Um Strom zu erzeugen, entziehen Windenergieanlagen dem Wind kinetische Energie und wandeln diese in elektrische um. Dadurch entsteht ein Windschatten. Bildlich wird dieser Effekt auch im Segelsport: Das führende Boot interagiert direkt mit dem ungestörten Windfeld, während das nachfolgende Boot in einem Bereich reduzierter Strömungsgeschwindigkeit segelt.
Je mehr Abstand zwischen den Windenergieanlagen ist, desto mehr kann sich der Wind wieder »erholen«. Das heißt, der Windschatten – der sogenannte Abschattungseffekt – nimmt ab und die Leistung der hinteren Windenergieanlage ist vergleichsweise höher. Bei der Planung von Windparks wird daher das Windparklayout entsprechend der vorherrschenden Windrichtung ausgelegt und Abstände der Anlagen in diese Richtung maximiert.
Unsere Kollegen Dr. Lukas Vollmer und Dr. Martin Dörenkämper berechnen die Windverhältnisse in Offshore-Windparks und entwickeln Simulationsmodelle für diese Anwendungen weiter. Im Interview sprechen sie über ihre Forschungsarbeit, warum aktuelle Modelle vermutlich nicht ausreichen, um künftige Windparks zu berechnen, und wie grundlegend die europäische Zusammenarbeit zu diesem Thema ist.
Redaktion: Welchen Einfluss haben Abschattungseffekte auf die Stromproduktion und die Lebensdauer von Windenergieanlagen?
Lukas: Gäbe es keine Abschattungseffekte, wäre die Stromproduktion höher – aber das ist natürlich ein rein hypothetisches Szenario, da Windenergieanlagen in Windparks immer interagieren. Auf die Lebensdauer gerechnet, wirken unterschiedliche Effekte ein: Anlagen, die in der Mitte von Windparks stehen, sind im Mittel geringeren Windgeschwindigkeiten ausgesetzt. Auf der anderen Seite sind dort die Turbulenzen durch die Vermischung des sich drehenden Rotors höher.
Es kommt auf die Bauteile der Windenergieanlagen an, ob ihre Lebensdauer durch die höheren Turbulenzen abnimmt oder durch die geringere mittlere Windgeschwindigkeit leicht zunimmt. Es gibt daher gegenläufige Effekte auch bei der Lebensdauer; im Mittel wird jedoch angenommen, dass die Lebensdauer bei einer Anlage, die mittig in einem Windpark steht, geringer ist als bei einer, die frei steht.
Redaktion: Gibt es Unterschiede zwischen Onshore- und Offshore-Windparks?
Lukas: Der wesentliche Unterschied ist, dass es Onshore – gerade in Europa aber insbesondere in Deutschland – einfach aufgrund der Landnutzung nicht so große Windparks gibt wie Offshore, wo Windparks und Windparkcluster mit mehr als 100 Anlagen gebaut werden. Daneben gibt es Onshore viele Erhebungen wie Hügel, Berge und auch verschiedene Landnutzung wie Bäume und Häuser. Dadurch ist der Wind viel turbulenter. Dies bewirkt eine schnellere Durchmischung zwischen dem energiearmen Nachlauf und der ungestörten Strömung und führt dazu, dass sich die Nachläufe oder Abschattungseffekte hinter den Windenergieanlagen schneller »erholen«.
Martin: Meteorologisch gibt es einen weiteren Effekt: Während sich in Offshore-Windparks die atmosphärischen Bedingungen über das Jahr hinweg ändern, weil das Wasser nur sehr träge dem Jahresgang der Einstrahlung der Sonne folgt, sieht man diesen Zyklus bei Onshore-Windparks tatsächlich an einem Tag. An Land ist nachts der Boden kühler als die Luft darüber und tagsüber wieder umgekehrt. Über dem Wasser ist es vor allem im Frühjahr so, dass die Luft schon warm, die Wasseroberfläche jedoch noch kalt ist. Der Zyklus ist hier somit durch einen Jahresgang geprägt, Onshore dagegen durch einen Tagesgang. Dementsprechend ändern sich teilweise auch die Windverhältnisse oder die Wirkdauern von Abschattungseffekten. Wenn der Boden kalt und die Luft darüber eher warm sind, sehen wir Offshore eher längere Abschattungseffekte – zum Beispiel im Frühjahr.
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Redaktion: Wie lassen sich Abschattungseffekte minimieren?
Lukas: Eine mögliche Lösung ist es, die Anordnung der Windenergieanlagen anzupassen, und nicht so viele Windenergieanlagen in einer großen Gruppe und auf eng begrenzter Fläche zu bauen. Das sind im Grunde die Hauptstellschrauben. Es gibt Ansätze, Abschattungseffekte zwischen Einzelanlagen auch durch gezielte Anlagensteuerung zu minimieren. Das spielt bisher jedoch eher eine untergeordnete Rolle.
