Oblodzenie turbin wiatrowych: przyczyny, zagrożenia i prognozy dla krótkoterminowych sprzedawców energii elektrycznej

Wraz ze spadkiem temperatur rośnie produkcja energii wiatrowej i zapotrzebowanie na energię elektryczną, co stwarza atrakcyjne możliwości dla producentów energii wiatrowej i krótkoterminowych inwestorów. Jednak zima niesie ze sobą również poważne wyzwanie: oblodzenie turbin. Zjawisko to może szybko zniweczyć korzyści płynące z sezonu, zagrażając zarówno bezpieczeństwu turbin, jak i koniunkturze rynkowej.

Na rynkach Europy Północnej i Zachodniej, gdzie udział odnawialnych źródeł energii jest zależny od pogody, oblodzenie, choć rzadkie, jest główną przyczyną ogólnego braku równowagi. Na przykład, nordyccy krótkoterminowi sprzedawcy energii elektrycznej prawdopodobnie pamiętają zeszłoroczny wzrost liczby zakłóceń spowodowanych oblodzeniem . Podsumowując ogólny wpływ oblodzenia, analityk ds. prognoz z firmy zajmującej się energią odnawialną, z którą współpracujemy, powiedział:

„W naszym portfelu lądowych farm wiatrowych, dziesięć najdroższych dni stanowiło 50% rocznych kosztów bilansowania. Pięć z tych dni było spowodowanych stratami mocy spowodowanymi oblodzeniem.”

Aby pomóc Ci przygotować się na zimę, w tym artykule omówiono złożoność zjawiska oblodzenia, od czynników meteorologicznych i mechaniki turbin po strategie łagodzenia skutków i zaawansowane prognozowanie zdarzeń oblodzenia.

Co jest przyczyną oblodzenia łopat turbin wiatrowych?

Sezon oblodzenia trwa zazwyczaj od listopada do marca, ale może trwać od października do kwietnia. Na przykład w Niemczech oblodzenie wystąpiło pod koniec kwietnia tego roku.

Oblodzenie powstaje w wyniku połączenia temperatur zamarzania (-2°C lub niższych) i wilgoci (deszczu lub przechłodzonych kropel). Krople pozostają ciekłe w atmosferze, gdzie brakuje im punktu nukleacji, czyli powierzchni lub cząstki, która mogłaby je zamrozić. W momencie kontaktu z powierzchniami – takimi jak łopaty turbin wiatrowych – szybko zamarzają.

W zależności od lokalizacji turbiny i wysokości, różne kombinacje temperatury i wilgotności będą powodować występowanie różnych faz oblodzenia :

Oblodzenie wewnątrz chmur powstaje, gdy przechłodzone krople z chmur docierają do łopatek turbin i zamarzają. Obejmuje ono:

• Szron : szorstka, zmrożona warstwa, która tworzy się w temperaturach poniżej zera (pomiędzy -4°C a -12°C), podobna do lodu na dnie zamrażarki.
• Lód lodowy: Gładszy, cięższy lód, który tworzy się podczas marznącego deszczu lub w temperaturach nieznacznie poniżej 0°C do -4°C.

Opadowe oblodzenie powstaje w wyniku marznącego deszczu i mokrego śniegu i prowadzi do gromadzenia się mokrego śniegu lub czarnego lodu.

Morskie farmy wiatrowe są generalnie mniej narażone, ponieważ sól w powietrzu obniża temperaturę zamarzania, utrudniając tworzenie się lodu. Mimo to zamarznięte morze pozostaje problematyczne, ponieważ dryfujący lód może docierać do fundamentów turbin.

Warto zauważyć, że wzrost globalnych temperatur spowodowany zmianami klimatu niekoniecznie oznacza mniejszą liczbę oblodzeń. Zwiększona częstotliwość burz i poziom wilgotności mogą prowadzić do nasilenia się oblodzenia w niektórych regionach.

Co dzieje się z turbiną wiatrową podczas oblodzenia?

Łopaty turbin wiatrowych mają kształt skrzydła, który obraca się głównie w oparciu o siłę nośną generowaną przez wiatr. Podczas pracy w mroźnych i wilgotnych warunkach opisanych powyżej, wilgoć w powietrzu zamarza na łopatach i zaczyna się gromadzić – proces ten nazywa się akrecją lodu.

