Die Windtechnologie wächst – buchstäblich. Die heutigen Offshore-Windturbinen können sich mehr als 490 Fuß über dem Boden erheben und ihre sich drehenden Blätter erzeugen jeweils bis zu 8 Megawatt (MW) – genug, um 4.000 Haushalte in den USA mit Strom zu versorgen.
Doch mit der zunehmenden Größe der Anlagen gehen auch Herausforderungen einher. Vor der Ostküste, wo sich in den USA Offshore-Turbinen befinden, stellen immer stärkere atlantische Wirbelstürme eine Gefahr für die Anlagen selbst und für die Zukunft der Windenergie dar. Um diese Turbinen widerstandsfähiger gegen Hurrikane zu machen, nimmt sich ein Forscherteam der CU Boulder ein Beispiel an der Natur und dreht die Turbine um.
„Wir haben uns dabei von Palmen inspirieren lassen, die diese Hurrikane überstehen können“, sagt Lucy Pao, Palmer-Stiftungsprofessorin am Fachbereich Elektrotechnik, Informatik und Energietechnik.
Herkömmliche Aufwindturbinen sind dem einfallenden Wind zugewandt, und um zu verhindern, dass sie in den Turm geweht werden, müssen ihre Flügel ausreichend steif sein. Für den Bau dieser relativ dicken und massiven Flügel wird viel Material benötigt, was ihre Kosten in die Höhe treibt. Die Rotorblätter von Windkraftanlagen hingegen sind dem Wind abgewandt, so dass die Gefahr geringer ist, dass sie bei aufkommendem Wind gegen den Turm stoßen. Das bedeutet, dass sie leichter und flexibler sein können, wodurch weniger Material und damit weniger Geld für die Herstellung benötigt wird. Außerdem können sich diese windabgewandten Blätter bei starkem Wind biegen, anstatt zu brechen – ähnlich wie Palmen.
In den letzten sechs Jahren hat Paos Team zusammen mit Mitarbeitern der University of Virginia, der University of Texas in Dallas, der Colorado School of Mines und des National Renewable Energy Laboratory die SUMR-Turbine (Segmented Ultralight Morphing Rotor) entwickelt, einen zweiblättrigen Abwindrotor, mit dem die Leistung dieses leichten Konzepts in der Praxis getestet werden kann. Am 10. Juni stellten die CU-Forscher auf der American Control Conference die Ergebnisse einer neuen Studie vor, die vier Jahre lang Daten aus der Praxis ihres 53,38-Kilowatt-Demonstrators (SUMR-D) auf dem Flatirons Campus des National Renewable Energy Laboratory (NREL) südlich von Boulder, Colorado, ausgewertet hat.
Sie stellten fest, dass ihre Turbine in Zeiten von Spitzenwindböen konstant und effizient arbeitete – ein zufriedenstellendes Ergebnis.
„Die Rotorblätter sind so gefertigt, dass sie leicht und sehr flexibel sind, damit sie sich den Windlasten anpassen können. Auf diese Weise können wir die Kosten für die Flügel reduzieren und die Energiekosten senken“, so Mandar Phadnis, Hauptautor der neuen Studie, die in den Proceedings of the 2022 American Control Conference veröffentlicht wurde, und Doktorand in den Bereichen Elektrotechnik, Computertechnik und Energietechnik.
Diese innovative Arbeit könnte zu keinem besseren Zeitpunkt kommen. Der Klimawandel erfordert nicht nur einen raschen Ausbau kosteneffizienter und zuverlässiger erneuerbarer Energien, sondern die steigenden globalen Temperaturen führen wahrscheinlich auch zu einer Intensivierung der Hurrikane.
Die Hurrikanaktivität im Atlantik wird in diesem Jahr überdurchschnittlich hoch sein. Das Climate Prediction Center der NOAA rechnet mit bis zu sechs größeren Hurrikanen mit Windstärken von 111 mph oder mehr vom 1. Juni bis zum 30. November.
Das verborgene Gehirn einer Turbine
Eines der schwierigsten Elemente der Windenergieerzeugung ist der Umgang mit zu wenig oder zu viel Wind auf einmal. Wenn die Windgeschwindigkeit zu gering ist, kann eine Turbine keine brauchbare Energie erzeugen. Wenn die Böen zu schnell sind, können sie an die Grenzen der Kapazität einer Turbine stoßen, so dass diese abgeschaltet werden muss, um eine Überlastung des Systems zu vermeiden.
Die Unbeständigkeit der Windgeschwindigkeit hat die Windenergie seit ihren Anfängen geplagt; die verlorene Zeit, die für das Abschalten des Systems aufgewendet wird, führt zu weniger erzeugter Energie und einer weniger effizienten Produktion.
Der Schlüssel zu Paos innovativem Beitrag sind Verbesserungen an der Steuerung – dem Teil der Turbine, der festlegt, wann die Stromerzeugung mehr oder weniger aggressiv sein soll.
