Hochleistungsrechnen für leistungsfähige Windparks
Wenn Europa bis 2050 wirklich der erste klimaneutrale Kontinent werden will, muss es sich um seine Energiewirtschaft kümmern, die aktuell für mehr als 75 % aller Treibhausgasemissionen verantwortlich ist. Da dazu bekanntlich erneuerbare Energie notwendig ist, verfolgt die EU das Ziel, ihren Anteil daran bis 2030 auf 40 % erhöhen. 2019 betrug dieser 20 %. „Windenergie kann ohne Probleme die erneuerbare Energie der Wahl in Europa werden“, sagt Atanas Popov, Professor für Ingenieurwissenschaften an der Universität Nottingham. „Sie macht bereits 15 % der Elektrizität in Europa aus. Außerdem birgt sie den Vorteil, dass sie skalierbar, kostengünstig und leicht verfügbar ist.“ Allerdings baut Europa nicht genug neue Windenergiekapazitäten auf, um seine Ziele zu erreichen. Laut WindEurope hat die EU 2021 nur 11 GW an neuen Windkraftanlagen aufgebaut und wird zwischen 2022 und 2026 18 GW pro Jahr aufbauen. Damit das Ziel für erneuerbare Energie bis 2030 erreicht werden kann, sind jedoch jedes Jahr 30 GW neue Windenergiekapazität notwendig. Dieser Herausforderung stellen sich Initiativen wie das EU-finanzierte Projekt HPCWE, das Windparks mittels Hochleistungsrechnen (HPC) effizienter gestalten will, wodurch mehr Windenergie genutzt werden soll. „Wir wollten die neuste Hochleistungsrechentechnik nutzen, um mehr über die Physik der atmosphärischen Strömung zu erfahren, welche die Eigenschaften und Leistung von Windkraftanlagen und Windparks beeinflusst“ erklärt Popov, der als Koordinator des Projekts fungiert.
Ein europäisch-brasilianisches Windenergienetzwerk
Um das Optimum aus dem Projekt herauszuholen, schlossen sich die europäischen Forschenden mit ihren Kolleginnen und Kollegen in Brasilien zusammen – einem Land, das aktuell über die neuntgrößte Windkraftkapazität der Welt verfügt. Außerdem kann es ein jährliches Wachstum von mehr als 10 % verzeichnen. 500 Windparks sind dort bereits in Betrieb. „Durch dieses europäisch-brasilianische Windenergienetzwerk, das Universitäten, Unternehmen und Beratungsgesellschaften zusammenführt, konnten wir Strategien zum Hochleistungsrechnen für die numerische Simulation der Windströmung bei der Windenergienutzung entwickeln und testen, die über den Stand der Technik hinausgehen“, so Popov weiter.
Effizientere Windparks
Durch die Bündelung der Kompetenzen der beiden Regionen konnte das Projekt zeigen, dass sich Hochleistungsrechnen effizient und effektiv bei Windenergiesimulationen einsetzen lässt. Dabei entwickelte und implementierte es zahlreiche innovative Algorithmen, die neue Lösungen für die Verifizierung, Validierung und Quantifizierung von Unsicherheiten sowie die In-situ-Auswertung wissenschaftlicher Daten hervorbrachten. Eine weitere wichtige Errungenschaft war die akkurate und nahtlose Integration der verschiedenen zeitlichen und räumlichen Größenordnungen der atmosphärischen Strömung und der strukturellen Eigenschaften von Windkraftanlagen in Modelle und Simulationen. Außerdem konnten die Forschenden neue Methoden für den Umgang mit großen Datensätzen einführen, darunter auch Softwareinstrumente. „Die Ergebnisse werden sich für die Industrie und andere Interessengruppen zweifellos als nützlich erweisen“, sagt Popov. „Unter anderem werden die im Rahmen des Projekts entwickelten Hochleistungsrecheninstrumente viele industrielle Praktiken sowie Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten rund um die Windenergie grundlegend verändern.“ Darüber hinaus können sich Anbieter von Ressourcen für Hochleistungsrechnen die Projektergebnisse zunutze machen, um die Leistung und Energieeffizienz von Strömungssimulationen in der Windenergie zu verbessern, während Forschungseinrichtungen mithilfe der innovativen Algorithmen des Projekts neue und größere Probleme im Zusammenhang mit Windenergie simulieren können. „Unsere Arbeit hat den Grundstein für komplexere Experimente und Simulationen gelegt, welche Windkraftanlagen und Windparks letztendlich effizienter gestalten werden, wodurch Windenergie nach und nach mehr Anklang finden wird“, so Popov abschließend.
Schlüsselbegriffe
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