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Die Besten F&E-Erfolge Im Jahr 2020 Im Bereich Windenergie
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Anonim

Glückliches neues Jahr

Das Wind Energy Technologies Office (WETO) des US-Energieministeriums (DOE) ist weltweit führend in der grundlegenden Forschung, Entwicklung und Validierung der Windenergiewissenschaften, die kostengünstige Windenergie ermöglichen. Das Büro verfolgt Chancen in allen US-Windsektoren – landbasierte Windkraftanlagen im Kraftwerksmaßstab, Offshore-Windkraft, dezentrale Windkraftanlagen – und befasst sich mit Marktbarrieren und Systemintegration. Zu Beginn des Jahres 2021 möchten wir Ihnen einige der bemerkenswertesten Forschungs- und Entwicklungsleistungen im Bereich Windenergie aus dem Jahr 2020 vorstellen.

Offshore-Wind

  • Landbasierte Wind- und Querschnittswindtechnologie
  • Verteilter Wind
  • Netzintegration
  • Umweltforschung, Standortwahl und Personalentwicklung
  • Offshore-Wind

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    Eine Illustration von Offshore-Windkraftanlagen im Ozean. Die Aufregung ist groß für eine US-amerikanische Offshore-Windindustrie, die eine Vielzahl von Offshore-Windkonzepten einsetzen könnte, um reichlich Windressourcen an den Küsten des Landes zu erschließen. Illustration von Joshua Buaer, NREL

    Neuengland Aqua Ventus Demonstrationsprojekt

    Das von der WETO unterstützte Offshore-Wind-Demonstrationsprojekt, das für den Einsatz vor der Küste von Maine vorgeschlagen wurde, erreichte einen wichtigen Meilenstein, als die öffentliche Versorgungskommission des Staates die Genehmigung erteilte und Maine Aqua Ventus I und die Central Maine Power Company den 20-jährigen Stromabnahmevertrag (PPA) des Projekts unterzeichneten. Der Abschluss eines Stromabnahmevertrags ermöglicht es dem Demonstrationsprojekt, seinen Strom an den Energieversorger Central Maine Power zu verkaufen, und half dem Projekt, Finanzinvestoren anzuziehen. Am 5. August 2020 haben sich Diamond Offshore Wind und RWE Renewables New England Aqua Ventus angeschlossen, um die Entwicklung, den Bau und den Betrieb des Projekts zu leiten. Diamond Offshore Wind ist eine Tochtergesellschaft der Mitsubishi Corporation und RWE Renewables ist der zweitgrößte Eigentümer von Offshore-Windanlagen weltweit. Beide Unternehmen bringen globales Know-how in der Entwicklung und Konstruktion von Offshore-Windprojekten mit und unterstützen die Demonstration des schwimmenden Betonfundaments des Projekts.

    Bereitstellung der Lidar-Boje

    Im September 2020 nutzte WETO Finanzmittel des Bureau of Ocean Energy Management (BOEM), um zwei Offshore-Windforschungsbojen vor der kalifornischen Küste in 2.000 bis 3.000 Fuß tiefem Wasser zu installieren. Dies ist das erste Mal, dass die Bojen meteorologische und ozeanographische Messungen vor der Westküste sammeln. Die Bojen werden ein Jahr lang Daten sammeln, um die BOEM-Entscheidungen über eine potenzielle Verpachtung von Windenergiestandorten vor der kalifornischen Küste zu unterstützen und dem Staat eine neue erneuerbare Energiequelle bereitzustellen. Die Bereitstellung folgt einem Upgrade in Höhe von 1,3 Millionen US-Dollar, um leistungsfähigere Lidars zu installieren und das zugehörige Datenmanagementsystem als Open Source zu öffnen, um den Zugang für die gesamte Windforschungsgemeinschaft zu erleichtern.

