Fraunhofer Institute for Wind Energy Systems IWES, wraz z partnerami projektu RWE, ForWind (Uniwersytet w Oldenburgu – Instytut Fizyki) i Helmholtz-Zentrum Hereon, bada, jak zoptymalizować całkowitą wydajność energetyczną morskich farm wiatrowych w ramach projektu badawczego “C²-Wakes – Controlled Cluster Wakes”. Projekt ma na celu wykorzystanie szeroko zakrojonej kampanii pomiarowej morskiej energii wiatrowej i metod modelowania w celu określenia, czy i w jaki sposób można w przyszłości ograniczyć “efekty wake” na dużą skalę i “global blockage effect”. Inicjatywa ta wniesie znaczący wkład w łagodzenie zmian klimatycznych i zapewni niezawodne i opłacalne dostawy energii. Do tej pory przeprowadzono niewiele badań na ten temat na całym świecie. Projekt jest finansowany przez niemieckie Federalne Ministerstwo Gospodarki i Ochrony Klimatu (BMWK) kwotą około 2,86 mln euro.

Wymagana przestrzennie wydajna ekspansja energii wiatrowej

Do 2030 r. co najmniej 80% energii elektrycznej ma być wytwarzane z odnawialnych źródeł energii. Morska energetyka wiatrowa odgrywa kluczową rolę w tym przedsięwzięciu, co znajduje odzwierciedlenie w zwiększonych planach ekspansji i związanych z nimi wolumenach przetargów. Niemiecki rząd planuje zwiększyć moc morskiej energetyki wiatrowej do co najmniej 30 gigawatów (GW) do 2030 roku i co najmniej 70 GW do 2045 roku. Wzrost ten jest regulowany i promowany przez niemiecką ustawę o morskiej energetyce wiatrowej (WindSeeG). Planowanie strategiczne, określone w planie zagospodarowania przestrzennego, ma kluczowe znaczenie dla projektowania, instalacji i eksploatacji farm wiatrowych. Ze względu na ograniczone obszary dostępne dla rozwoju morskich farm wiatrowych w Zatoce Niemieckiej, efektywne wykorzystanie tej przestrzeni jest wymagane, aby zmaksymalizować korzyści płynące z morskiej energetyki wiatrowej. Dlatego morskie farmy wiatrowe są często instalowane w grupach zwanych klastrami. Precyzyjne określenie potencjału wiatru pomaga zoptymalizować uzysk energii z tych obszarów. W ramach projektu badawczego Controlled Cluster Wakes, w skrócie “C²-Wakes”, naukowcy badają, w jaki sposób można ulepszyć i zwiększyć wydajność planowania i eksploatacji dużych morskich farm wiatrowych i klastrów farm wiatrowych.

Ulepszone metody optymalizacji wydajności farm wiatrowych

Turbiny w dużych skupiskach farm wiatrowych mogą wpływać na siebie nawzajem, a za turbinami powstają fale o niższych prędkościach wiatru i wyższych turbulencjach. Ulepszone modelowanie i pomiary fal morskich pozwalają na zoptymalizowany wybór lokalizacji i planowanie zasobów dla przyszłych morskich farm wiatrowych. Naukowcy planują zbadać, w jaki sposób fale z różnych farm wiatrowych nakładają się na siebie i jak zarządzanie operacyjne zoptymalizowane pod kątem falowania może wpływać na te efekty w dużych morskich farmach wiatrowych zarówno na falach wewnętrznych, jak i na dużą skalę. Wymaga to szeroko zakrojonych pomiarów i zweryfikowanych modeli. W tym celu zespół projektowy zbiera dane za pomocą kompleksowej kampanii pomiarowej lidaru skanującego na morskiej farmie wiatrowej RWE Amrumbank West w pobliżu niemieckiej wyspy Helgoland. Urządzenia zainstalowane na gondolach turbin wiatrowych mierzą pola przepływu za turbinami wiatrowymi. Korzystając z uzyskanych danych, naukowcy mogą analizować, w jaki sposób prędkości wiatru ewoluują w obrębie farmy wiatrowej i jak zmieniają się wewnętrzne i wielkoskalowe efekty wzbudzenia za farmą wiatrową, jeśli strategia sterowania zostanie dostosowana, na przykład poprzez testowanie sterowania wzbudzeniem.

“W projekcie C²-Wakes możemy czerpać z naszych ustaleń z wcześniejszego projektu badawczego X-Wakes, w którym uzyskaliśmy fundamentalne zrozumienie interakcji między efektami wzbudzenia dalekiego zasięgu, globalnym efektem blokady i wybrzeżami w Zatoce Niemieckiej. Odkrycia te pomagają nam zbadać, czy i w jaki sposób można wpływać na efekty farm wiatrowych na dużą skalę. Łączymy m.in. założenia dotyczące przyszłych technologii turbin wiatrowych, projektów farm wiatrowych i aktywnego sterowania wiatrem”, wyjaśnia dr Martin Dörenkämper, koordynator projektu Fraunhofer IWES.

W ramach projektu naukowcy z Uniwersytetu w Oldenburgu, ForWind, opracowują i oceniają metody symulacji o wysokiej rozdzielczości oraz scenariusze pomiarów lidarowych. Zespół z Helmholtz-Zentrum Hereon analizuje dane satelitarne i dalej rozwija metody rekonstrukcji pola wiatrowego, co z kolei powinno dostarczyć odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób różne technologie turbin wiatrowych, struktury farm wiatrowych i układy farm wiatrowych wpływają na “efekt wake”. Analizie poddane zostaną również morskie farmy wiatrowe u wybrzeży Wielkiej Brytanii.

Thomas Michel, dyrektor operacyjny RWE Offshore Wind, powiedział: “Kontynuujemy ekspansję morskiej energetyki wiatrowej na całym świecie. Jednocześnie zamierzamy przyspieszyć rozwój i demonstrację innowacyjnych rozwiązań. Dzięki wynikom badań projektu C²-Wakes mamy szansę uczynić morską energetykę wiatrową jeszcze bardziej opłacalną i wydajną”.

Kampania pomiarów lidarowych na morzu rozpoczęła się na początku kwietnia od instalacji trzech urządzeń i ma trwać co najmniej sześć miesięcy. Pozyskane dane zostaną wykorzystane w ramach projektu do walidacji ulepszonych modeli. Projekt badawczy został uruchomiony w maju 2023 r. i będzie realizowany przez trzy lata. Oprócz publikacji naukowych, wyniki zostaną również udostępnione przemysłowi i organom planowania w formie zaleceń dotyczących działań i dalej rozwijanych narzędzi oprogramowania typu open source, takich jak oprogramowanie do planowania farm wiatrowych FOXES.

Źródło: The Fraunhofer Institute for Wind Energy Systems IWES