Windenergieanlagen effizienter gestalten

25.09.2017 // Eine grundlegende Überarbeitung der gegenwärtig eingesetzten Steuerungs- und Regelungsarchitektur von Windenergieanlagen: Das ist der Ansatz des Forschungsprojektes „eco4wind“, bei dem der Engineering- Dienstleister IAV als Konsortialführer mit der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, der Ruhr-Universität Bochum und der Senvion GmbH zusammenarbeitet. Ziele sind eine höhere Energieeffizienz der Windenergieanlagen, eine zuverlässigere Energieversorgung und die Erschließung neuer Aufstellungsstandorte.

Seit rund 20 Jahren hat sich an der Architektur der Steuerung und Regelung von Windenergieanlagen (WEA) verhältnismäßig wenig geändert. „Das führt dazu, dass die Potenziale der neuen, leistungsfähigen Anlagen nicht optimal genutzt werden können“, erklärt Dr. Axel Schild, der bei IAV die Aktivitäten rund um eco4wind leitet. „Die Projektpartner wollen die neuesten Forschungsergebnisse aus mehreren Spezialgebieten der Regelungs- und Automatisierungstechnik nutzen, um die Betriebsführung von Windenergieanlagen auf den aktuellen Stand der Technik zu bringen.“

Kern des Ansatzes von eco4wind ist eine innovative Echtzeitbetriebsführung auf Basis nichtlinearer modellprädiktiver Regelung, die eine vollkommen neue und intelligente Art der Planung und Steuerung der Betriebsdynamik ermöglichen wird. „Das kommt einer technischen Revolution gleich, weil sich mit der Echtzeitbetriebsführung die konventionelle Regelung von Drehzahl und Leistung sowie von Turm- und Triebstrangdämpfung ablösen lässt“, so Professor Dr.-Ing. Rolf Findeisen, Projektleiter vom Lehrstuhl für Systemtheorie und Regelungstechnik der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. „Das führt dazu, dass Betreiber ihre bestehenden Anlagen in Zukunft deutlich wirtschaftlicher nutzen können.“

Durch den gesteigerten Energieertrag bei gleichzeitig niedrigeren Materialkosten werden die Stromgestehungskosten um mindestens zwei Prozent sinken. Zudem nimmt die Zuverlässigkeit der Energieversorgung aus WEAs zu: Der Bedarf an Regelenergie sinkt bzw. WEAs werden sogar in der Lage sein, selbst Regelenergie zu liefern. „Hinzu kommt, dass sich dank der Ergebnisse von eco4wind künftig neue Standorte für WEAs erschließen lassen – etwa durch bisher nicht realisierbare Anlagenkonzepte“, sagt Dr.-Ing. Jens Geisler, Senior Expert Regelungstechnik bei der Senvion GmbH.

Das Projekt eco4wind ist in sieben Arbeitspakete unterteilt, in die die fünf Partner aus Industrie und Forschung jeweils ihre spezifischen Erfahrungen und Kenntnisse einbringen. „Neben neuen methodischen Grundlagen und der Erweiterung der bestehenden Theorie geht es dabei auch um innovative Steuerungskonzepte und echtzeitfähige Algorithmen“, berichtet Prof. Dr.-Ing. Martin Mönnigmann, Projektleiter am Lehrstuhl für Regelungstechnik und Systemtheorie der Ruhr-Universität Bochum. „Anschließend werden die neuen Komponenten in eine reale Plattform integriert und in Simulationen und Feldtests untersucht.“

Im Lauf des Projektes wollen die Partner drei zentrale Ergebnisse erarbeiten: eine vollständig ausgestaltete und als Prototyp umgesetzte Infrastruktur für die Automatisierung von WEAs (Hard- und Software); eine vollständig ausgestaltete und als Prototyp umgesetzte Entwicklungsumgebung, mit der Endkunden die neue Echtzeit-Betriebsführung ihrer WEAs
umsetzen können; und Erprobungsdaten, die von einer mit den neuen Methoden betriebenen WEA stammen.

Mit eco4wind wollen die Projektpartner die internationale Wettbewerbsfähigkeit deutscher Unternehmen stärken und die führende Rolle deutscher Forschungseinrichtungen in diesem Bereich festigen. „Wir gehen davon aus, dass die Ergebnisse des Projektes die Energiewende in Deutschland erleichtern und beschleunigen werden“, so Prof. Dr. Moritz Diehl, Projektleiter am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, wo er das Fach Systemtheorie, Regelungstechnik und Optimierung vertritt. „Davon wird die gesamte Branche der erneuerbaren Energien profitieren – also auch die vielen Unternehmen, die nicht Partner des Konsortiums sind.“

Das Projekt eco4wind startete im Januar 2017 und endet im Dezember 2019. Es wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie mit insgesamt rund drei Millionen Euro gefördert.