„Wir betrachten die Steuerung als das Gehirn des Systems“, sagt Pao, Hauptautor der Studie und Mitarbeiter am Renewable and Sustainable Energy Institute (RASEI).
Dieses versteckte Gehirn zielt darauf ab, effiziente Windenergie zu geringen Kosten und mit geringem Verschleiß zu erzeugen. Der Rückkopplungsregler tut dies, indem er die Leistung des Systems misst und dann anpasst, um die Leistung zu verbessern, so Pao.
Der Gierregler stellt sicher, dass die Turbine in die richtige Richtung ausgerichtet ist, der Blattverstellregler bestimmt die Richtung der Blätter (abhängig von den Windgeschwindigkeiten), und der Generator-Drehmomentregler entscheidet, wie viel Strom von der Turbine in das Netz eingespeist werden soll. Während er die physischen Komponenten der Turbine steuert, handelt es sich bei diesen Reglern im Wesentlichen um einen Softwarealgorithmus, der den Motoren sagt, was sie tun sollen.
Paos Gruppe dreht nicht nur die Turbine um, um Schäden durch starke Winde zu verringern, sondern arbeitet auch hinter den Kulissen an der Software, um die Fähigkeit des Systems zu maximieren, bei Windspitzen weiterzulaufen.
„Mit unserer Arbeit versuchen wir, die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Windspitzen vorherzusagen und dann zu versuchen, die Geschwindigkeitsspitzen abzumildern, indem wir handeln, bevor sie auftreten“, sagte Phadnis.
Der Flatirons Campus des NREL war der perfekte Ort, um dies in der Praxis zu testen, da er strategisch günstig gelegen ist, um die starken Winde zu empfangen, die über den Highway 93 auf den Tafelberg schießen, nachdem sie durch den Eldorado Canyon direkt nach Westen geleitet wurden.
Dort stellten die Forscher fest, dass selbst bei umfangreichen experimentellen Tests die Spitzengeschwindigkeiten des Generators unter dem Schwellenwert lagen, bei dem ihr Betriebsregler die Turbine am Laufen halten konnte.
Im Rahmen einer anderen Kooperation arbeiten Pao und ihre Forschungsgruppe mit der Universität Oldenburg in Deutschland zusammen, um den Nutzen von Sensoren zu bewerten, die vor der Turbine den einströmenden Wind messen, sowie von fortschrittlichen Steuerungen, die die Turbine proaktiv steuern.
Skalierung der Windenergie weltweit
Auch wenn Windkraftanlagen oder Zweiblatt-Turbinen wie die SUMR-D die Windenergiebranche vielleicht nicht dominieren werden, können die Forscher durch diese mehrjährigen Tests unter realen Bedingungen besser verstehen, was möglich sein könnte, so Pao.
Die von ihnen entwickelten Regelungsalgorithmen könnten auch auf herkömmliche dreiblättrige Aufwindturbinen anwendbar sein, die nach wie vor sowohl an Land als auch auf dem Meer dominieren.
„Der Vorteil der windabgewandten Konfiguration kommt jedoch erst zum Tragen, wenn man zu Turbinen extremer Größe gelangt, und die sind in erster Linie für den Offshore-Bereich gedacht“, so Pao.
Paos Gruppe befasst sich bereits mit diesen großen Höhen: Gemeinsam mit ihren Mitarbeitern haben sie 25-MW- und 50-MW-SUMR-Turbinen (Downwind-Turbinen) für den Offshore-Einsatz entworfen und modelliert (aber nicht experimentell getestet).
Letztendlich glaubt sie, dass eine Kombination aus verbesserten Reglern, leichteren und widerstandsfähigeren Materialien und strategischen Turbinenkonfigurationen es den riesigen Offshore-Turbinen ermöglichen könnte, die Konkurrenz auszustechen. Sie sind nicht nur kosteneffizienter und energieeffizienter, da sie eine einzige große Turbine anstelle vieler kleinerer ermöglichen (was die Installations- und Wartungskosten senken würde) und in der Lage sind, höhere Windgeschwindigkeiten in größerer Höhe einzufangen, sondern sie könnten auch den mit Sicherheit zu erwartenden schwereren Wetterbedingungen standhalten.
„Windturbinenblätter sind in der Regel für eine Lebensdauer von mindestens 20 Jahren ausgelegt, und wir wollen, dass unsere neuartigen Blätter eine ähnlich lange Lebensdauer erreichen“, sagte Pao.
Diese Studie wurde von der Advanced Research Projects Agency – Energy (ARPA-E) des US-Energieministeriums finanziert und in Zusammenarbeit mit dem National Renewable Energy Laboratory (NREL) durchgeführt.
Datum: Juni 15, 2022
Quelle: Universität von Colorado in Boulder
Story Source:
Materials provided by University of Colorado at Boulder. Original written by Kelsey Simpkins.