Każda dodatkowa masa z lodu zmienia aerodynamikę łopaty – jej kształt i wagę – wpływając tym samym na interakcję z wiatrem. Powoduje to zwiększenie naprężeń mechanicznych na wirniku, przez co turbina wytwarza mniej energii elektrycznej niż gdyby łopaty były wolne od lodu.

Wraz ze wzrostem prędkości wiatru problem się pogarsza. Gdy wirniki obracają się szybciej, łopaty lekko się uginają pod wpływem ciśnienia wiatru. Lód jest jednak sztywny i nie ugina się. Zamiast tego odłamuje się w dużych kawałkach, co może być niebezpieczne dla wszystkiego i osób w pobliżu. W poważnych przypadkach lód może spowodować utratę równowagi turbiny, co prowadzi do jej uszkodzenia, a nawet awarii.

W dłuższej perspektywie, powtarzające się narastanie lodu może uszkodzić podzespoły turbiny, zwiększyć koszty konserwacji i skrócić ich żywotność z powodu obciążenia mechanizmów wewnętrznych. Poza wpływem na eksploatację, oblodzenie ma również znaczący wpływ na rynek, co zostanie pokazane w następnym rozdziale.

Jaki wpływ ma oblodzenie na rynek energii?

Dodatkowa masa lodu na łopatach drastycznie obniża wydajność turbiny. Nawet niewielkie oblodzenie może spowodować chropowatość powierzchni łopat turbiny, co znacznie obniży ich wydajność. Gdy turbiny są pokryte lodem, ich produkcja energii znacznie spada.

Ponadto, bryły lodu spadające z turbin stanowią poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa personelu pracującego na farmach wiatrowych, gości i przechodniów. Ze względów bezpieczeństwa turbiny wiatrowe są często wyłączane, ręcznie lub automatycznie, na cały okres oblodzenia.

Jaka jest skala utraty mocy? Badania terenowe wykazały utratę mocy nawet do 80% podczas oblodzenia i ponad 20% rocznej produkcji.

Co więcej, nagłe i rozległe spadki produkcji energii elektrycznej spowodowane oblodzeniem – często obejmujące całe parki wiatrowe, a nawet regiony – mogą prowadzić do znacznych niedoborów energii elektrycznej. Aby przywrócić równowagę, operatorzy sieci muszą aktywować rezerwy, co podnosi ceny niezbilansowania. Koszty tych interwencji obciążają podmioty odpowiedzialne za bilansowanie (BRP). W takich przypadkach dokładny wpływ finansowy oblodzenia na wyniki handlowe zależy od kilku czynników, takich jak dostępność usług systemowych w celu zrekompensowania strat mocy, obciążenie resztkowe systemu lub zachowanie innych uczestników rynku.

Ogólnie rzecz biorąc, chociaż powszechne przypadki oblodzenia setek turbin zdarzają się rzadko, wynikające z tego koszty niezrównoważenia mogą być ekstremalne. W rezultacie, krótkoterminowi sprzedawcy energii elektrycznej mogą ponieść ogromne straty, jeśli ich prognoza mocy na następny dzień nie uwzględnia oblodzenia. Na podstawie spostrzeżeń naszych klientów ustaliliśmy, że błędnie prognozowane przypadki oblodzenia mogą odpowiadać nawet za 25% rocznych kosztów bilansowania.

Jak wykryć oblodzenie turbiny?

Aby złagodzić skutki oblodzenia, większość operatorów turbin oferuje dodatkowe czujniki, powłoki lub usługi wykrywania, zapobiegania lub usuwania lodu z łopat, na przykład poprzez podgrzewanie łopat wirnika; jednym z takich przykładów jest system zapobiegania oblodzeniu firmy Topwind . Dostępne są zarówno systemy w pełni automatyczne, jak i monitorowane przez człowieka.

Przy niewielkim ryzyku oblodzenia operator turbiny może zdecydować o jej dalszym działaniu, natomiast w przypadku poważnego zagrożenia systemy automatyczne mogą ją automatycznie wyłączyć. Często w podejmowaniu decyzji o wznowieniu pracy bierze udział człowiek.

