{"id":1779,"date":"2022-05-17T11:35:41","date_gmt":"2022-05-17T11:35:41","guid":{"rendered":"https:\/\/websites.fraunhofer.de\/iwes-blog\/?p=1779"},"modified":"2024-05-03T08:40:33","modified_gmt":"2024-05-03T08:40:33","slug":"grossskalige-windparkeffekte-ein-zentraler-beitrag-zum-wirtschaftlichen-betrieb-eines-windparks","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/websites.fraunhofer.de\/iwes-blog\/grossskalige-windparkeffekte-ein-zentraler-beitrag-zum-wirtschaftlichen-betrieb-eines-windparks\/martin-doerenkaemper","title":{"rendered":"Gro\u00dfskalige Windparkeffekte – Ein zentraler Beitrag zum wirtschaftlichen Betrieb eines Windparks?"},"content":{"rendered":"\n

<\/a>Bereits seit dem Beginn der Errichtung der ersten Windparks in den 1980er Jahren war der Einfluss der Windenergieanlagen auf die Str\u00f6mung \u2013 der sogenannte Nachlaufeffekt \u2013 ein Schwerpunkt vieler Untersuchungen nicht nur in der Windenergieforschung, sondern auch in industriellen Anwendungen. Als Nachlauf wird der von der Rotorfl\u00e4che stromabw\u00e4rts befindliche Bereich bezeichnet. Auf Grund des Impulsentzugs aus der Str\u00f6mung weist dieser Bereich eine reduzierte Windgeschwindigkeit und durch die Vermischung des Rotors einen erh\u00f6hten Grad an Turbulenz auf.<\/p>\n\n\n\n

Relevanz der Nachlaufverluste Onshore und Offshore<\/h3>\n\n\n\n

Bei bestimmten Windrichtungen- und geschwindigkeiten und dichten Abst\u00e4nden zwischen den Anlagen k\u00f6nnen die Nachlaufverluste bis zu 30 % betragen – sowohl an Onshore- als auch an Offshore-Standorten. Ein optimiertes Layout f\u00fcr einen typischen Offshore-Windpark sorgt jedoch daf\u00fcr, dass die Nachlaufverluste insgesamt im Bereich von 10 % oder weniger des potenziellen Jahresenergieertrags liegen. Die Nachlaufeffekte sind daher einer der Hauptfaktoren, die Gutachter*innen und Wissenschaftler*innen in Betracht ziehen, wenn sie den zuk\u00fcnftig zu erwartenden Ertrag eines geplanten Windparks berechnen. Durch die h\u00f6heren Umgebungsturbulenzen in der Anstr\u00f6mung und damit einhergehende Durchmischung sind Onshore-Nachlaufverluste \u00fcblicherweise weniger stark ausgepr\u00e4gt als Offshore-Verluste. Das Windgeschwindigkeitsdefizit hinter dem Rotor ist somit schnell reduziert. \u00dcber dem Meer f\u00fchrt die ebenere Oberfl\u00e4che zu einer konstanteren Windgeschwindigkeits\u00adverteilung mit der H\u00f6he und damit einer betr\u00e4chtlich weniger turbulenten Windressource als an Onshore-Standorten. Hieraus folgt, dass Offshore-Nachlaufeffekte langlebiger sind und sich typischerweise \u00fcber gr\u00f6\u00dfere Entfernungen erstrecken k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n

In den letzten Jahren wurden immer gr\u00f6\u00dfere Windparks errichtet. Moderne Offshore-Windparks z\u00e4hlen heutzutage stellenweise deutlich mehr als einhundert Windenergieanlagen. Solche gro\u00dfen Windparks sind in vielen Offshore-Ausbaugebieten weltweit zu finden, wie in der Nordsee in Europa, an der US-Ostk\u00fcste in Nordamerika und in der Formosastra\u00dfe zwischen China und Taiwan. Mehrere Offshore-Windparks in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander definieren sogenannte Windparkcluster: Diese Windparkcluster k\u00f6nnen mehrere Gigawatt installierter Leistung umfassen und daher betr\u00e4chtliche Energiemengen aus der Str\u00f6mung ernten und sie in elektrische Energie umwandeln. An Land existieren sehr gro\u00dfe Windparks und Windparkcluster nur in weniger dicht besiedelten Gebieten wie den Great-Plains der USA und in Nordchina.