    Nationales Konsortium für Offshore-Wind-Forschung und -Entwicklung

    Das National Offshore Wind R&D Consortium wurde vom DOE und der New York State Energy Research and Development Authority mit Investitionen von jeweils 20,5 Millionen US-Dollar gegründet, um hochwirksame Forschungsprojekte zu finanzieren, die die Kosten von US-Offshore-Windkraft senken und die Entwicklung der Lieferkette unterstützen. Staatliche Behörden in Maryland, Virginia und Massachusetts haben das Konsortium seitdem mit Mitteln unterstützt, was zu einer Gesamtinvestition von rund 46 Millionen US-Dollar führte. Die erste Ausschreibung des Konsortiums führte zu 20 Auszeichnungen in Höhe von insgesamt 17,3 Millionen US-Dollar und im Jahr 2020 kündigte es seine zweite Ausschreibung (RFP) für branchenpriorisierte Offshore-Wind-F&E-Themen an.

    15-MW-Referenzturbine

    Anfang 2020 entwickelte das National Renewable Energy Laboratory (NREL) des DOE durch eine von WETO finanzierte internationale Zusammenarbeit eine 15-Megawatt (MW) Offshore-Wind-Referenzturbine – ein Open-Access-Design eines kompletten Windturbinensystems, das Forscher zur Bewertung verwenden die Leistung und die Kosten der vorgeschlagenen Systemänderungen. Die Referenzturbine ist weit verbreitet und beherbergt mehrere Softwaretools und verfügt über separate Module für Windturbinen mit festem Boden in Flachwasser und schwimmende Tiefwasser-Windturbinen.

    Landbasierte Wind- und Querschnittswindtechnologie

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    Landgestützte Windkraftanlagen gegen einen bewölkten Himmel. Die landgestützte Windentwicklung im Versorgermaßstab nimmt in den Vereinigten Staaten weiterhin rasch zu. Foto von Dennis Schroeder, NREL

    Hocheffiziente, leichte Windturbinengeneratoren

    WETO unterstützte drei Projekte, um drei Projekte zur Entwicklung von Antriebsstrangtechnologien für Windturbinen der nächsten Generation zu finanzieren, die das weitere Wachstum von Windturbinen erleichtern werden. Leichte Generatoren sind wichtig, da die Größe und das Gewicht des Generators das Gewicht und die Kosten des Turms und der Fundamente der Windkraftanlage sowie die spezielle Ausrüstung beeinflussen, die für den Transport und die Installation der großen Komponenten erforderlich ist. General Electric (GE) Research hat einen Prototyp eines hocheffizienten ultraleichten supraleitenden Niedertemperaturgenerators entwickelt, der Investitionen aus der Magnetresonanztomographie (MRT)-Industrie nutzt, den Bedarf an Fremdmaterialien für seltene Erden überflüssig macht und die Generatormasse im Vergleich zu aktuellen Technologien. WEG Energy Corporation hat einen hocheffizienten, leichtgewichtigen Permanentmagnet-Direktantriebsgenerator entwickelt, der in seine bestehende Plattform integriert werden kann. Die American Superconductor Corporation hat einen hocheffizienten leichten Windturbinengenerator entwickelt, der hochtemperatursupraleitende Materialien enthält, um Permanentmagnete im Generatorrotor zu ersetzen.

    Kohlefaserverbundwerkstoffe für Blätter

    Die Sandia National Laboratories von DOE, das Oak Ridge National Laboratory und die Montana State University demonstrierten die kommerzielle Realisierbarkeit eines neuartigen, kostengünstigen Kohlefaser-Verbundmaterials für den Einsatz in Windturbinenblättern. Die Analyse ergab wirtschaftliche Machbarkeit und Vorteile auf Systemebene für die Verwendung von Kohlefaserverbundwerkstoffen, um die Gesamtkosten der Windenergie zu senken und lange, schlanke Windturbinenblätter herzustellen. Das Projekt ergab eine Reduzierung der Blattmasse um 25 % bei Verwendung von Kohlefaser-Hornkappen im Vergleich zu Fiberglas. Während Windhersteller die Verwendung von Kohlefasern aufgrund ihrer höheren Kosten in der Vergangenheit vermieden haben, kostet das neue textilbasierte Kohlefasermaterial, das in dieser Studie für Holmkappen verwendet wird, 40 % weniger als kommerzielle Kohlefasern – was möglicherweise eine breitere Akzeptanz von Kohlefasermaterialien in Winden ermöglicht Turbinenschaufeldesign mit dem Potenzial, die Systemkosten zu senken.