Chociaż systemy te pomagają w łagodzeniu problemów z wydajnością i bezpieczeństwem związanych z oblodzeniem, nie są one idealne dla krótkoterminowych inwestorów w energię elektryczną, ponieważ nie prognozują wolumenu niezrównoważenia. Co więcej, sygnały z czujników zamontowanych na ostrzach pojawią się po wystąpieniu oblodzenia, a oferty na rynku dnia następnego zostały już złożone. W niektórych przypadkach zarządzający aktywami powiadamiają inwestorów tylko o zamknięciu spowodowanym oblodzeniem, chyba że jest to wymagane umową.

Dlatego solidna strategia handlowa z wyprzedzeniem powinna uwzględniać oblodzenie, aby zminimalizować ryzyko wolumetryczne wynikające z utraty zasilania, najlepiej zapewniając prognozy z pięciodniowym wyprzedzeniem. Chociaż takie rozwiązania są dostępne w krajach nordyckich, ich dostępność w Europie Zachodniej jest ograniczona, gdzie inwestorzy często opierają się na prognozach pogody i osobistych doświadczeniach, aby przewidzieć wystąpienie oblodzenia.

Dlaczego tak trudno jest prawidłowo prognozować oblodzenie?

Prognozowanie oblodzenia nie jest powszechnie dostępne, ponieważ jest to problem trudny do rozwiązania. Na tę złożoność wpływają trzy główne czynniki.

Ograniczenia modeli pogodowych

Warunki pogodowe prowadzące do oblodzenia są bardzo specyficzne, lokalne i szybko się zmieniają. Czynniki te zazwyczaj nie są dokładnie uwzględniane w większości prognoz pogody, ponieważ koncentrują się one bardziej na poziomach powierzchniowych niż na dokładnej i pełnej obserwacji turbin wiatrowych. Co więcej, chociaż niektóre modele pogodowe oferują zmienne umożliwiające automatyczną diagnozę marznącego deszczu, nie zawsze są one wiarygodne; niektóre modele pogodowe generują również wiele fałszywych alarmów.

Idealne rozwiązanie wymagałoby czujników i szczegółowego modelowania właściwości turbiny – aerodynamiki, wysokości, materiałów, gęstości energii przenoszonej przez materiały – a także warunków lokalnych, co jest niezwykle kosztowne.

Niedobór danych

Ponieważ zjawisko oblodzenia zdarza się rzadko – można go spodziewać się tylko kilka razy w roku w miesiącach zimowych – nie ma zbyt wielu danych dotyczących jego występowania i wynikających z niego strat mocy na turbinach lub w parkach wiatrowych.

Zmienny czas trwania zjawisk oblodzenia

Wreszcie, nawet gdyby przewidywanie oblodzenia było proste, nie wystarczyłoby do rozwiązania problemu dla producentów energii lub handlowców; nadal musieliby oni wiedzieć, jak długo będzie trwało oblodzenie, aby określić, kiedy turbiny będą mogły ponownie pracować z pełną wydajnością. Czas trwania oblodzenia obejmuje okres wzrostu, zalegania, topnienia lub usuwania lodu i może wynosić od godziny do jednego dnia.

Biorąc pod uwagę wszystkie powyższe czynniki, skąd możemy wiedzieć, czy prognoza oblodzenia jest rzeczywiście przydatna w krótkoterminowych operacjach handlowych?

Jak ocenić prognozę oblodzenia?

Prognoza oblodzenia to sygnał binarny; zdarzenie jest albo oczekiwane, albo nie. Poniższa macierz stanowi użyteczne narzędzie matematyczne do oceny tej prognozy. Formuły wykorzystują liczbę wyników „prawda/fałsz” (pozytywnych lub negatywnych), aby zwrócić trzy metryki, z których każda dostarcza wglądu w różne aspekty wydajności modelu predykcyjnego.

• Precyzja : Ile rzeczy, które przewidziałeś jako „pozytywne” (np. oblodzenie) okazało się prawidłowych?
• Przypomnij sobie: Ile spośród wszystkich pozytywnych przypadków udało Ci się skutecznie przewidzieć?
• Dokładność : Ogólna poprawność modelu, pokazująca jak często prognozy (pozytywne lub negatywne) okazały się trafne.

