Forschungsprojekt WINSENT (Wind Science and Engineering in Complex Terrain)

Beim Projekt WINSENT handelt es sich um ein Verbundprojekt, an dem die Universität Tübingen, das Karlsruher Institut für Technologie, die Technische Universität München, das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg und die Hochschule Esslingen beteiligt sind. Es wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unter dem Förderkennzeichen 0324129A-F und vom Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft des Landes Baden-Württemberg gefördert. Ziel des Vorhabens ist die Realisierung und Charakterisierung einer süddeutschen Forschungsplattform für Windenergie im bergig-komplexen Gelände.

Das Testgelände befindet sich in der Nähe von Donzdorf in unmittelbarer Nähe des Albtraufs (Abbildung 2). Die Umgebung ist charakterisiert durch sehr unterschiedliche Landschaftsnutzungen, wie Bebauungen, Wald und landwirtschaftliche Nutzung (Abbildung 3). Innerhalb des Projektes werden zwei Forschungswindenergieanlagen mit einer Nabenhöhe von 75 m und einem Rotordurchmesser von 50 Metern bei einer Leistung von 750 kW installiert. Neben der Errichtung des Testfelds wird eine Methode zur räumlich und zeitlich hochaufgelösten, dreidimensionalen Simulation der Windverhältnisse an Standorten für Windkraftanlagen im komplexen Gelände entwickelt. Dazu wird eine durchgängige, gekoppelte Modellkette mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung aufgebaut, die zusammen mit detaillierten Messungen die genaue Charakterisierung der Strömungsfelder auf dem Testgelände ermöglichen wird. Einen Überblick über die Elemente der Modellkette ist in Abbildung 4 dargestellt.

Im Einzelnen werden von der Hochschule Esslingen die folgenden wissenschaftlichen Arbeitsziele verfolgt:

  • Physikalische Modellierung meso- und mikroskaliger klimatischer Phänomene mit den folgenden Arbeitsschwerpunkten:
    • Abbildung der Oberflächenrauigkeit
    • Turbulenzmodellierung
    • Modellierung des Strahlungswärmeaustauschs
    • Berücksichtigung der Luftfeuchtigkeit im Modell
    • Modellierung der Wellenbildung durch Ablenkung der Strömung an Hindernissen im komplexen Gelände
    • Verifizierung und Validierung der Modelle
  • Verknüpfung der Modelle zur Beschreibung der meso- und mikroskaligen klimatischen Phänomene auf Standortebene mit den Wettermodellen, welche groß- und mesoskalige klimatische Phänomene beschreiben, sowie den mikroskaligen Modellen, welche die Anströmung der Forschungs-Windenergieanlage beschreiben, zu einem gekoppelten Modellsystem
  • mikroklimatischen Charakterisierung des Windenergie-Forschungsstandorts

FINANZIERUNG

WINSENT wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie und Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft gefördet.

  • Projektnummer: 0324129A-F
  • Projekt Laufzeit  12.2016 – 05.2020

   

Forschungsprojekt Pragmatische Windmodellierung

Der Ausbau der Windenergie als erneuerbare, klimafreundliche Energiequelle schreitet rund um den Globus voran. Zunehmend werden auch hügelige und bergige sowie bewaldete Gebiete erschlossen, in denen es aufgrund der Geländestruktur und Landschaftsnutzung zu unregelmäßigen Windströmungen und Turbulenz kommt. Die Suche nach geeigneten Standorten für Windkraftanlagen in diesen Gebieten erfordert die Entwicklung innovativer Simulationsmethoden zur detaillierten Beschreibung dieser meso- und mikroskalischen Strömungsphänomene in der atmosphärischen Grenzschicht und für die Prognose der Erträge. Es gibt viele Modelle, die dafür zur Verfügung stehen; einige sind als Dienste verfügbar, andere sind als Forschungswerkzeuge gedacht. Sie können verschiedene physikalische Prozesse auflösen und mit unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Auflösungen laufen. Jede Entscheidung über den Aufbau und die Auflösung des Modells, die getroffen wird, beeinflusst die Kosten für den Betrieb dieses Modells – und die Genauigkeit der Ausgabe.

Also, welche Modelle sind die besten? Wie können wir das Kosten-Nutzen-Verhältnis einer Reihe von Modellen beurteilen? Und welche Faktoren beeinflussen die Ergebnisse?

Diese Fragen bilden den Kern der Forschung in zwei aufeinander abgestimmten deutschen und schweizerischen Forschungsprojekten. Die Projektpartner werden Simulationen mit mehreren verschiedene Modellen durchführen und die Genauigkeit anhand von Daten vom Windtestfeld (Abbildung 1) und mehreren anderen Standorten in Deutschland und der Schweiz bewerten.

Die Ergebnisse werden für die Jahre 2019 und 2020 erwartet.

Finanzierung

Die Hochschule Esslingen  wird vom Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) gefördert:

  • Projektnummer 34933/01
  • Projekt Laufzeit 06.03.2019 – 06.09.2020

Rechnerinfrastruktur

Die Simulation von Standorten für Windkraftanlagen stellen höchste Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Rechnerinfrastruktur. Zum Einsatz kommen Hochleistungsrechner, welche mit Hilfe des verteilten Rechnens auf einer Vielzahl von CPUs für praktische Anwendungen vertretbare Antwortzeiten ermöglichen. Durch die Einbindung der Hochschule in den Rechnerverbund bwHPC und durch das hochschuleigene Rechencluster wird eine sehr gute Grundausstattung bereitgestellt.

Für mehr Informationen: Klick mich

Veröffentlichungen

[1] Knaus, H.; A. Rautenberg; J. Bange: Model comparison of two different nonhydrostatic formulations for the NavierStokes equations simulating wind flow in complex terrain. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics  2017, 169, pp. 290-3.

[2]  Knaus, H.; Hofsäß, M.; Rautenberg, A.; Bange, J. Application of Different Turbulence Models Simulating Wind Flow in Complex Terrain: A Case Study for the WindForS Test Site. Computation 20186, 43.

[3] El Bahlouli, A.; Rautenberg, A.; Schön, M.; zum Berge, K.; Bange, J.; Knaus, H. Comparison of CFD Simulation to UAS Measurements for Wind Flows in Complex Terrain: Application to the WINSENT Test Site. Energies 201912, 1992.

Ansprechpartner

Hermann Knaus

Prof. Dr.-Ing. Hermann Knaus

Anschrift :

Campus Esslingen Stadtmitte
Raum: S 05.203
Kanalstraße 33
73728 Esslingen

Tel:
Mobil:

+49 711 397-3418
+49 049 151 40 177 885

Mitarbeiter

Dipl.-Ing. Asmae El Bahlouli

Anschrift :

Campus Esslingen Stadtmitte
Raum: S 18.007
Kanalstraße 33
73728 Esslingen

Tel:

+49 711 397-3484

Andreas Rumpf, B.Sc., M.Sc.

Anschrift :

Campus Esslingen Stadtmitte
Raum: S 18.005
Kanalstraße 33
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+49 711 397-3476

Hossein Torkashvand, B.Sc., M.Sc.

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Campus Esslingen Stadtmitte
Kanalstraße 33
73728 Esslingen

Tel:

+49 711 397-3644

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