HochschulschriftEnergieversorgungErneuerbare EnergienUnsicherheitOptimierungValidierungValiditätRichtigkeit von ErgebnissenMathematikOptimierungsproblemUnvollkommene InformationPartielle InformationUngewissheitEnergiequelleErneuerbare RessourcenVersorgungEnergieerzeugungEnergiewirtschaft
In order to tackle climate change, nations make great efforts to integrate large shares of renewable power sources. This is a challenging task requiring many political decisions and great financial and technical efforts. Power system models can support this process of decision-making. However, the solution of these programs depends on many parameters from different fields. The interplay of these parameters, the way they co-act, is complex, the sensitivity of power system models to this interplay not yet fully explored. The aim of this thesis is the description of the complex coaction of the input parameters in numerical power system models and the quantification of model sensitivities. I will show that the availability of wind power can be linked to the prevailing weather situation, that regional differences in the capital cost should be considered when designing a highly renewable European power system and that power system models are especially sensitive to the temporal resolution.
Viele Länder unternehmen große Anstrengungen, hohe Anteile erneuerbarer Energien zu integrieren. Dies ist eine anspruchsvolle Aufgabe, die viele politische Entscheidungen und finanzielle und technische Anstrengungen erfordert. Energiesystemmodelle können diesen Entscheidungsprozess unterstützen. Die Lösung dieser Programme hängt jedoch von vielen Parametern aus verschiedenen Disziplinen ab. Das Zusammenspiel dieser Parameter ist komplex, die Sensitivität der Modelle noch nicht vollständig erforscht. Das Ziel dieser Arbeit ist die Beschreibung des Zusammenwirkens der Parameter in Energiesystemmodellen und die Quantifizierung ihrer Sensitivität. Ich werde zeigen, dass die Verfügbarkeit von Windenergie mit der vorherrschenden Wettersituation verknüpft werden kann, dass regionale Unterschiede in den Investitionskosten beim Entwurf eines europäischen Stromsystems berücksichtigt werden sollten und dass die Modelle besonders empfindlich auf Veränderungen der zeitlichen Auflösung reagieren.
Windenergie ist ein wichtiger Teil der Energiewende. Grundlagenforschung und Weiterentwicklung von Windturbinen sind daher unerlässlich. Um zuverlässige Untersuchungen durchzuführen, werden realistische Strömungen im Windkanal benötigt. In dieser Arbeit wird eine neue Methode zur Erzeugung großskaliger turbulenter Strömungen im Windkanal mittels aktiver Gitter entwickelt. Es wurde gezeigt, dass die durch aktive Gitter aufprägbaren Strukturen von der reduzierten Frequenz abhängen. Die erzeugten Strömungen unterlaufen eine Transition und bilden weit hinter dem Gitter eine voll entwickelte Turbulenz aus. In Kombination mit einer dynamischen Drehzahlvariation der Windkanalgebläse lassen sich sehr große Reynoldszahlen und integrale Längen erzeugen. Die Dynamik einer Modellturbine unter diesen Anströmungen kann mit Hilfe des Langevin-Ansatzes für den gesamten Betriebsbereich bestimmt werden. Damit wird eine Methode zur systematischen Untersuchung von Windturbinen im Windkanal bereitgestellt.
Wind energy is an important part of the energy transformation. Fundamental research and further development of wind turbines are therefore essential. To perform reliable investigations, realistic flows in the wind tunnel are required. In this work, a new method for generating large scale turbulent flows in the wind tunnel by means of active grids is developed. It was shown that the structures that can be imprinted by active grids depend on the reduced frequency. The generated flows undergo a transition downstream and form a fully developed turbulence far behind the active grid. In combination with a dynamic speed variation of the wind tunnel fans, very large Reynolds numbers and integral length scales can be achieved. The dynamics of a model turbine under these inflows can be determined for the entire operating range by using the Langevin approach. This provides a method for the systematic investigation of wind turbines under realistic conditions in a wind tunnel.
The volatility of wind power feed-in threatens system security. Statistical minute-scale power forecasts are used to support grid balancing but fail during ramp events. The aim of the thesis was the development of probabilistic minute-scale power forecasts for offshore wind farms based on lidar measurements and turbine operational data as a physical-based alternative. Firstly, a method based on dual-Doppler radar data was extended to the needs of single long-range lidar scans. Next, uncertainty related to wind speed height extrapolation and atmospheric stability was characterized. The forecast availability and skill for wake-impacted turbines were enhanced by combing lidar and operational data. Finally, the forecasts of wind turbines were aggregated to a probabilistic wind farm power forecast using copulas. Our work proved the potential of observer-based forecasts and gave valuable insight into the dependence of forecast skill on atmospheric conditions and the measurement set-up.
Die Volatilität der Windenergie-Einspeisung bedroht die Netzstabilität. Statistische Kürzestfrist-Leistungsprognosen sollen diese unterstützen, versagen aber bei Rampenereignissen. Ziel der Arbeit war die Entwicklung von probabilistischen Kürzestfrist-Leistungsprognosen für Offshore-Windparks mittels Lidarscans und Turbinen-Betriebsdaten als physikalische Alternative. Erst wurde eine auf Dual-Doppler-Radardaten basierte Methode auf single Lidarscans erweitert. Dann wurden die Unsicherheiten der Extrapolation der Windgeschwindigkeit und der atmosphärischen Stabilität untersucht. Die Kombination von Lidar- und Betriebsdaten verbesserte Vorhersageverfügbarkeit und -skill von Turbinen im Nachlauf. Turbinenvorhersagen wurden mittels Copulas zu einer probabilistischen Windpark-Vorhersage aggregiert. Diese Arbeit hat das Potenzial beobachtergestützter Vorhersagen bewiesen und Erkenntnisse zur Abhängigkeit des Vorhersageskills von atmosphärischen Bedingungen und dem Messaufbau geliefert.