MaxWEP – Maximum Wind Energy Production

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/501949

Short description (English)

This project aims at exploring different methods to estimate the local wind energy potential in the complex terrain of Switzerland. We try to find spatial-temporal wind patterns that would not be represented in previous assessments. We propose a combination of locally measured wind data with numerical simulation, and a sophisticated machine learning technique, to investigate the potential of the wind energy harvesting in the complex alpine terrain.

Final report (German)

Das Ziel dieses Projekts war es, das Potenzial des Windes über komplexem Gelände als Energiequelle im Winter in der Schweiz zu erforschen. Es wurde eine Bewertungsmethode entwickelt, die auf Kurzzeit-Windprofilmessungen mit einem WindLidar und Langzeitmessungen von meteorologischen Stationen basiert. Durch maschinelles Lernen wurden diese Messungen mit einem bestimmten Standort verbunden. COSMO-Daten wurden mithilfe des hochauflösenden numerischen Wettermodells (WRF) zur Erstellung einer Karte des kurzzeitigen räumlichen Musters der lokalen Windgeschwindigkeitspotenzials und vorherrschender Wettermuster genutzt. Darüber hinaus verwenden wir Wind-Topo, ein sehr aktuelles Modell für maschinelles Lernen, welches das Windpotenzial mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung vorhersagt, um zunächst die WRF-Simulationen und dann die jährlichen Durchschnittswerte zu reproduzieren. Die Jahresmittelwerte werden als Vergleichsbasis mit dem Schweizer Windatlas verwendet. Dieser Bericht enthält die lokale Luftströmungsanalyse auf der Grundlage von zwei Messkampagnen in La Stadera, in der Nähe des Lukmanierpasses, GR, und in Cabane, Glacier3000 in der Nähe von Les Diablerets, VD, als Beispiele für die 3D-Windbeurteilung in komplexem Terrain. Darüber hinaus wurde eine frühere Bewertung in der Ostschweiz mit Wind-Topo neu berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass der Schweizer Windatlas eine gute Schätzung des Windpotenzials an den beiden Messstandorten liefert und dass die räumlichen Muster vergleichbar, aber nicht identisch mit Wind-Topo sind. Die eingehende Analyse der räumlichen Muster sowohl von Wind-Topo als auch von WRF legt nahe, dass Gebiete mit hohem Windpotenzial vom Windatlas übersehen werden können, insbesondere in Hanglagen und Tälern. Die hier vorgestellte räumliche Analyse hat nur eine begrenzte Gültigkeit und wir schlagen vor, diese Effekte weiter zu untersuchen und den Schweizer Windatlas mit einer höheren zeitlichen und räumlichen Auflösung zu aktualisieren. Dies erscheint notwendig, um die Umstellung des Schweizer Stromversorgungssystems auf erneuerbare Energiequellen zu unterstützen und zu fördern.

Final report (English)

The objective of this project has been to explore the potential of the wind over complex terrain, as an energy source during wintertime in Switzerland. A wind assessment method is developed based on short-term wind profile measurements with a wind lidar, long-duration meteorological station measurements, which are connected via machine learning to a specific site. Driving a high-resolution numerical weather model (WRF) with COSMO model as an input, we create a map of the spatial pattern of the local wind speed potential for short episodes of predominating weather patterns. We further use Wind-Topo, a very recent machine learning model, which predicts wind potential at high spatial and temporal resolution, to reproduce first the WRF simulations and then yearly averages. The yearly averages are used as a basis of comparison with the Swiss wind atlas. This report provides the local air flow analysis based on two measurement campaigns at La Stadera, near the Lukmanier Pass, GR, and at Cabane, Glacier3000 near Les Diablerets, VD, as examples of 3D wind assessment in complex terrain. Furthermore, a previous assessment in Eastern Switzerland is re-calculated with Wind-Topo. The results show that the Swiss wind atlas provides a good estimate of wind potential at the two measurement sites and that spatial patterns are comparable but not identical to Wind-Topo. The in-depth analysis of spatial patterns from both, Wind-Topo and WRF, suggest that areas of high wind potential may be missed by the wind atlas in particular in slopes and valleys. The spatial analysis presented here has limited validation and we suggest further investigation of these effects and an update of the Swiss wind atlas at higher temporal and spatial resolution. This appears necessary to assist and promote the transition of the Swiss electricity supply system towards renewable energy resources.

Related documents

• Final Report 2022 [PDF] 4'034 kB

Final report (French)

L'objectif de ce projet était d'étudier le potentiel du vent au-dessus d'un terrain complexe comme source d'énergie en hiver en Suisse. Une méthode d'évaluation a été développée, basée sur des mesures de profil de vent à court terme avec un WindLidar et des mesures à long terme de stations météorologiques. Grâce à l'apprentissage automatique, ces mesures ont été associées à un site spécifique. Les données COSMO ont été utilisées à l'aide du modèle météorologique numérique à haute résolution (WRF) pour créer une carte du modèle spatial à court terme du potentiel de vitesse du vent local et des modèles météorologiques dominants. En outre, nous utilisons Wind-Topo, un modèle d'apprentissage automatique très récent qui prédit le potentiel éolien avec une résolution spatiale et temporelle élevée, pour reproduire d'abord les simulations WRF, puis les moyennes annuelles. Les moyennes annuelles sont utilisées comme base de comparaison avec l'Atlas éolien suisse. Ce rapport contient l'analyse locale de l'écoulement de l'air basée sur deux campagnes de mesure à La Stadera, près du col du Lukmanier, GR, et à Cabane, Glacier3000, près des Diablerets, VD, comme exemples d'évaluation 3D du vent sur un terrain complexe. En outre, une évaluation antérieure en Suisse orientale a été recalculée avec Wind-Topo. Les résultats montrent que l'Atlas éolien suisse fournit une bonne estimation du potentiel éolien sur les deux sites de mesure et que les modèles spatiaux sont comparables, mais pas identiques à ceux de Wind-Topo. L'analyse approfondie des modèles spatiaux tant de Wind-Topo que de WRF suggère que des zones à fort potentiel éolien peuvent être ignorées par l'atlas éolien, en particulier sur les versants et dans les vallées. L'analyse spatiale présentée ici n'a qu'une validité limitée et nous proposons de poursuivre l'étude de ces effets et de mettre à jour l'atlas éolien suisse avec une résolution temporelle et spatiale plus élevée. Cela semble nécessaire pour soutenir et encourager la transition du système d'approvisionnement électrique suisse vers les sources d'énergie renouvelables.