Niemniej jednak, dobrze działający model oblodzenia nie gwarantuje optymalnych krótkoterminowych wyników handlowych. W przypadku decyzji handlowych, „wystarczająco dobra” prognoza oblodzenia nie polega na tym, że jest trafna średnio, ale na przewidywaniu zdarzeń oblodzenia o wysokiej stawce na rynkach energii. Duże wolumeny nierównowagi przy dużych spreadach cenowych są bardzo kosztowne, dlatego posiadanie dokładnej prognozy w tych momentach jest kluczowe.

Innymi słowy, nawet jeśli prognoza okazjonalnie zwraca fałszywie pozytywne wyniki, warto ją wykorzystać w strategii handlowej, o ile korzyści płynące z trafności prognozy w najbardziej odpowiednim momencie przeważają nad kosztami fałszywie pozytywnych wyników. Zatem ocena prognozy oblodzenia ostatecznie sprowadza się do jej wartości dla zysku netto.

Aby dokładniej zgłębić temat oceny, możesz również pobrać nasz dokument informacyjny na temat oceny prognoz mocy w punktach pomiarowych .

Jak Dexter przewiduje oblodzenie?

W październiku 2023 roku wprowadziliśmy funkcję oblodzenia w naszej prognozie mocy wiatrowej , opracowaną w celu wsparcia krótkoterminowych decyzji handlowych. Nasze podejście oparte na danych wykorzystuje ponad 500 TB prognoz pogody, danych z czujników turbin, pomiarów obciążenia na poziomie parku oraz parametrów pogodowych na poziomie turbin, aby zapewnić:

• Prognozy oblodzenia (probabilistyczne);
• Prognozy wpływu z automatycznymi korektami w przypadku utraty wydajności;
• Alarmowanie mające na celu zwiększenie czujności i zarządzania ryzykiem.

Jak wyjaśniono wcześniej w tym artykule, prognozowanie wpływu oblodzenia na krótkoterminowe rynki energii elektrycznej pozostaje zbyt trudne, aby automatyzacja mogła w pełni go rozwiązać; dlatego interwencja człowieka jest nadal niezbędna. Aby uzyskać więcej informacji na temat równowagi między człowiekiem a maszyną, zapoznaj się z tym artykułem na temat naszego podejścia do prognozowania energetyki wiatrowej z uwzględnieniem czynnika ludzkiego .

Dzięki integracji naszej opartej na uczeniu maszynowym i wsparciu człowieka funkcji oblodzenia ze strategiami handlu zimowego nasi klienci odnotowali w ubiegłym roku wymierne oszczędności w kosztach bilansowania, a w tym sezonie spodziewamy się jeszcze lepszych wyników.

Czy jesteś gotowy na sezon lukru?

W tym blogu przedstawiliśmy najważniejsze fakty, które należy wziąć pod uwagę w kontekście oblodzenia tej zimy. Podsumowując:

• Oblodzenie turbin wiatrowych występuje w chłodniejszym klimacie od października do kwietnia na skutek ujemnych temperatur i wilgoci w powietrzu;
• W miarę jak lód gromadzi się na łopatkach turbiny, zmienia się ich aerodynamika, co wpływa na interakcję z wiatrem i powoduje utratę energii;
• Straty mocy odzwierciedlają się na krótkoterminowych rynkach energii w postaci skoków cen niezbilansowanych, co prowadzi do wysokich kosztów bilansowania;
• Zjawiska związane z oblodzeniem są trudne do przewidzenia ze względu na ograniczenia modeli pogodowych, brak danych i zmienny czas trwania;
• Krótkoterminowi inwestorzy w energię wiatrową powinni uwzględnić w swojej strategii prognozy oblodzenia, aby zminimalizować wolumeny nierównowagi przy dużych różnicach cenowych.

W Dexter Energy rozumiemy, że udany cykl handlowy to nie tylko trafne przewidywanie pogody, ale także podejmowanie właściwych decyzji we właściwym momencie rynkowym. Skontaktuj się z nami , aby upewnić się, że Twoja strategia jest oparta na wiarygodnej prognozie mocy, która pomoże Ci poradzić sobie z oblodzeniami tej zimy.