Institut für Energietechnik (IET)
OST

Rückenwind für die Windenergie an der OST

Seit 2018 sind wir am Institut für Energietechnik (IET) dabei, ein Windenergieforschungsprogramm aufzubauen. Die Windenergiegruppe am IET führt dabei diverse spannende Projekte in den Bereichen Digitalisierung und Nachhaltigkeit durch. Im Mai 2020 haben wir zum Beispiel über das Projekt AeroSense berichtet, in dem ein MEMS[1] -basiertes Oberflächendruck- und Akustik-Messsystem für Rotorblätter von laufenden Windenergieanlagen entwickelt werden soll. Windenergie ist die weltweit am stärksten wachsende erneuerbare Energiequelle und erreicht damit einen immer höheren Stellenwert im Energiesektor. Trotz der bescheidenen Anzahl von installierten Windenergieanlagen in der Schweiz (Ende 2019 gab es 37 Windenergieanlagen in der Schweiz verglichen mit 30'000 in Deutschland[2] ) existiert eine wachsensende Community innovativer Firmen und Forschungsgruppen, die Produkte und Dienstleistungen für den globalen Windenergiemarkt entwickeln. Sarah Barber, Leiterin der Windenergiegruppe, hat Anfang 2020 das Netzwerk "The Swiss Wind Energy R&D Network" ins Leben gerufen, welches das Ziel hat, Schweizer Kompetenzen für den globalen Windenergiemarkt zu bündeln. Mittlerweile hat das Netzwerk mehr als 100 Mitglieder und hat mehrere innovative Projekte koordiniert und erfolgreiche Innovationsveranstaltungen organisiert.

Innovationen vorantreiben

Mit dem Ziel, den weiteren Ausbau dieser Aktivitäten zu beschleunigen hat im Januar 2021 das IET eine laufende Windenergieanlage in Winterthur erworben. Es handelt sich um eine Leichtwindanlagen AV-7 der Firma Aventa AG aus der Schweiz, mit drei Rotorblättern von 6 m Länge und einer Nennleistung von 6 kW. Die Anlage wurde im Dezember 2002 in Betrieb genommen. Die mittlere Jahreswindgeschwindigkeit auf Nabenhöhe beträgt ca. 3.0 m/s, was zu einem Stromertrag von ungefähr 12'000 kWh pro Jahr führt.

Folgende spannende Aktivitäten laufen bereits an dieser Anlage:

  • Open Data: Wir sind dabei, die SCADA[3] -Daten der Anlage im Rahmen unserer "Machine Learning Collaboration Platform" wedowind.com zu veröffentlichen. Diese Plattform wird zurzeit zusammen mit internationalen Projektpartnern aus der Industrie und der Forschung entwickelt. Die Plattform schafft Anreize für den Datenaustausch, indem sie sowohl offene als auch private Kollaborationen ermöglicht. Sie ist wie in Abbildung 1 dargestellt aufgebaut. Im Rahmen der Konzeptentwicklung haben wir mit mehr als 30 potenziellen Partnern und Mitwirkenden in der Schweiz und international gesprochen, darunter BKW (CH), EKZ (CH), IWB (CH), Orsted (DK), EDPR (PT), RES (UK), DTU (DK) und die Universität Stuttgart (DE). Es besteht ein sehr hohes nationales und internationales Interesse an dieser Plattform. Darüber hinaus hat sie das Potenzial, auf jede andere Anwendung wie Photovoltaik oder Energietechnik im Allgemeinen erweitert zu werden.

  • Messsystemtests: Im Rahmen des Projekts AeroSense werden im Laufe der nächsten Jahre verschiedene Prototypen des Messsystems auf der Anlage getestet:

    • Energieversorgungssysteme wie Dünnschichtphotovoltaik oder Batterien
    • Datenübertragungssysteme wie Bluetooth oder WLAN
    • Langzeitversuche für verschiedene Klebsysteme für die Halterungen des Messsystems durchführen.
    • verschiedene Sensoren testen, korrigieren und kalibrieren
    • "Machine Learning"-Modelle trainieren und testen und ein "Digital Twin" aufbauen.
    • Schlussendlich werden wir das Gesamtsystem testen, Messungen durchführen und ausgewählte Ergebnisse veröffentlichen.

