-Emissionen in die Atmosphäre und die Erhaltung fossiler Ressourcen;
- eine ökonomische Begründung zu bekommen, warum es zweckmäßig ist, Vereisungsrisiken von Windkraftanlagen abzuschätzen.