211service.com
Betere computermodellen nodig voor megawindparken
Nu windenergie goedkoper wordt, stellen windparkontwikkelaars plannen op voor parken die een orde van grootte groter zijn dan wat er tegenwoordig is, sommige met meer dan 1.000 turbines. Maar er is één groot probleem: de rendabiliteit van windparken hangt af van nauwkeurige voorspellingen van het geleverde vermogen, en het is veel moeilijker om te modelleren hoe zulke grote windparken zich zullen gedragen.
Veranderende winden: Een simulatie toont de effecten van turbulente zog op benedenstroomse windturbines. De turbulentie beïnvloedt de lucht tot een kilometer boven de grond.
Op de schaal van enkele honderden tot meer dan duizend windturbines, kan het simuleren van de interacties tussen zoveel windturbines, in een reeks van verschillende weersomstandigheden, te complex zijn voor de huidige computermodellen. Het probleem kan ingrijpende gevolgen hebben voor de kosten van windenergie en het vermogen ervan om op te schalen om grote hoeveelheden fossiele brandstof te vervangen.
Ongeveer vijf jaar geleden zorgden slechte gegevensverzameling en ineffectieve computermodellen ervoor dat windontwikkelaars geneigd waren de energieproductie van hun parken met meer dan 10 procent te overschatten, genoeg om winst te vernietigen en in sommige gevallen te voorkomen dat ze leningen terugbetalen. Modellen zijn verbeterd, maar de sprong naar grotere windparken en de toenemende prevalentie van gewone windparken die dicht genoeg bij elkaar zijn gebouwd om met elkaar te interfereren, doet het probleem opnieuw rijzen.
Sommige onderzoekers en industrie-experts zeggen dat hoewel computermodellen goed zijn geworden in het schatten van de productie van typische windparken van tussen de 50 en 100 windturbines, ze problemen zullen krijgen op veel grotere schaal. Als je naar 1.000 windturbines zou gaan, zouden de instrumenten van de industrie het begeven, zegt Keith Longtin, algemeen manager productbeheer bij GE Power and Water.
Met miljarden dollars op het spel, nemen ontwikkelaars van de nieuwe, zeer grote windparken buitengewone maatregelen om te proberen het vermogen te voorspellen.
De bouw van een voorgesteld mega-windmolenpark met 1.000 turbines, het Chokecherry and Sierra Madre-project op de Overland Trail-ranch in Wyoming, zal naar verwachting volgend jaar beginnen.
De ontwikkelaars van het project hebben gedurende vijf jaar de windsnelheid, -richting, temperatuur en andere weersomstandigheden op de locatie gemeten (twee jaar is standaard). Ze hebben gegevens verzameld van 32 met sensoren bezaaide meteorologische torens die 60 tot 80 meter boven de glooiende, met saliestruiken bedekte heuvels van de ranch uitstijgen, samen met metingen van op geluid gebaseerde radar (sodar genaamd) die de wind kan scannen op hoogtes tot 200 meter, de hoogte van enkele windturbines.
De ontwikkelaars hebben ook supercomputers gebruikt om de gegevens door de nieuwste computermodellen te laten lopen, modellen die zijn ontwikkeld om rekening te houden met de manier waarop windturbines met elkaar omgaan - terwijl de wind er doorheen beweegt, creëren de turbines zog dat de prestaties van stroomafwaartse turbines kan verstoren. Ze kwamen tot de conclusie dat het windpark minimaal 8,76 miljard kilowattuur per jaar zou kunnen opwekken, of genoeg stroom voor 770.000 huishoudens.
Een probleem met de huidige modellen is dat ze de variabiliteit van de wind niet nauwkeurig weergeven, niet alleen op grondniveau, maar zelfs honderden meters boven het niveau van windturbines. Recent onderzoek suggereert dat modellen onder bepaalde weersomstandigheden zoogverliezen drastisch kunnen onderschatten, zegt Michael Drunsic, senior consultant bij DNV KEMA, dat ontwikkelaars helpt bij het inschatten van de productie van windenergie. De wakes dragen veel verder dan eerder werd ingeschat, zegt hij. Dit is geen groot probleem bij windparken die slechts één rij hebben, zoals die welke richels volgen. Maar bij grote windparken met meerdere rijen, kunnen de langere zog van invloed zijn op veel windturbines, waardoor hun output lager wordt.
Dit soort bevindingen kan van invloed zijn op hoe windturbines zijn opgesteld, vooral in grotere windparken met veel rijen turbines. Charles Meneveau, hoogleraar werktuigbouwkunde aan de Johns Hopkins University, heeft modellen ontwikkeld van de manier waarop zeer grote windparken de lucht tot een kilometer boven hen verstoren. Op basis van enkele van zijn simulaties heeft hij aangetoond dat turbines eigenlijk twee keer zo ver uit elkaar moeten worden geplaatst als normaal om het meeste uit de wind te halen. Maar hij zegt dat zijn huidige modellen de prestaties van zeer grote windparken nog steeds niet nauwkeurig kunnen voorspellen - ze kijken alleen naar de prestaties bij gemiddelde windsnelheden, en de prestaties van windturbines kunnen sterk variëren, afhankelijk van verschillen in windomstandigheden, zegt hij.
Maar hoewel nieuwe computermodellen uitdagingen voor grote windparken identificeren, brengen ze ook goed nieuws, zegt Meneveau. Hij heeft bijvoorbeeld laten zien dat turbulentie, hoewel het een probleem kan zijn, ook essentieel is voor grote windparken. Zonder turbulentie zouden de eerste rijen van een windpark in wezen de wind blokkeren, waardoor het aantal rijen dat kan worden geïnstalleerd, wordt beperkt. Hij toonde aan dat turbulentie de wind van boven het windpark naar beneden trekt. Hierdoor kan de laatste rij in een windpark, hoewel deze iets minder energie krijgt dan de eerste rij, toch elektriciteit opwekken, zolang de windturbines maar op de juiste afstand staan. Het slechte nieuws is dat mensen bij grote windparken niet goed wisten hoe ze met turbulentie om moesten gaan, zegt hij. Het goede nieuws is dat je de boerderij zo groot kunt maken als je wilt, omdat je lucht van bovenaf naar beneden kunt zuigen.
Meneveau zegt dat de modellen ook kunnen worden gebruikt om het ontwerp en de werking van windturbines te optimaliseren. Degenen op de eerste rij kunnen bijvoorbeeld worden geprogrammeerd om hun bladen te oriënteren om meer wind door te laten, waardoor de prestaties van turbines in volgende rijen worden verbeterd en zo de output van het hele windpark wordt verhoogd. Aanverwant onderzoek wordt uitgevoerd in het National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado (zie Nieuwe ontwerpen brengen windenergie naar een hoger niveau en zullen verticale turbines meer van de wind maken?).
Verbeterde computermodellen zullen cruciaal zijn om de kosten van windenergie te verlagen, zegt Drunsic. Hoe nauwkeuriger de modellen en hoe zekerder een ontwikkelaar kan zijn, hoe lager de financieringskosten, zegt hij.