    Patentiertes Klingendesign

    Mit Mitteln von WETO entwickelten die Sandia National Laboratories (SNL) des DOE ein Rotorblattdesign, das es ermöglicht, Turbinen aufgrund eines schneller ableitenden und weniger störenden Nachlaufs näher beieinander zu installieren. Die Idee entstand während des National Rotor Testbed-Projekts, bei dem neue Rotorblätter mit Schwerpunkt auf Nachlaufforschung in der DOE/SNL Scaled Wind Farm Technology-Anlage in Texas entworfen werden sollten. Die patentierte Innovation ändert, wie stark sich die Luft beim Durchströmen des Rotors der Windkraftanlage verlangsamt. Das Ergebnis dieses Rotorblattdesigns ist ein schneller verschwindender Nachlauf, der es ermöglicht, Windturbinen ohne Effizienzeinbußen näher beieinander zu platzieren verbinden sie.

    Open-Source-Tool zur Leistungsoptimierung

    Mit Mitteln von WETO veröffentlichte NREL eine neue Version seines FLOw Redirection and Induction in Steady State (FLORIS)-Modells zur Optimierung der Windkraftleistung. FLORIS, das von NREL und der Technischen Universität Delft gemeinsam entwickelt wurde, ist eine Open-Source-Plattform, die zum Download und zur gemeinsamen Entwicklung zur Verfügung steht. Das neueste Update nutzt neue Modellierungswerkzeuge, um die Fähigkeit von FLORIS zu verbessern, Steuerungsstrategien für Windkraftanlagen für größere Turbinenanordnungen genau zu entwerfen und zu analysieren. Seit 2018 haben mehr als 2.000 Benutzer auf das Tool zugegriffen, um den Turbinenbetrieb sowie die Auslegung von Windkraftanlagen zu informieren. Durch die Optimierung von Strömungssteuerungsstrategien wie Wake Steering ermöglicht FLORIS bestehenden Windenergieanlagen, die Produktivität zu verbessern und den Gewinn zu steigern. Weitere Informationen zum neuen Modell finden Sie in der FLORIS 1.1.14-Dokumentation oder im neuen Diskussionspapier in Wind Energy Science.

    Verteilter Wind

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    Foto des Umweltzentrums Brock von CBF vor blauem Himmel. Das Umweltzentrum Brock von CBF produziert mit seinen Sonnenkollektoren und Windkraftanlagen für Wohngebäude fast doppelt so viel Energie wie mit dezentraler Energietechnologie. Foto von Prakash Patel, PNNL

    Projekt zur Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit

    NREL, finanziert von WETO, arbeitet mit Dutzenden von kleinen Unternehmen in den Vereinigten Staaten zusammen, um die Windtechnologie als dezentrale Energiequelle durch das Competitiveness Improvement Project (CIP) voranzutreiben. Das 2013 ins Leben gerufene CIP unterstützt Hersteller verteilter Windtechnologie – typischerweise kleine und mittlere Windturbinen – durch wettbewerbsorientierte Projekte auf Kostenteilungsbasis mit den folgenden Zielen: 1) Optimierung der Designs für eine erhöhte Energieproduktion und Netzunterstützung; 2) Testen von Turbinen und Komponenten nach nationalen Standards, um Leistung und Sicherheit zu überprüfen; und 3) Entwicklung fortschrittlicher Herstellungsverfahren, um die Hardwarekosten zu senken. Zwischen 2013 und 2020 vergab NREL 36 Unteraufträge an 20 Unternehmen mit einem Gesamtvolumen von 7,75 Millionen US-Dollar und setzte 3,79 Millionen US-Dollar an zusätzlichen Investitionen des Privatsektors ein. Im August 2020 wählte das DOE acht Projekte aus, die eine DOE-Finanzierung in Höhe von 2,6 Mio.

    Verteidigungsfähige Disaster-Windturbine

    Das WETO-finanzierte Projekt Defense Deployable Disaster Wind Turbine bewertet das technische und Marktpotenzial für schnell einsetzbare Windenergiesysteme, um den Energiebedarf von Verteidigungs- und Katastrophenschutzmaßnahmen zu decken. In einem Bericht aus dem Jahr 2020 wurde festgestellt, dass Windturbinen eine erhebliche Chance bieten, Strom vor Ort bereitzustellen und die Risiken und Einschränkungen bestehender dieselbetriebener Generatoren zu überwinden, die zur Unterstützung ausländischer Verteidigungsmissionen oder humanitärer Aktivitäten wie Katastrophenhilfe eingesetzt werden. Die Analyse des Berichts legt nahe, dass für niedrige Windgeschwindigkeiten optimierte und schnell einsetzbare Windturbinen, wenn sie in einen Batteriespeicher integriert sind, verwendet werden könnten, um 80 % des Dieselgeneratorverbrauchs bei bestimmten Vorwärtsbetriebsbasen auszugleichen.

    Microgrids, Infrastruktur, Ausfallsicherheit und erweiterte Steuerung Launchpad

    Das Projekt Microgrids, Infrastructure Resilience, and Advanced Controls Launchpad (MIRACL) ist Teil des WETO-Investitionsportfolios, das darauf abzielt, Windtechnologie zu einer erschwinglichen, zugänglichen und kompatiblen dezentralen Energieressource (DER) zu machen. DERs werden zunehmend von Einzelpersonen, Unternehmen und Gemeinden verwendet, um kostengünstig eine widerstandsfähige elektrische Infrastruktur aufzubauen und die Fähigkeiten des lokalen Verteilnetzbetriebs zu verbessern. Im Jahr 2020 hat dieses kollaborative Forschungsprojekt – zu dem das National Renewable Energy Laboratory des DOE, das Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), die Sandia National Laboratories und das Idaho National Laboratory gehören – eine Hochgeschwindigkeits-Datenverbindung namens MIRACL Hub eingerichtet, um fast eine Milliarde US-Dollar zu nutzen “im Wert von Forschungskapazitäten und DER-Infrastruktur in den vier Labors. Dies ermöglicht Forschung, Entwicklung und Industrievalidierung von DER-Design- und Planungstools, Komponenten und hybriden Energiesystemen über mehrere Skalen und Konfigurationen unter geografisch unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Ein PNNL-Bericht aus dem Jahr 2020 ergab, dass viele benutzerorientierte Verteilungsmodellierungs- und Simulationstools die Leistung nicht genau berechnen oder den zeitlichen, räumlichen und widerstandsfähigen Wert von verteiltem Wind widerspiegeln – was einen zukünftigen Arbeitsbereich für MIRACL F&E identifiziert.

    Netzintegration

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    19,9 MW Umspannwerk vor gleißender Sonne und strahlend blauem Himmel. Das neue 19,9-MW-Umspannwerk von NREL, das für die Forschung zur Netzintegration im Versorgungsbereich von ARIES verwendet wird. Foto von Dennis Schroeder, NREL

    Felddemonstration von Netzdiensten

    Da Energieversorger neue Wege suchen, erneuerbare Energiequellen zuverlässig in das Stromnetz zu integrieren, können sie jetzt auf Windkraftanlagen setzen, die mehr als nur Strom liefern. Mit Unterstützung von WETO führten Forschungsmitarbeiter von NREL, Avangrid Renewables, dem California Independent System Operator und General Electric eine Reihe von Tests durch, die zeigten, dass Windtechnologien über die erforderlichen Fähigkeiten verfügen, um eine vollständige Palette von Netzdiensten bereitzustellen und auf die dynamischen Anforderungen von das Stromnetz. Die Ergebnisse dieser Tests – die über mehrere Tage in einer aktiven Netzbetriebsumgebung durchgeführt wurden – waren vielversprechend. Sie werden zukünftige Forschungen unterstützen, die untersuchen, wie aktive Leistungssteuerungsfunktionen für mit Wechselrichtern verbundene Anlagen, die Wind-, Photovoltaik- und Energiespeichertechnologien kombinieren, die Bewegung in Richtung des Stromnetzes der Zukunft weiter beschleunigen könnten.

