Diese Arbeit befasst sich, als ein Teil des Projektes AUTRES1001, welches die energieautarke Stromversorgung Österreichs aus 100% erneuerbaren Energiequellen zum Inhalt hat, mit der Abschätzung des Windenergiepotentials.
Ziel dieser Masterarbeit ist ein Tool zur Verfügung zu stellen, welches es ermöglicht eine Zeitserie für die Windgeschwindigkeiten eines beliebigen Punktes, auf einer beliebigen Höhe in Europa auszugeben, die anschließend im RES-HiMod2 des AUTRES100 Projektes verwendet werden kann. Weiters wird durch Anlegen einer Datenbank mit Leistungskennlinien der Windkraftturbinen der großen Hersteller möglich, eine Abschätzung des Stromerzeugungspotentials vorzunehmen.
Im Zuge der Arbeit werden die COSMO-EU Wettermodelldaten des Deutschen Wetter-dienstes der letzten 5 Jahre abgefragt und in einer Datenbank abgelegt. Durch den Vergleich mit Messdaten aus bodengebundenen Messanlagen wird dann deren Gültigkeit verifiziert.
Anschließend werden Zeitserien berechnet, die in weiterer Folge als Ausgangsbasis einer Abschätzung des Windenergiepotentials in verschiedenen Regionen Europas und somit der Abschätzung des Potentials für die Einspeisung in das europäische Stromnetz dienen.
Inhaltsverzeichnis
1 AUTRES 100
2 Windkraftanlagen
2.1 Funktionsweise eines Windrades
2.2 Widerstands- und Auftriebsprinzip
2.2.1 Widerstandsprinzip
2.2.2 Auftriebsprinzip
2.3 Aufbau einer Windkraftanlage am Beispiel eines Horizontalachsenkonverters
2.3.1 Rotor
2.3.2 Getriebe
2.3.3 Generator
2.3.4 Windrichtungsnachführung
2.3.5 Turm
2.3.6 Fundament
2.3.7 Netzanschluss
2.4 Energieumwandlung
2.5 Windparks
3 Das Wettervorhersagemodell des Deutschen Wetterdienstes
3.1 Vertikale und horizontale Struktur des COSMO - EU Modells
3.1.1 Horizontale Gitter
3.1.2 Vertikale Gitterstruktur
3.2 PAMORE Webdatenbank
3.3 COSMO-EU: Datenaufbereitung
4 Datenverifizierung – Windmessmast Karlsruhe
5 Analyse der Windgeschwindigkeiten in ausgewählten Regionen
5.1 Europa
5.2 Österreich
5.3 Wiener Becken
6 Abschätzung des Windenergiepotentials
6.1 Leistungskennlinien
6.2 Modellierung
6.3 Europa
6.4 Österreich
6.5 Standort Markgrafneusiedl – Wiener Becken
6.6 Standort Thorntonbank
6.7 Vergleich der beiden Regionen
6.8 Anwendungsbeispiel Deutschland
7 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Bereitstellung eines Werkzeugs zur Berechnung von Windgeschwindigkeits-Zeitserien für beliebige geografische Punkte und Höhen in Europa. Basierend auf diesen Daten sowie Leistungskennlinien verschiedener Windturbinen soll das Stromerzeugungspotenzial abgeschätzt werden, um einen Beitrag zur Planung einer energieautarken Stromversorgung zu leisten.
- Analyse und Nutzung von COSMO-EU Wettermodelldaten
- Entwicklung einer Datenbank für Leistungskennlinien von Windkraftanlagen
- Verifizierung der meteorologischen Daten mittels bodengebundener Messdaten
- Modellierung des Windenergiepotenzials in verschiedenen europäischen Regionen
- Anwendung des entwickelten Modells für strategische Energieanalysen
Auszug aus dem Buch
2.3.1 Rotor
„Das Herzstück einer Windkraftanlage ist der Rotor zur Wandlung der Windenergie in mechanische Rotationsenergie“ (siehe [5], S 52). Horizontalachsenkonverter können als Luv oder als Leeläufer ausgeführt werden, wobei der Unterschied in der Stellung der Rotorblätter zum Turm liegt. Vorherrschend in der Gruppe der Horizontalachsenkonverter sind Luvläufer, hier läuft der Rotor vor dem Turm in Windrichtung. Leeläufer weisen einen periodischen Gang des Rotorblattes vor dem Turm auf, was durch die verwirbelte Strömung im Turmnachlauf eine erhöhte Lärmentwicklung bedeutet. Aus diesem Grund haben sich die Luvläufer auf Grund der geringeren Lärmentwicklung beim Bau von Horizontalachsenkonvertern durchgesetzt (siehe [5], S 52).