Redaktion: Ihr berechnet Prognosen, wie sich die Windverhältnisse mit einem weiteren Ausbau der Windenergie Offshore verändern. Die Ergebnisse sind beispielsweise in den Flächenentwicklungsplan der Nord- und Ostsee des Bundesamts für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) eingeflossen. Welche Methoden oder Modelle verwendet ihr dafür?
Martin: Wir arbeiten mit einem Wettermodell, das in der Forschung besonders häufig eingesetzt wird: das »Weather Research and Forecasting«-Modell (kurz: WRF), für das es dann eine Windpark-Parametrisierung gibt, also ein vereinfachter Ansatz, wie Windparks dort abgebildet werden können. Damit lässt sich darstellen, wie große Wettersysteme über die Offshore-Gebiete hinwegziehen und wie sich das auf die Abschattungseffekte auswirkt. Das nutzen wir insbesondere für großräumige Ausbauszenarien, zum Beispiel für die gesamte Deutsche Bucht oder sogar für die gesamte Nordsee. Wir haben aber auch schnelle eigene Modelle entwickelt, wie zum Beispiel das Open-Source-Modell FOXES. Es eignet sich besonders für schnelle Abschätzungen der Abschattungseffekte, die auch eine hinreichende Genauigkeit liefern. Darüber hinaus kann eine Kopplung der Modelle eine detaillierte Planung von Windparks innerhalb der großen Nachlauf-Simulation ermöglichen. Die großräumigen Abschattungseffekte werden dann mit dem Wettermodell berechnet. Zu betrachtende kleine Windparks können mit dem FOXES-Modell berechnet und anschließend integriert werden, um eine Optimierung zu erzielen.
Redaktion: In der Deutschen Bucht sind die Prognosen damit relativ klar. Wie sieht es darüber hinaus mit den resultierenden Abschattungseffekten großer Offshore-Windpark-Cluster aus?
Martin: Genau, für die Deutsche Bucht gibt es einen Plan. Dieser sieht allerdings auch vor, dass wir sehr dicht beieinander liegende Windparks haben werden – mit die dichtesten weltweit. In einigen anderen Ländern gibt es Pläne, die noch nicht so weit fortgeschritten sind. Das heißt, es steht teilweise noch nicht genau fest, auf welchen Flächen ganz konkret das jeweilige Ausbauziel realisiert werden soll. Darüber hinaus ist noch unklar, zu welchem Zeitpunkt welche Windparks gebaut werden sollen. Hier ist eine europäische Abstimmung erforderlich und mit dem Forschungsprojekt EuroWindWakes, das wir gemeinsam mit Partnern aus den Niederlanden und Dänemark durchführen, unterstützen wir das auf wissenschaftlicher Basis.
Die Entscheidungen zu Ausbauzielen sind natürlich politischer Natur und müssen zwischen den einzelnen Ministerien und Planungsbehörden abgestimmt werden. Wir entwickeln Methoden, auf deren Basis gut informierte Entscheidungen getroffen werden können, wie sich die europäische Abstimmung besser durchführen lässt.
Redaktion: In der Ausschreibung für Windenergieanlagen auf See im August 2025 gab es keine Gebote für die zentral voruntersuchten Flächen N-10.1 und N-10.2 in der Deutschen Bucht. Welche Rolle spielen dabei die Abschattungseffekte?
Martin: Die Abschattungseffekte auf diesen beiden Flächen N-10.1 und N-10.2 sind mit die größten in der Deutschen Bucht und damit auch die größten, die es in der gesamten Nordsee voraussichtlich geben wird. Allerdings sind es nicht die Flächen mit den absolut größten Effekten. Diese sind auf Flächen eines benachbarten Clusters zu erwarten, der 2024 erfolgreich vergeben wurde. Die Abschattungseffekte sind also nicht der ausschlaggebende Punkt, sondern auch weitere Aspekte kommen hier zum Tragen – zum Beispiel, welche Vermarktungsbedingungen aktuell vorherrschen. Es geht aber auch darum, wie die Versorgungslage mit Windenergieanlagen und Komponenten ist, da es strikte Deadlines für die Realisierung der Flächen gibt. Das sind alles Themen, die beeinflussen, ob Betreiber und Entwickler ein Angebot abgeben oder nicht.
Redaktion: Welchen weiteren Forschungsbedarf seht ihr?
Lukas: Wir haben jetzt Windparks der Größenordnung von 1 bis 2 Gigawatt – zukünftige Offshore-Windparks oder Cluster von Windparks werden aus mehr als 10 Gigawatt an installierter Leistung bestehen. Die Hauptforschungsfrage ist dann, ob die Modelle für jetzige Windparks auch valide für die zukünftigen größeren Windparks eingesetzt werden können. Dieser Frage gehen wir in mehreren Forschungsprojekten – C²-Wakes, EuroWindWakes, Reallabor 70GW – derzeit nach.
