X-Wakes: Interaktion der Nachläufe großer Offshore-Windparks und Windparkcluster mit der marinen atmosphärischen Grenzschicht

Auf einen Blick

• In der Energieversorgung mit erneuerbaren Energien spielt die Offshore-Windenergie eine tragende Rolle.
• Angesichts der begrenzten nutzbaren Flächen werden Offshore-Windparks in Gruppen, so genannten Clustern errichtet.
• Als Folge beeinflussen sich die Windparks und die einzelnen Anlagen gegenseitig. Im Windschatten hinter den Anlagen entstehen sogenannte Nachlaufströmungen (Wakes) mit geringeren Windgeschwindigkeiten und stärkeren Turbulenzen.
• Ziel des Projekts X-Wakes ist eine Erfassung der Veränderungen der Windbedingungen für den Betrieb von Offshore-Windparkclustern bei großflächigem Ausbau.
• Dazu werden mit verschiedenen Messmethoden Daten erfasst, auf deren Basis Modelle für künftige Ausbauszenarien entwickelt werden können.
• Das Fraunhofer IWES ist für die Weiterentwicklung von mesoskaligen Modellen und Industriemodellen hinsichtlich der Parametrisierung von sehr großen Windparks und Windparkclustern verantwortlich

Herausforderung

Die Pläne der Bundesregierung für die Energiewende sehen vor, dass erneuerbare Energien bis zum Jahr 2050 einen Anteil von mindestens 80 Prozent des Bruttostromverbrauchs decken sollen. Eine wesentliche Säule ist hierbei die Offshore-Windenergie. Doch die für Windenergie nutzbare Fläche in der Deutschen Bucht ist begrenzt, daher werden die Windparks meist in Gruppen, sogenannten Windparkclustern, gebaut. Solche Cluster können aus mehreren hundert Windturbinen bestehen. Im Windschatten hinter den Anlagen entstehen Nachlaufströmungen (Wakes) mit geringeren Windgeschwindigkeiten und stärkeren Turbulenzen. Unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen können sich diese Nachlaufströmungen über Entfernungen von mehr als 50 Kilometern erstrecken.

Lösung

Im Forschungsprojekt X-Wakes untersucht das Fraunhofer IWES gemeinsam mit sechs weiteren Partnern diese Nachläufe und andere kumulative Effekte, wie den „Global Blockage Effect“ um herauszufinden, wie sich die Windparkcluster gegenseitig beeinflussen und welche Auswirkungen ein großflächiger Ausbau der Offshore-Windparks auf die zukünftigen Windverhältnisse haben wird. Mit den Messergebnissen des Projekts werden Computermodelle weiterentwickelt, um mit diesen die Erträge der Windparks für künftige Ausbauszenarien unter realistischen Bedingungen vorhersagen zu können.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten dabei mit einer Kombination aus sich ergänzenden Methoden. Stationäre Messungen per LiDAR an verschiedenen Standorten in der Deutschen Bucht liefern kontinuierlich meteorologische Daten. Mit Hilfe von satellitenbasierten Fernerkundungsdaten wird die Ausdehnung der Nachläufe großflächig analysiert. Messkampagnen mit einem Forschungsflugzeug in geringer Flughöhe liefern zusätzlich hochaufgelöste meteorologische Daten.

Mehrwert

Das Fraunhofer IWES ist im Teilprojekt X-Wakes-A für die Weiterentwicklung von mesoskaligen Modellen hinsichtlich der Parametrisierung von Windparks verantwortlich. Hierzu wird die Windparkparametrisierung im Weather Research and Forecasting (WRF) Modell weiterentwickelt und mit den Messdaten des Projekts validiert. Das Modell wird anschließend zur Berechnung der Auswirkung von realistischen Szenarien des Offshore-Ausbaus verwendet. Zudem werden im Teilprojekt des Fraunhofer IWES Methoden für Industriemodelle zur Verbesserung der Darstellung der Nachläufe großer Windparks und Windparkcluster sowie Küsteneffekte abgeleitet und dokumentiert.