    Continental Getriebestudie

    Im Rahmen der Interconnections Seam Study hat NREL zusammen mit nationalen Labor-, Universitäts- und Industriepartnern den Wert einer zunehmenden Stromübertragung über das US-Stromnetz unter Verwendung von Hochspannungs-Gleichstromübertragung untersucht. Die von EERE und dem DOE Office of Electricity gesponserte Studie quantifiziert die Kosten und den Nutzen einer Stärkung der Verbindungen (oder Nähte) zwischen den östlichen und westlichen Verbindungsleitungen, die ein stärker integriertes Stromsystem schaffen und die effiziente Entwicklung und Nutzung der nationalen reichlich Energieressourcen, einschließlich Sonne, Wind und Erdgas.

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    Cybersicherheits-Roadmap

    In den Vereinigten Staaten sind mehr als 50.000 Windturbinen mit einer Gesamtkapazität von über 100 Gigawatt in Betrieb, was einen ernsthaften Bedarf zum Schutz der Windinfrastruktur vor Cyberangriffen schafft. Mit Unterstützung seiner nationalen Labors veröffentlichte WETO die Roadmap for Wind Cybersecurity, die die zunehmenden Herausforderungen von Cyber-Bedrohungen für die Windindustrie, ihre Technologien und Kontrollsysteme skizziert und Aktivitäten und Best Practices vorstellt, mit denen die Windindustrie die Cybersicherheit verbessern kann.

    Tools zur Optimierung der Übertragungsnutzung

    Das Idaho National Laboratory (INL) des DOE lizenzierte seine Software General Line Ampacity State Solver (GLASS) an WindSim Americas. GLASS ist ein wesentlicher Bestandteil der wetterbasierten Dynamic Line Rating (DLR)-Methodik von INL, einem Werkzeug, das der Industrie ein Mittel zur Optimierung der Nutzung vorhandener Übertragungskapazitäten und zur Reduzierung von Übertragungsengpässen bietet. GLASS verwendet Echtzeit-Wetterdaten und -prognosen, um Freileitungen dynamisch zu bewerten und so die Nutzung der Strominfrastruktur für die Integration der Windenergie zu optimieren.

    Umweltforschung, Standortwahl und Personalentwicklung

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    Tagesfoto eines Windparks mit einem Mann im Vordergrund und einem Falken auf dieser Hand. Sam Dollar und Houdini testen Vogelflugwege um Windturbinen auf dem Flatirons Campus. Foto von Jason Roadman, NREL

    Kommerzialisierung des Fledermaus-Abwehrsystems

    Ein von NRG Systems, Inc. in Vermont entwickeltes WETO-gestütztes Fledermaus-Abwehrsystem wurde erfolgreich kommerzialisiert. NRG gab im Juli 2020 bekannt, dass Siemens Gamesa Renewable Energy (SGRE) die Installation des Fledermaus-Abschreckungssystems unterstützt, das an der Gondel montierte Ultraschall erzeugende Geräte und eine in das SCADA-System der Turbine integrierte Steuerung verwendet, um Fledermäuse von Windkraftanlagen abzuschrecken. SGRE hat das System in seinen Windkraftanlagen in Ontario, Kanada, und Maui, Hawaii, installiert.

    3D Thermal Tracking von Vögeln und Fledermäusen

    Im Auftrag von WETO hat das Pacific Northwest National Laboratory des DOE ThermalTracker-3D entwickelt, eine Stereo-Vision-Lösung zur Auswertung von Flugspuren und anderen Daten von Vögeln und Fledermäusen rund um Offshore-Windturbinen. Die Technologie verwendet Thermovideo, das Bewegungen Tag und Nacht aufzeichnet, selbst bei eingeschränkten Sichtverhältnissen. ThermalTracker-3D überträgt kontinuierlich Satellitendaten, die zeigen, ob und wann Vögel und Fledermäuse in der Nähe von geplanten Windparks aktiv sind, ohne dass die Forscher zum Einsatzort reisen müssen.

