04/10/2013

Universität des Saarlandes

Saarbrücker Forscher machen Windkraftanlagen effizienter

Geringerer Energieverlust und damit höherer Wirkungsgrad: Saarbrücker Regelungstechniker optimieren mit ihrer Forschung den Betrieb von Windkrafträdern. Als ein „Forschungsprojekt, das die Zukunft der Energie- und Automationstechnik prägen wird“ fördert der Technologiekonzern ABB das Projekt der Forschergruppe von Professor Joachim Rudolph im Rahmen des ABB Research Grant-Programms. Die Saarbrücker Ingenieure setzten sich dabei gegen mehr als 500 Projekte aus über 250 Universitäten aus aller Welt durch.

Weltweit drehen sich immer mehr Windräder. Hierzulande deckten die Windkraftwerke im vergangenen Jahr laut dem aktuellen „Windenergie Report Deutschland“ 7,7 Prozent des Stromverbrauchs, ihre Gesamtleistung liegt bei über 31.000 Megawatt. Künftig sollen die Anlagen noch mehr Energie liefern können: Hieran arbeiten Regelungstechniker der Saar-Uni. „Von dem Strom, den die Windenergieanlagen erzeugen, soll möglichst viel in die Stromnetze eingespeist werden und möglichst wenig verloren gehen“, erklärt Joachim Rudolph sein Vorhaben. Gemeinsam mit seiner Forschergruppe verbessert der Professor für Systemtheorie und Regelungstechnik der Saar-Uni hierzu den Betrieb von Windkraftanlagen, genau gesagt von solchen Windkrafträdern, die zur Energiewandlung einen so genannten doppeltgespeisten Generator einsetzen.

Eine Windkraftanlage fängt mit ihren Rotoren die Energie des Windes ein, ein Generator wandelt diese Bewegungsenergie in elektrische Energie um, damit sie in das Stromnetz eingespeist werden kann. Hierbei sorgt ein so genannter Umrichter dafür, dass die Spannung, die erzeugt wird, auch zu der passt, die im Netz herrscht. Nicht nur Windflaute oder vereiste Rotorblätter verringern bei diesem Geschäft die Ausbeute. Auch der Betrieb der Anlage selbst zapft Energie und damit Erträge ab. Die Energie, die oben die Rotorblätter beständig dreht, kommt nicht eins zu eins unten als Strom fürs Netz heraus. „Eine Anlage speist nicht so viel Strom ein wie sie theoretisch erzeugen könnte“, sagt Professor Rudolph. In allen Teilen des Zusammenspiels von Rotoren, Generator, Umrichter und weiteren Abläufen geht Energie verloren: Alle Prozesse, die in der Windanlage zwischen dem Drehen des Rads und dem „fertigen“ Strom ablaufen, verbrauchen selbst Energie – und das schmälert den Stromertrag.

„Unsere Aufgabe ist es, die elektrischen Prozesse, die im Windkraftrad ablaufen, passgenau so anzusteuern und zu regeln, dass der Energieverlust minimiert wird und die Anlage trotzdem stabil, störungsfrei und optimal läuft“, erläutert Professor Rudolph. Wie in einem guten Team müssen die Aufgaben, an die jeweilige Betriebssituation angepasst, zwischen den elektrischen Komponenten verteilt werden. Hierzu nutzen die Saarbrücker Ingenieure die Mathematik. Die Spezialität der Forschergruppe von Professor Rudolph sind modellbasierte Algorithmen für sehr schnelle Präzisionsregelung. Die Regelungstechniker modellieren die Einzelprozesse mathematisch, beschreiben die Vorgänge mit nichtlinearen Differentialgleichungen. Auf diese Weise können die Abläufe in der Folge besser koordiniert werden. „Durch geschickte mathematische Lösungen, hochleistungsfähige Algorithmen und eine besser geregelte Koordination können die Prozesse effizienter ablaufen, wodurch weniger Energie durch den Betrieb der Anlage selbst verloren geht“, erläutert Professor Rudolph.

Bei seinen Forschungen wird der Saarbrücker Experte für Regelungstechnik jetzt vom Technologiekonzern ABB gefördert, einem Unternehmen der Energie- und Automationstechnik mit etwa 10.000 Mitarbeitern allein in Deutschland. Mehr als 500 Forschergruppen von über 250 Universitäten in 46 Ländern hatten sich um eine solche Förderung beworben. 40 Forschungsprojekte wurden im Rahmen des ABB Research Grant-Programms ausgewählt.

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