Seit Beginn der modernen Windenergienutzung wurden einfache Modelle verwendet, um Nachlaufverluste auszuwerten und die Leistungsabgabe eines Windparks zu berechnen. Diese in den letzten 40 Jahren entwickelten Modelle reichen von sehr einfachen technischen Ans\u00e4tzen, die den Nachlauf einfach nur \u00fcber eine hutf\u00f6rmige oder gau\u00dff\u00f6rmige Zone mit reduzierter Windgeschwindigkeit ber\u00fccksichtigen, bis hin zu aufwendigen turbulenzaufl\u00f6senden Large-Eddy Simulationen (LES). Wegen der hohen Berechnungskosten f\u00fcr gr\u00f6\u00dfere Windparksimulationen k\u00f6nnen LES von Windparkclustern derzeit nur auf modernen H\u00f6chstleistungsrechnern durchgef\u00fchrt werden. Sie sind jedoch ein sehr sinnvolles Werkzeug f\u00fcr vertiefte wissenschaftliche Nachlauf\u00aduntersuchungen. W\u00e4hrend einerseits Nachlaufmodelle in der Planungsphase von Windparks gute Absch\u00e4tzungen der erwarteten Ertr\u00e4ge erm\u00f6glichen, ist andererseits die Unsicherheit bei der Nachlaufmodellierung immer noch einer der gr\u00f6\u00dften Beitr\u00e4ge zur Gesamtunsicherheit, die letztendlich oft auch die Finanzierungskosten von Windparkprojekten bestimmt. Dies erkl\u00e4rt auch, warum Forschungsgruppen auf der ganzen Welt an einem besseren Verst\u00e4ndnis der Nachlaufeffekte sowie an der Verbesserung der Modelle auf unterschiedlichen Genauigkeitsebenen arbeiten.<\/p>\n\n\n\n

Clusternachl\u00e4ufe und der Global Blockage Effekt<\/h3>\n\n\n\n

Gro\u00dfe Windparks und Windparkcluster gewinnen nicht nur eine gro\u00dfe Menge an Energie aus der Str\u00f6mung, sondern sind auch ein beachtliches Hindernis, das die atmosph\u00e4rische Str\u00f6mung passieren muss. Neben den Nachlaufeffekten stromabw\u00e4rts gro\u00dfskaliger Cluster ist daher auch der Global Blockage Effekt (GBE) ein viel betrachtetes Str\u00f6mungsph\u00e4nomen.<\/p>\n\n\n\n

Nachlaufeffekte bei Clustern k\u00f6nnen sich bei gro\u00dfen Windparks und Windparkclustern bis zu 100 km windabw\u00e4rts erstrecken, wie Messungen mit bemannten Flugzeugen zeigen. Die Auswirkungen dieser Cluster-Nachlaufeffekte werden derzeit im vom Fraunhofer IWES koordinierten Projekt X-Wakes<\/a> untersucht. Diese Cluster-Nachl\u00e4ufe sind nur bei bestimmten atmosph\u00e4rischen Bedingungen besonders langlebig, insbesondere bei stabilen geschichteten Bedingungen. Diese entstehen, wenn die Meeresoberfl\u00e4che k\u00e4lter ist als die Luft dar\u00fcber. Ist die Meeresoberfl\u00e4che w\u00e4rmer als die dar\u00fcber liegende Luft, verschwinden Nachl\u00e4ufe oft innerhalb der ersten Kilometer stromabw\u00e4rts des Windparks. Es ist immer noch schwierig, den Gesamteinfluss langreichweitiger Cluster-Nachlaufeffekte \u00fcber die gesamte Lebensdauer eines Windparks zu berechnen. Wegen der mit diesen Windparkclustern einhergehenden gro\u00dfen Skalen erfordert die Evaluierung der Nachlaufeffekte Modelle, die Rechengebiete der Gr\u00f6\u00dfenordnung von mehreren hundert Kilometern erfassen k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n

F\u00fcr diesen Zweck gibt es einerseits einfache Top-Down-Ans\u00e4tze, die die erwartete Beeinflussung von gro\u00dfen Windparkinstallationen in Bezug auf beispielsweise eine stark vereinfachte Energiebilanz berechnen. Auch wenn diese Modelle helfen, die Sensitivit\u00e4t verschiedener Konfigurationen schnell zu untersuchen, sind sie gleichzeitig stark vereinfacht und beziehen nicht die tats\u00e4chlichen Formen der Windparks ein, sondern berechnen nur den Einfluss idealisierter unendlicher Windparks auf die Str\u00f6mung.<\/p>\n\n\n\n

