vgbe energy journal 10 (2022) - International Journal for Generation and Storage of Electricity and Heat

News fromScience & Research
Neue Windfeldmodelle bilden
Böen korrekt ab
• Oldenburger Forschende erzielen wichtigen
Fortschritt dabei, Schwankungen des
Windes korrekt zu modellieren.
(hs-o) Mit einem neuen statistischen Modell
ist es Forschenden der Universität Oldenburg
gelungen, turbulente Schwankungen
des Windes deutlich realistischer abzubilden,
als es bisher möglich war. Zudem entwickelte
das Team vom Institut für Physik
und vom Zentrum für Windenergieforschung
ForWind um Dr. Jan Friedrich eine
Methode, um aus Daten weniger Messpunkte
mit dem Modell vollständige, realitätsnahe
Windfelder zu berechnen. Wie sie in der
Zeitschrift PRX Energy der American Physical
Society berichten, eignet sich die Methode
nicht nur für Anwendungen im Bereich
der Windenergie, sondern könnte auch bei
der Berechnung von Aerosolkonzentrationen
oder Schadstoffverteilungen in turbulenten
Luftströmungen hilfreich sein.
Für Herstellerfirmen von Windkraftanlagen
ist es wichtig, die Windverhältnisse am
Rotorblatt möglichst genau beschreiben zu
können, um etwa die Belastung von Bauteilen
abzuschätzen. Auch Betreiberunternehmen
von Windparks müssen schon während
der Planung wissen, welche Windverhältnisse
zu erwarten sind, etwa um die elektrische
Leistung oder die Lärmentwicklung prognostizieren
zu können. Zu diesem Zweck
verwendet die Windindustrie mathematische
Modelle, die Schwankungen der Windgeschwindigkeit
anhand statistischer Gesetzmäßigkeiten
beschreiben. Diese sogenannten
Windfeldmodelle haben allerdings
ein großes Manko, sagt Friedrich: „In diesen
Modellen fehlen die Böen. Der Wind weht
darin wesentlich gleichmäßiger als in der
Realität.“
Dass extreme Schwankungen der Windgeschwindigkeit
in der natürlichen Umwelt
deutlich häufiger auftreten als in den üblicherweise
verwendeten Modellen, wies ein
Team um den Oldenburger Physiker Prof.
Dr. Joachim Peinke bereits 2012 nach. „Ein
Ereignis, das der üblicherweise angewandten
Gauß-Statistik zufolge alle 1250 Jahre
stattfinden sollte, ereignet sich in der Realität
einmal pro Stunde“, erläutert Peinke, der
auch an der aktuellen Studie beteiligt war.
Anders ausgedrückt: Ereignisse, die eigentlich
so unwahrscheinlich sein sollten wie ein
Sechser im Lotto – etwa Windböen, die einen
Baum entwurzeln – sind in Wirklichkeit
gar nicht selten. Bislang lässt sich dieses
Problem nur behelfsmäßig lösen: In Anwendungen
werden den Windmodellen künstlich
Böen hinzugefügt – was die Wirklichkeit
jedoch nur unzureichend nachbildet und
zudem viel Rechenzeit beansprucht.
Friedrich und seinen Oldenburger Kolleginnen
und Kollegen gelang es nun mit ihrem
neuen Modell, dreidimensionale, realitätsnahe
Windfelder inklusive Turbulenzen
mit relativ geringem Rechenaufwand anzufertigen.
Die entscheidende Leistung ihrer
Arbeit bestand darin, für jeden Raumpunkt
mehrere leicht voneinander abweichende
klassische Gauß-Statistiken nach dem Zufallsprinzip
zu überlagern. Die statistischen
Eigenschaften des daraus berechneten
Windfeldes – als superstatistisches Zufallsfeld
bezeichnet – kann das Team nach
Wunsch so einstellen, dass die Stärke und
Häufigkeit von Turbulenzen am jeweiligen
Standort der Wirklichkeit entsprechen.
In der Studie beschreibt das Team außerdem,
wie sich ihr Modell nutzen lässt, um
aus den Daten weniger Messpunkte ein vollständiges,
wirklichkeitsnahes Windfeld zu
errechnen. „Wir können den Raum zwischen
gitterartig angeordneten Messpunkten
sozusagen auffüllen“, erläutert Friedrich.
Diese neue Möglichkeit sei ebenfalls
für Anwendungen in der Windindustrie interessant,
erlaube es aber auch, wichtige
Forschungsfragen mit neuen Ansätzen anzugehen.
Die verwendete Methode, um vollständige
Felder physikalischer Messgrößen aus einer
begrenzten Menge von Daten zu rekonstruieren,
ist nach Angaben des Teams breit anwendbar.
So könnte sie sich beispielsweise
nutzen lassen, um die Konzentration von
Schadstoffen oder die Temperaturverteilung
in einer städtischen Umgebung aus
Daten weniger Messpunkte hochaufgelöst
zu modellieren.
Die Arbeit wurde teilweise durch das Bundesministerium
für Wirtschaft und Klimaschutz
im Rahmen der Vorhaben EMUwind
(03EE2031A) und PASTA (03EE2024B) gefördert.
Dr. Jan Friedrich ist Feodor-Lynen-Stipendiat
der Alexander von Humboldt
Stiftung.
LL
http://uol.de/twist
http://forwind.de (223321909)
Effizientere Brennstoffzellen
durch metallisches Papier
(fh-ft) Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik
und Angewandte Materialforschung
IFAM in Dresden entwickelt in einem
neuen Projekt ein innovatives Gas Diffusion
Layer (GDL) für mobile Brennstoffzellen,
das komplett aus Metall besteht. Gemeinsam
mit den Part-nern der Papierfabrik Louisenthal
GmbH, der balticFuelCells GmbH,
der FHR Anlagebau GmbH, der Papiertechnischen
Stiftung PTS sowie dem Deutschen
Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. sollen
Verbesserungen sowohl in den Einsatz-
Aus den Daten von 16 Anemometern (angedeutet als graue Punkte) rekonstruierte das Team
ein dreidimensionales Windfeld. Hier ist ein Schnitt zu sehen. Blaue Farbtöne repräsentieren
niedrige Windgeschwindigkeiten, rote höhere Geschwindigkeiten.
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