Waarom windparken soms schommelen in hun stroomproductie, en hoe we dat nu kunnen voorspellen

Sta je weleens naar een windmolen te kijken en zie je dat de wieken de ene keer sneller draaien dan de andere? Dat is geen toeval. Wind is nooit helemaal stabiel: er zitten voortdurend kleine en grote schommelingen in, wat natuurkundigen turbulentie noemen. Die turbulentie zorgt ervoor dat de stroom die een heel windpark levert, constant een beetje op en neer beweegt. Voor het elektriciteitsnet is dat lastig, want dat net moet altijd in balans blijven.

Tot nu toe was het moeilijk om precies te voorspellen hoe groot die schommelingen zijn en waar ze vandaan komen. Een team van onderzoekers heeft nu een rekenmodel ontwikkeld dat dit wel kan, en heeft dat model getest tegen zeer gedetailleerde computersimulaties van een windpark.

Hoe werkt het model?

Het model combineert een aantal bestaande natuurkundige inzichten. Het houdt rekening met hoe wind over grote afstanden wordt meegevoerd, met hoe turbines onderling elkaars luchtstroom beïnvloeden, en met het feit dat een turbinewiek de wind niet op één punt maar over een heel oppervlak "opvangt". Dat laatste werkt als een soort filter: kleine, snelle windvlagen worden door de grote wieken deels uitgemiddeld, terwijl grotere, langzamere schommelingen wel doorkomen.

De onderzoekers vergeleken de voorspellingen van hun model met large-eddy-simulaties. Dat zijn zeer gedetailleerde computerberekeningen die luchtstromingen tot in kleine details nabootsen, bijna als een virtuele windtunnel. Ze deden dit voor een groot windpark op vlak terrein.

Wat vonden ze?

Het model bleek de stroomschommelingen van het hele windpark goed te voorspellen. Zo zag het model bijvoorbeeld pieken ontstaan doordat wind van de ene rij turbines naar de volgende rij waait, met een tijdsvertraging. Ook voorspelde het correct hoe snelle, kleine windschommelingen afzwakken doordat de grote wieken ze als het ware "middelen". Dit werkte niet alleen voor het hele park, maar ook voor kleinere groepjes turbines, bijvoorbeeld wanneer die schuin ten opzichte van elkaar staan of willekeurig verspreid zijn.

Het bijzondere is dat het model dit kan berekenen met alleen basisgegevens: de eigenschappen van de atmosfeer, van de turbines, en de indeling van het park. Er is dus geen dure simulatie per situatie nodig.

Wat betekent dit (nog) niet: Dit onderzoek is uitgevoerd door één onderzoeksteam en getest op één type situatie: een windpark op vlak terrein, vergeleken met computersimulaties. Het is dus nog niet in de praktijk getest op bestaande windparken met hun eigen, specifieke terrein en weersomstandigheden. Ook zegt dit onderzoek niets over hoeveel windenergie een park precies opwekt, alleen over hoe de productie schommelt in de tijd.

Als dit model in de praktijk goed blijkt te werken, kan het netbeheerders helpen om beter te voorspellen wanneer en hoe sterk windstroom fluctueert. Dat maakt het makkelijker om het elektriciteitsnet in balans te houden, zeker nu er steeds meer windenergie bijkomt.

Bron: Wind farms as sensor arrays of turbulent boundary layer spatio-temporal flow structure