    Collegiate Wind Competition wird virtuell

    Der Collegiate Wind Competition des US-Energieministeriums bereitet Studenten aus mehreren Disziplinen auf den Einstieg in die Windenergiebranche vor, indem sie praktische Technologieerfahrungen vermittelt. Nach vier Tagen intensiver virtueller Präsentationen gab DOE die Gewinner des Collegiate Wind Competition 2020 bekannt. Der Gewinner des Wettbewerbs für das digitale Design von Turbinen wurde von einer Jury aus Experten der Windindustrie beurteilt, die Maritime Academy der California State University und der Gewinner des Wettbewerbs für die Projektentwicklung die James Madison University. Drei neue College-Teams und 10 zurückkehrende Teams aus früheren Wettbewerben wurden ausgewählt, um am Collegiate Wind-Wettbewerb 2021 teilzunehmen, der sich auf Reichweite und Anpassungsfähigkeit konzentrieren wird.

    US-Datenbank für Windkraftanlagen

    WETO und Berkeley Lab haben in Zusammenarbeit mit dem U.S. Geological Survey die U.S. Wind Turbine Database, die Daten von mehr als 65.000 Windturbinen in 43 Bundesstaaten sowie Puerto Rico und Guam enthält, erheblich verbessert. Seit seiner Einführung im Jahr 2018 wurde der Datensatz mehr als 4,5 Millionen Mal aufgerufen und dient weiterhin als maßgebliche Datenquelle zum Windenergieeinsatz für Behörden, die die Auswirkungen der Windentwicklung bewerten, einschließlich ihrer Auswirkungen auf Radarmissionen. Im Jahr 2020 wurde als Erweiterung der Datenbank ein Datensatz von noch nicht gebauten Turbinen, die sich in verschiedenen Entwicklungsstadien befinden, für die Verwendung in Radarfolgenabschätzungen und zur Schätzung möglicher kumulativer Auswirkungen des Ausbaus von Windprojekten in den Vereinigten Staaten erstellt Zustände.

    Eagle Research zur Minderung der Auswirkungen

    Im Jahr 2020 schlossen die Purdue University und die University of Minnesota jeweils eine WETO-finanzierte Forschung ab, die sich auf die Erforschung der Adlerphysiologie konzentrierte, um die Wirksamkeit von Abschreckungsmitteln rund um Windenergieanlagen zu verbessern. Purdue bewertete das Gehör und die Sehweite von Adlern, während die University of Minnesota das Gehör von Adlern bewertete. Purdue fand heraus, dass Adler einen toten Winkel in der Nähe ihres Kopfes haben, der ihre Fähigkeit behindert, nach vorne zu sehen, wenn sie nach unten schauen und jagen. Dieser Befund legt nahe, dass ein Abschreckungsmittel erforderlich ist, das für einen Adler ausreichend alarmierend ist, um ihn bei der Jagd dazu zu bringen, nach oben zu schauen. Purdue fand auch heraus, dass Blau/Indigo und Orange/Rot für Adler vor verschiedenen Hintergründen am besten sichtbar sind. Die Studie kam zu dem Schluss, dass Steinadler eher auf visuelle Signale reagieren, während Weißkopfseeadler eher auf eine Kombination aus Bild und Ton reagieren.Die University of Minnesota untersuchte den Hörbereich und die Reaktion auf verschiedene Hörreize, einschließlich Adler-Vokalisierungen, und stellte fest, dass Entwickler von Adler-Abschreckung unterschiedliche Frequenz- und Lautstärkemuster berücksichtigen sollten, um die stärksten und am wenigsten gewöhnungsbedürftigen Reaktionen zu erzielen.

    Mit freundlicher Genehmigung des US-Energieministeriums

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