  • Lehre: Wir bieten ein Praktikum und eine Exkursion für Studierende im Studiengang EEU an. Im Praktikum werden Messungen der aerodynamischen Eigenschaften der Rotorblätter in unserem Windkanal durchgeführt und anschliessend mit Messungen auf der laufenden Windenergieanlage verglichen. Während der Exkursion erhalten die Studierende die einmalige Gelegenheit, eine laufende Windenergieanlage hautnah zu erleben und über die Steuerungssysteme wie die Rotorblattsteuerung und das Windrichtungsausrichtungssystem zu erfahren.
Abbildung 1. Struktur der wedowind.com-Plattform

Machen Sie auch mit

Zudem haben wir diverse Pläne für die Anlage:

  • Open Test Site: Wir freuen uns sehr, dass die benachbarte Windenergieanlage durch unsere Projektpartnerin, Prof. Eleni Chatzi, Leiterin der Forschungsgruppe "Chair of Structural Mechanics and Monitoring" der ETH Zürich, erworben wurde. Im Zusammenhang mit der wedowind.com-Plattform möchten wir zusammen die technischen Details der Anlage sowie diverse Messdaten veröffentlichen, um Innovationen in der Windenergieindustrie voranzutreiben.
  • Komponententests: Das Erwerb der Anlage ermöglicht uns, die Komponenten der Anlage auszutauschen und neue Ideen zu testen. Wir sind hier offen und freuen uns auf Ihre Kontaktaufnahme! Wir haben zum Beispiel vor, unser Projekt Recycloblade, wobei wir Biomaterialien für Rotorblätter auf einer Kleinanlage in Rapperswil getestet haben, auf der neuen Anlage zu erweitern. In diesem Projekt geht es darum, neue Rotorblätter aus Biomaterialien (wie z.B. Flachs oder Hanf) zu bauen und im Feld zu testen. Dies soll die Nachhaltigkeit der Windenergie erhöhen. Abbildung 2 zeigt den Triebstrang der Anlage.
  • Test und Vergleich von Messsystemen: Die Anlage steht für Firmen und Forschungsgruppen zur Verfügung, diverse Messsysteme in einem realistischen Umfeld schnell und unkompliziert einzusetzen und zu testen. Dies kann sich beispielsweise um Sensoren wie Dehnungsmessstreifen, Beschleunigungssensoren und Druckmesssysteme auf den Rotorblättern, um "Condition Monitoring"-Systeme am Triebstrang, um "Structural Health Monitoring" am Turm und Fundament, oder um Windmesssysteme wie "Lidar"-Systeme handeln.

Haben Sie vielleicht weitere Ideen, wie wir diese Windenergieanlage einsetzen könnten, um Innovationen in der Schweiz voranzutreiben? Wir freuen uns auf Ihre Kontaktaufnahme!

Abbildung 2. Triebstrang der Windenergieanlage (Imad Abdallah, ETHZ)

Autorin: Dr. -Ing. Sarah Barber

Sarah Barber leitet seit 2018 die Windenergiegruppe Windenergie@HSR am IET. Sie ist promovierte Ingenieurin (Universität Sheffield, Universität Cambridge und MIT) mit langjähriger internationaler Erfahrung als Führungskraft in der Forschung (ETH Zürich, Fraunhofer IWES), in der Lehre (ETH Zürich, Hochschule Bremerhaven) und in der Industrie (BKW FMB AG, Agile Wind Power AG) im Bereich der Windenergie. Sie ist auch selbstständig (www.windspire.ch) und Lehrbeauftragte an der Universität Kassel (Windenergiemaster), an der Universität Oldenburg (Windstudium), an der Hochschule St. Gallen (REM-HSG) und an der Fachhochschule Graubünden (MAS Energiewirtschaft).

20.01.2021

[1] MEMS: micro-electro-mechanical systems = Mikrosysteme mit Komponentengrössen im Mikrometerbereich
[2] https://www.suisse-eole.ch/de/windenergie/statistik/
[3] SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition