Werbung Verbesserter Algorithmus der EPFL verbessert Prognose der Windstromerzeugung erheblich Forschungs-Mitteilungen Ökologie Techniken-Windkraft Windenergie 2. Februar 2025 Hinweis: Die Bildrechte zu den Beitragsfotos finden Sie am Ende des Artikels Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) um Fernando Porté-Agel haben ein neuronales Netz zur besseren Prognose der Windstromerzeugung trainiert. (WK-intern) – Porté-Agel und sein Postdoc Wenlong Liao haben Eingabevariablen aus einem Wettermodell mit einem signifikanten Einfluss auf die Windenergieerzeugung – Windrichtung, Windgeschwindigkeit, Luftdruck und Temperatur – mit Daten aus Windparks in der Schweiz und weltweit ausgewählt. Das Ziel: Mit besseren Windprognosen könnte die Stromproduktion in Kohle- und Erdgaskraftwerken deutlich reduziert werden. Fossile Kraftwerke laufen dank KI seltener Genau das gelingt mit „Explainable Artificial Intelligence“ (XAI), die nachvollziehbar macht, auf welche Weise dynamische und nicht linear programmierte Systeme wie künstliche neuronale Netze, Deep-Learning-Systeme und genetische Algorithmen zu ihren Ergebnissen kommen. KI-Modelle optimieren XAI ist ein Zweig der Künstlichen Intelligenz (KI), der den Nutzern hilft, einen Blick in die Blackbox der KI-Modelle zu werfen, um zu verstehen, wie ihre Ergebnisse erzeugt werden und ob ihren Prognosen zu trauen ist. In jüngster Zeit hat XAI bei Computer-Vision-Aufgaben wie der Bilderkennung an Bedeutung gewonnen, wo das Verständnis von Modellentscheidungen entscheidend ist. „Damit Netzbetreiber die Windenergie effektiv in ihre intelligenten Netze integrieren können, benötigen sie zuverlässige tägliche Vorhersagen der Windenergieerzeugung mit einer geringen Fehlermarge. Ungenaue Vorhersagen bedeuten, dass die Netzbetreiber in letzter Minute einen Ausgleich schaffen und oft teurere Energie aus fossilen Brennstoffen einsetzen müssen“, so Porté-Agel. Dadurch würden überflüssigerweise die CO2-Emissionen steigen. Die derzeit zur Vorhersage der Windkraftleistung verwendeten Modelle beruhen auf Strömungsdynamik, Wettermodellierung und statistischen Methoden, doch sie weisen eine nicht zu vernachlässigende Fehlerspanne auf. KI hat es den Ingenieuren ermöglicht, die Vorhersagen für die Windenergie zu verbessern, indem sie anhand umfangreicher Daten Muster zwischen Wettermodellvariablen und der Leistungsabgabe von Windturbinen erkennen. CO2-Ausstoß verringern Die meisten KI-Modelle funktionieren den Experten nach derzeit jedoch als Blackboxen. Oftmals sei es schwierig zu verstehen, wie diese zu bestimmten Vorhersagen kommen. XAI geht dieses Problem an, indem es die Modellierungsprozesse, die zu den Vorhersagen führen, transparent macht, was zu glaubwürdigeren und zuverlässigeren Vorhersagen führt, heißt es. „Wir haben vier XAI-Techniken angepasst und Metriken entwickelt, um festzustellen, ob die Interpretation der Daten durch eine Technik zuverlässig ist“, sagt Liao. Als Folge davon reduzierte sich die Fehlerquote bei der Prognose der Windstromerzeugung so weit, dass fossile Kraftwerke tatsächlich nur dann eingesetzt werden müssen, wenn es wirklich nötig ist. „Betreiber von Stromnetzen fühlen sich nicht sehr wohl, wenn sie auf den Einsatz von fossilen Kraftwerken verzichten, wenn sie sich nicht auf die Windstromerzeugung verlasen können“, so Jiannong Fang, KI-Experte an der EPFL. „Mit einem XAI-basierten Ansatz lassen sich jedoch zuverlässigere Prognosen der täglichen Schwankungen der Windenergie erstellen und die CO2-Emissionen verringern.“ By applying techniques from explainable artificial intelligence, engineers can improve users’ confidence in forecasts generated by artificial intelligence models. This approach was recently tested on wind power generation by a team that includes experts from EPFL. Explainable artificial intelligence (XAI) is a branch of AI that helps users to peek inside the black-box of AI models to understand how their output is generated and whether their forecasts can be trusted. Recently, XAI has gained prominence in computer vision tasks such as image recognition, where understanding model decisions is critical. Building on its success in this field, it is now gradually being extended to various fields where trust and transparency are particularly important, including healthcare, transportation, and finance. Researchers at EPFL’s Wind Engineering and Renewable Energy Laboratory (WiRE) have tailored XAI to the black-box AI models used in their field. In a study appearing in Applied Energy, they found that XAI can improve the interpretability of wind power forecasting by providing insight into the string of decisions made by a black-box model and can help identify which variables should be used in a model’s input. “Before grid operators can effectively integrate wind power into their smart grids, they need reliable daily forecasts of wind energy generation with a low margin of error,” says Prof. Fernando Porté-Agel, who’s the head of WiRE. “Inaccurate forecasts mean grid operators have to compensate at the last minute, often using more expensive fossil fuel-based energy.” More credible and reliable predictions The models currently used to forecast wind power output are based on fluid dynamics, weather modeling, and statistical methods – yet they still have a non-negligible margin of error. AI has enabled engineers to improve wind power predictions by using extensive data to identify patterns between weather model variables and wind turbine power output. Most AI models, however, function as „black boxes,“ making it challenging to understand how they arrive at specific predictions. XAI addresses this issue by providing transparency on the modeling processes leading to the forecasts, resulting in more credible and reliable predictions. Most important variables To carry out their study, the research team trained a neural network by selecting input variables from a weather model with a significant influence on wind power generation – such as wind direction, wind speed, air pressure, and temperature – alongside data collected from wind farms in Switzerland and worldwide. “We tailored four XAI techniques and developed metrics for determining whether a technique’s interpretation of the data is reliable,” says Wenlong Liao, the study’s lead author and a postdoc at WiRE. In machine learning, metrics are what engineers use to evaluate the model performance. For example, metrics can show whether the relationship between two variables is causation or correlation. They’re developed for specific applications – diagnosing a medical condition, measuring the number of hours lost to traffic congestion or calculating a company’s stock-market valuation. “In our study, we defined various metrics to evaluate the trustworthiness of XAI techniques. Moreover, trustworthy XAI techniques can pinpoint which variables we should factor into our models to generate reliable forecasts,” says Liao. “We even saw that we could leave certain variables out of our models without making them any less accurate.” More competitive According to Jiannong Fang – an EPFL scientist and co-author of the study – these findings could help make wind power more competitive. “Power system operators won’t feel very comfortable relying on wind power if they don’t understand the internal mechanisms that their forecasting models are based on,” he says. “But with XAI-based approach, models can be diagnosed and upgraded, hence generate more reliable forecasts of daily wind power fluctuations.” PM: EPFL / https://actu.epfl.ch PB: Fernando Porté-Agel (rechts) und Wenlong Liao entwickeln Windprognosen (Foto: Alain Herzog, epfl.ch) Weitere Beiträge:Drohnen erhalten Konformität von TÜV NORD für Inspektion von Rotorblättern und BlitzschutzsystemenRepowering im Windpark Feldheim, drei Enercon E–115 am NetzB&R setzt neue Trends auf der HUSUM WindEnergy