Verbesserte Computermodelle werden benötigt, um größere Windturbinen zu bauen und Windparks effizienter zu verwalten.

(WK-intern) – Ein neues Forschungsprojekt unter der Leitung der Windphysikerin Laura Lukassen ebnet den Weg für schnellere Innovationen – mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz.

Numerische Simulationsrechnungen sind ein entscheidendes Werkzeug für die Planung und den Betrieb von Windkraftanlagen, die immer größer werden.

Ein neues Verbundprojekt unter der Leitung von Prof. Dr. Laura Lukassen, Windphysikerin an der Universität Oldenburg, will die Computermodellierung auf diesem Gebiet verbessern: Die Forscherinnen und Forscher wollen verschiedene physikalische Phänomene auf mehreren Skalen und über verschiedene Zeitskalen hinweg mithilfe von maschinellem Lernen und analysieren andere KI-Methoden. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) fördert das Projekt MOUSE (Multiscale and Multiphysical Models and Simulations for Wind Energy) über vier Jahre mit knapp zwei Millionen Euro. Auch der Oldenburger Institutsteil des Fraunhofer-Instituts für Windenergiesysteme (IWES) beteiligt sich an dem Projekt.

Das Team der Universität Oldenburg will mit den Berechnungen neue Verfahren zum Betrieb von Windparks und einzelnen Anlagen entwickeln, um diese besser an veränderte Windströmungsverhältnisse anzupassen. Das Teilprojekt am Fraunhofer IWES wird die Eignung dieser neuen Methoden für den Einsatz in der Windenergieindustrie testen. Übergeordnetes Ziel ist es, mit den Erkenntnissen des Projekts Innovationen in der Auslegung von Windenergieanlagen zu beschleunigen und dazu beizutragen, Anlagenbetreibern langfristig einen besseren digitalen Überblick über den Betrieb zu verschaffen.

Ein Teil der Förderung fließt in den Ausbau eines Höchstleistungsrechenclusters, der für das ForWind Zentrum für Windenergieforschung, eine gemeinsame Einrichtung von Forschern der Universitäten Oldenburg, Hannover und Bremen, mit einer Fördersumme von rund 1,5 Millionen Euro eingeworben wurde von Lukassen vom Niedersächsischen Wissenschaftsministerium (MWK) im Dezember 2021. „Die für das MOUSE-Projekt geplanten numerischen Simulationsrechnungen erfordern eine enorme Rechenleistung“, erklärt Lukassen, der Juniorprofessor für Computational Fluid Dynamics mit besonderem Fokus auf Windphysik ist bei Oldenburg.

Numerische Simulationen berechnen Näherungslösungen für komplexe physikalische Gleichungen. In dem neuen Projekt werden die Forscher atmosphärische Luftströmungen und ihre Wechselwirkung mit dem Ozean untersuchen, auch mit einem Fokus auf die elastische Verformung der Windkraftanlagen. Die Berechnungen umfassen physikalische Prozesse unterschiedlicher Größenordnungen und simulieren große Wettersysteme, die sich über Hunderte von Kilometern erstrecken, sowie kleinräumige Turbulenzen, die nur wenige Minuten stabil bleiben.

„Um die Qualität der Simulationen zu optimieren, kombinieren wir sie mit Methoden der künstlichen Intelligenz wie maschinellem Lernen“, betont Lukassen. „Ziel ist es, Rechenzeiten zu reduzieren und die Genauigkeit der Simulationen zu erhöhen.“

Optimizing wind flow simulations

Improved computer models are needed to build larger wind turbines and to manage wind farms more efficiently. A new research project led by wind physicist Laura Lukassen paves the way for faster innovation – with the help of Artificial Intelligence.

Numerical simulation calculations are a crucial tool for planning and operating wind turbines, which are continually growing in size. A new collaborative project led by Prof. Dr. Laura Lukassen, a wind physicist at the University of Oldenburg, aims to improve computer modelling in this field: the researchers plan to analyse various physical phenomena on multiple scales and across different timescales using machine learning and other AI methods. The German Federal Ministry for Economic Affairs and Climate Protection (BMWK) will provide almost two million euros in funding for the MOUSE project (Multiscale and Multiphysical Models and Simulations for Wind Energy) over four years. The Oldenburg branch of the Fraunhofer Institute for Wind Energy Systems (IWES) is also taking part in the project.

The team at the University of Oldenburg plans to use the calculations to develop new methods for operating wind farms and individual turbines to improve their adaptation to changing wind flow conditions. The sub-project at the Fraunhofer IWES will test the suitability of these new methods for application in the wind energy industry. The overall goal is to use the findings of the project to accelerate innovation in wind turbine design and contribute to providing plant operators with a better digital overview of operations in the long term.

Part of the funding will go towards expanding a high-performance computing cluster which was acquired for the ForWind Centre for Wind Energy Research, a joint institution for researchers from the universities of Oldenburg, Hanover and Bremen, with a grant of approximately 1.5 million euros secured by Lukassen from the Lower Saxony Ministry of Science (MWK) in December 2021. „The numerical simulation calculations planned for the MOUSE project require enormous computing power,“ explains Lukassen, who is Junior Professor for Computational Fluid Dynamics with a special focus on wind physics at Oldenburg.

Numerical simulations calculate approximate solutions to complex physical equations. In the new project, the researchers will investigate atmospheric air currents and their interaction with the ocean, also with a focus on elastic deformation of the wind turbines. The calculations will encompass physical processes of various scales, simulating large weather systems covering hundreds of kilometres as well as small-scale turbulences which remain stable for only a few minutes.

„To optimize the quality of the simulations, we combine them with artificial intelligence methods such as machine learning,“ Lukassen underlines. „The goal is to reduce computing times and enhance the precision of the simulations.“

PR: Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg

PB: Numerische Simulationen in der Windenergieforschung erfordern enorme Rechenleistung. Ein Teil der Fördermittel des MOUSE-Projekts wird für den Ausbau eines Hochleistungsrechenclusters verwendet. / Numerical simulations in wind energy research require enormous computing power. Part of the funding for the MOUSE project will be used to expand a high-performance computing cluster. / Photo: University of Oldenburg