Forschung: Wie verändern Windparks auf See den Wind?

© ForWind - Jörge SchneemannOldenburg - Die Bundesregierung plant bis 2050 einen Ausbau des Regenerativ-Stromanteils auf 80 Prozent des Bruttostromverbrauchs. Eine wichtige Säule dabei ist die Offshore-Windenergie. Wissenschaftler untersuchen nun, wie sich die Windverhältnisse bei einem großflächigen Ausbau der Offshore-Windenergie ändern.

Die in Clustern errichteten Offshore-Windparks wirken sich auf das Windfeld aus. Insbesondere Windenergieanlagen, die sich im Nachlauf befinden, können in ihren Erträgen beeinträchtigt und unter statischen Gesichtspunkten stärker belastet werden. In dem Forschungsprojekt X-Wakes soll untersucht werden, wie sich das Windfeld vor dem Hintergrund des angestrebten Ausbaus der Offshore-Windenergie ändert und mit welchen Erträgen bei verschiedenen Offshore-Ausbauszenarien gerechnet werden kann.

X-Wakes untersucht Einfluss von Offshore-Windparks auf das Windfeld
Der Ausbau der Offshore-Windenergie in Deutschland erfolgt in Offshore-Clustern, in denen jeweils mehrere Windparks mit einer Vielzahl an Windenergieanlagen (WEA) errichtet werden können. Dabei ist bekannt, dass im Windschatten hinter den Anlagen Nachlaufströmungen mit geringeren Windgeschwindigkeiten und stärkeren Turbulenzen entstehen, während der Wind stromaufwärts durch Vorstaueffekte reduziert wird. Das bedeutet, dass Windturbinen, auf die der Nachlauf trifft, weniger Energie erzeugen und stärker belastet werden. Unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen können sich Nachläufe über Entfernungen von mehr als 50 Kilometern erstrecken.

Vor diesem Hintergrund ist Anfang November 2019 das Forschungsprojekt X-Wakes gestartet, in dem die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen untersuchen wollen, wie sich die Windbedingungen in der Deutschen Bucht ändern, wenn Offshore-Windparks großflächig ausgebaut werden. „In unserem Forschungsprojekt X-Wakes wollen wir diese Nachläufe und andere kumulative Effekte, wie den „Global Blockage Effekt“, genauer untersuchen und herausfinden, wie sich die Windparkcluster gegenseitig beeinflussen und welche Auswirkungen ein großflächiger Ausbau der Offshore-Windparks auf die zukünftigen Windverhältnisse haben wird“, so Projektkoordinator Dr. Martin Dörenkämper vom Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES.

Computermodelle prognostizieren Energieerträge für Offshore-Ausbauszenarien
Das Forschungsteam arbeitet im Rahmen der Analysen mit einer Kombination aus sich ergänzenden Methoden. Stationäre Messungen an verschiedenen Standorten in der Deutschen Bucht, z.B. auf WEA, Konverterstationen und Daten aus den FINO-Langzeitbeobachtungen liefern kontinuierlich meteorologische Daten. Mit Hilfe von satellitenbasierten Fernerkundungsdaten soll die Ausdehnung der Nachläufe großflächig analysiert werden. Zusätzlich sind Messkampagnen mit einem Forschungsflugzeug in geringer Flughöhe geplant, die hochaufgelöste meteorologische Daten liefern sollen. „Mit den Messergebnissen des Projekts wollen wir unsere Computermodelle weiterentwickeln, um mit diesen die Erträge der Windparks für künftige Ausbauszenarien unter realistischen Bedingungen vorhersagen zu können“, so Martin Dörenkämper.

Wissenschaftliche Verbundpartner erhalten Unterstützung aus der Wirtschaft
Neben dem Fraunhofer IWES sind sechs weitere Forschungspartner im Verbundprojekt beteiligt: die Technische Universität Braunschweig, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die Universität Oldenburg mit dem Zentrum für Windenergieforschung (ForWind), die Universität Tübingen, das Helmholtz-Zentrum Geesthacht sowie die UL International GmbH. Unterstützt wird das Projektkonsortium durch die assoziierten Partner innogy SE, Vattenfall, RWE Renewables, Nordsee One GmbH und Tennet TSO, die Windparkdaten und den Zugang zu ihrer Offshore-Infrastruktur zur Verfügung stellen. Des Weiteren stehen den Projektpartnern der Deutsche Wetterdienst (DWD) und das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) beratend zur Seite.

Das Projekt X-Wakes „Interaktion der Nachläufe großer Offshore-Windparks und Windparkcluster mit der marinen atmosphärischen Grenzschicht“ hat eine Laufzeit von 3 Jahren und wird mit insgesamt 3,4 Millionen Euro durch das Bundeswirtschaftsministerium unterstützt.