Der Rotor besteht aus einem oder mehreren Rotorblättern und der Rotornabe. Die Rotorblätter dienen dazu, den Luftmassen Bewegungsenergie nach dem Auftriebsprinzip zu entziehen, wobei aktuell ein ca. 50%iger Wirkungsgrad erreicht werden kann. Rotoren werden für hohe Drehzahlen ausgelegt, wodurch hohe Getriebeübersetzungen vermieden werden können und schnelllaufende Generatoren (Drehzahl zwischen 1000 und 1500 U/min) eingesetzt werden können.
Zusammenfassung der Kapitel
1 AUTRES 100: Dieses Kapitel erläutert das Projekt AUTRES100, das eine zu 100% erneuerbare Stromversorgung Österreichs zum Ziel hat und die Rolle des europäischen Verbundnetzes als Ausgleichsmechanismus definiert.
2 Windkraftanlagen: Es werden die physikalischen Grundlagen der Windenergienutzung, die verschiedenen Anlagentypen sowie die technischen Hauptkomponenten einer Windkraftanlage detailliert beschrieben.
3 Das Wettervorhersagemodell des Deutschen Wetterdienstes: Dieser Abschnitt stellt das regionale Wettervorhersagemodell COSMO-EU vor, erklärt dessen räumliche Struktur und beschreibt die Datenquellen sowie die Aufbereitung der für die Analyse benötigten meteorologischen Zeitreihen.
4 Datenverifizierung – Windmessmast Karlsruhe: Hier erfolgt die Validierung der verwendeten COSMO-EU Daten durch den Vergleich mit realen Messdaten eines 200 Meter hohen Windmessmastes in Karlsruhe.
5 Analyse der Windgeschwindigkeiten in ausgewählten Regionen: Es werden die zeitlichen und räumlichen Entwicklungen der Windgeschwindigkeiten für Europa, Österreich und das Wiener Becken visualisiert und aufbereitet.
6 Abschätzung des Windenergiepotentials: Basierend auf Leistungskennlinien und den Winddaten wird das potenzielle Stromerzeugungspotenzial an verschiedenen Standorten modelliert und analysiert.
7 Zusammenfassung und Ausblick: Das abschließende Kapitel fasst die methodischen Schritte und Ergebnisse der Masterarbeit zusammen und diskutiert die Bedeutung für die zukünftige energiepolitische Planung.
Schlüsselwörter
Windenergie, COSMO-EU, Leistungskennlinie, Windkraftanlage, Energieautarkie, AUTRES100, Wettervorhersagemodell, Windgeschwindigkeit, Stromerzeugungspotenzial, Datenverifizierung, Erneuerbare Energien, Simulation, Europäisches Verbundnetz, Modellierung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Modellierung von Windenergiepotenzialen in Europa unter Verwendung meteorologischer Reanalysedaten des Deutschen Wetterdienstes, um als Werkzeug für das Projekt AUTRES100 zu dienen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen umfassen die physikalischen Grundlagen von Windkraftanlagen, die Nutzung von Wettermodelldaten (COSMO-EU), die technische Datenverarbeitung sowie die Standortanalyse zur Bestimmung von Energieerträgen.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Ziel ist es, ein Tool zu entwickeln, das für jeden beliebigen Punkt in Europa Windgeschwindigkeits-Zeitreihen berechnet und in Kombination mit Turbinenkennlinien eine Abschätzung des erzeugbaren Stroms ermöglicht.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine computergestützte Simulation durchgeführt, bei der Rohdaten des COSMO-Modells verarbeitet, interpoliert und mittels realer Messdaten verifiziert werden, um daraus Energieerträge von Windkraftanlagen abzuleiten.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil behandelt die technische Funktionsweise von Windrädern, die Struktur des Wettermodells, die Datenaufbereitung, die Verifizierung der Wetterdaten am Beispiel eines Testmastes sowie die Auswertung von Windpotenzialen für diverse Regionen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Windenergie, COSMO-EU, Leistungskennlinien, Energieautarkie, Simulation und Standortanalyse.
Warum wurde das COSMO-EU Modell als Basis gewählt?
COSMO-EU bietet eine hochauflösende räumliche und zeitliche Abdeckung von Gesamteuropa, was es ideal für die Modellierung lokaler Windverhältnisse und deren Einfluss auf ein kontinentales Stromnetz macht.
Welche Bedeutung hat das Anwendungsbeispiel Deutschland?
Es zeigt praxisnah, wie die entwickelten Tools genutzt werden können, um große Gebiete nach spezifischen Kriterien (wie Vollaststunden und Höhe) zu filtern, um eine strategische Roadmap für den Netzausbau zu unterstützen.
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- Alexander Kaiser (Autor), 2012, Europäisches Windenergiemodell. Outputmodellierung unter Verwendung von meteorologischen Reanalysen, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/283892