Martin: Da die Windenergieanlagen immer größer werden, gleichzeitig die installierten Gigawatt pro Windpark ebenfalls steigen und Daten zu so großen Parks noch gar nicht vorliegen, ist es wichtig, diese Entwicklung in den nächsten 10 Jahren auch durch Datenanalysen zu begleiten. In den Modellen haben wir viele Annahmen, die wir erst validieren können, wenn diese zukünftigen Anlagen und Windparks auch in Betrieb sind. Idealerweise müsste auch das dann mit europäischen Partnern erfolgen.
Redaktion: Welche Missverständnisse rund um Abschattungen und Energieverluste bei Windparks begegnen euch häufig in der öffentlichen Debatte?
Martin: Es gab in England zuletzt eine große Diskussion zum Thema »wind theft«, auf Deutsch Winddiebstahl. Dabei ging es darum, dass die Abschattungseffekte besonders groß seien, und dann fälschlicherweise so getan wurde, als ob die Modelle nicht in der Lage wären, sie vorherzusagen. Dabei war es in diesen Fällen tatsächlich oft eine nicht vorhandene Flächenplanung. Also ein Betreiber hat einen neuen Nachbarwindpark bekommen, der in Hauptwindrichtung vor ihm stand und dieser Windpark wurde vorher in keiner Planung berücksichtigt. Dann ist natürlich völlig untergeordnet, wie genau das Modell die Abschattungseffekte berechnen kann. Der Windpark spielte vorher schlicht keine Rolle.
Lukas: Es gibt gerade immer mal wieder die Diskussion, dass man mit 55 Gigawatt an Leistung in der Nordsee genauso viel Energie erzeugen könnte wie mit 70 Gigawatt an Leistung. Das ist jedoch falsch; man könnte auf keinen Fall auf derselben Fläche mit weniger installierter Leistung genauso viel Energie erzeugen, sondern man müsste die zur Verfügung stehende Fläche dafür signifikant vergrößern.
Martin: Oftmals wird von großem Optimierungspotenzial für kleinere Windparks gesprochen. Ein großes Optimierungspotenzial kann sich in der speziellen Situation ergeben, wenn zwei oder wenige Anlagen in Hauptwindrichtung hintereinanderstehen. Dann gibt es schon bei einzelnen Konfigurationen Möglichkeiten, zehn Prozent mehr Ertrag herauszuholen – einfach dadurch, dass die Anlagen anders platziert werden. Das ist in großen ausgebauten Windparkclustern so jedoch nicht möglich, da sehr viele Windenergieanlagen auf einer großen Fläche bereits verteilt sind.
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Redaktion: Welche Herausforderungen seht ihr beim Erreichen des 70 GW Ziels?
Martin: Schlüssel zum Erfolg sind eine bestehende Supply Chain und einsatzbereite Häfen – die gesamte Infrastruktur bedingt letztlich einen erheblichen Umbau der küstennahen Wirtschaftsstruktur. Hinzu kommt die Herausforderung der Netzanbindung.
Redaktion: Was sind weitere Einsatzfelder für eure Berechnungen?
Martin: Die Fragen der Wirtschaftlichkeit rücken immer mehr in den Fokus: Wie lassen sich Flächen wirtschaftlich und langfristig betreiben, also auch wenn es später um Laufzeitverlängerung und Rückbau geht. Oder auch, wie sich Installation und Betrieb optimieren lassen. Wir arbeiten sehr intensiv daran, unsere Modelle mit anderen Modellen am Fraunhofer IWES (z. B. denen der Offshore-Logistik) zu verknüpfen, um zur Wirtschaftlichkeit Aussagen treffen zu können. Wir rechnen dann nicht nur Gigawattstunden und Terawattstunden aus, sondern auch Kostenindizes und können dadurch Aussagen darüber treffen, welche wirtschaftlichen Auswirkungen aus den Szenarien folgen.
Unsere Modelle ermitteln Ertragszeitreihen und können damit relativ gut abbilden, in welchem Ausbauszenario wann welche Strommengen erzeugt werden. Hier konnten wir die Netzentwicklungsplanung mit einer Begleitstudie unterstützen, die dann von der Bundesnetzagentur zusammen mit den Übertragungsnetzbetreibern durchgeführt wird.
Redaktion: Danke euch für das Gespräch.
Weitere Informationen:
Zu Betrieb, Weiterbetrieb, Installation und Deinstallation sowie De-Commissioning der Parks ist kürzlich ein Bericht vom BDEW erschienen – unter dem Aspekt, dass man in Zukunft kleinere Windparkflächen eher zu größeren zusammenfassen möchte: BDEW-Studie: Offshore-Windparks bis 35 Jahre effizient weiterbetreiben | BDEW
Die im Text erwähnten Berichte zu den Abschattungseffekten sind öffentlich zugänglich und hier einsehbar:
Endbericht – Weiterentwicklung der Rahmenbedingungen zur Planung von Windenergieanlagen auf See und Netzanbindungssystemen
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2767/9/092024