Andererseits wurden Windparkparametrierungen f\u00fcr numerische Modelle der Windvorhersage \u2013 sogenannte mesoskalige Modelle – entwickelt, die f\u00fcr gro\u00dfr\u00e4umigere Skalen und lange Zeitr\u00e4ume geeignet sind. Insbesondere in den letzten zehn Jahren wurden diese Modelle f\u00fcr wissenschaftliche Einzelfalluntersuchungen verwendet und f\u00fcr einzelne Str\u00f6mungsverh\u00e4ltnisse validiert, beispielsweise mithilfe der oben erw\u00e4hnten Daten fluggest\u00fctzter Messungen. Validierungen \u00fcber l\u00e4ngere Zeitr\u00e4ume wie mehrere Monate oder sogar Jahre mit Ertragsdaten von Windparks gibt es nur wenige. Sie sind aktueller Forschungsgegenstand.<\/p>\n\n\n\n

\"Windfeld
Abbildung 1: Windfeld von mesoskaligen Szenarienberechnungen im Kontext der Erstellung eines neuen Fl\u00e4chenentwicklungsplans. \u00a9 Fraunhofer IWES<\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

K\u00fcrzlich wurden durch das Fraunhofer IWES diese mesoskaligen Szenarienrechnungen auch im Kontext der Windparkplanung verwendet. Abbildung 1 zeigt die Windgeschwindigkeit in etwa 100 m H\u00f6he, eine f\u00fcr die Deutsche Bucht typische Nabenh\u00f6he, in der die Auswirkung von zuk\u00fcnftig geplanten Windparks in der Deutschen Bucht berechnet wurden. Einerseits sind gro\u00dfe Fl\u00e4chen mit reduzierten Windgeschwindigkeiten sichtbar, insbesondere in der Mitte der gro\u00dfen zuk\u00fcnftigen Windparkcluster. Andererseits ist sichtbar, dass Gebiete ohne Windparks wie z.B. Schifffahrtsstra\u00dfen oder Naturschutzgebiete zu einer Erholung des Windfelds f\u00fchren. Die Modellierung von gro\u00dfskaligen Windparks mit mesoskaligen Modellen ist daher sehr gut geeignet, die Auswirkung potenzieller zuk\u00fcnftiger Entwicklungspl\u00e4ne zu evaluieren.<\/p>\n\n\n\n

Ein weiteres wichtiges Str\u00f6mungsmerkmal, das mit der Entwicklung gro\u00dfer Windparks einhergeht, ist der sogenannte GBE. Der GBE beschreibt den kumulativen Effekt des Aufstauens der Str\u00f6mung durch die windparkinduzierte Str\u00f6mungsbehinderung. F\u00fcr eine einzelne Windenergieanlagen wird dieser Effekt typischerweise Induktion genannt und erstreckt sich \u00fcber eine Entfernung von etwa zwei bis drei Rotordurchmesser von der Turbine windaufw\u00e4rts. Im Fall gr\u00f6\u00dferer Offshore-Windparks und Windparkcluster zeigten numerische Untersuchungen und auch erste Messungen stromaufw\u00e4rts der Anlagen gr\u00f6\u00dfere Bereiche mit einer reduzierten Windgeschwindigkeit. Die massive Struktur staut hier die Str\u00f6mung in der unteren Atmosph\u00e4re. Die Gr\u00f6\u00dfe des globalen Staueffekts h\u00e4ngt von der Gr\u00f6\u00dfe des Windparks, seines Layouts, der Anlagendichte und den atmosph\u00e4rischen Str\u00f6mungsverh\u00e4ltnissen ab. In Bezug auf die j\u00e4hrliche Energieerzeugung verursacht der globale Staueffekt typischerweise eine Beeintr\u00e4chtigung im niedrigen einstelligen Prozentbereich. Bei stark optimierten Windparks k\u00f6nnen jedoch selbst diese relativ kleinen Zahlen heute eine signifikante finanzielle Rolle spielen.<\/p>\n\n\n\n

Das derzeit laufende Projekt \u201eGlobal Blockage Effect in Offshore Wind\u201c (OWA GlobE)<\/a> ist eine internationale, industriegef\u00fchrte Initiative, die eine gro\u00dfe Offshore-Windkampagne begonnen hat, um den Staueffekt in gro\u00dfen Offshore-Windparkclustern zu verstehen. Ziel ist es, Validierungsdaten f\u00fcr die Entwicklung schneller, pr\u00e4ziserer Modelle f\u00fcr die Windparkplanung bereitzustellen. Das Fraunhofer IWES kooperiert durch das Projekt X-Wakes mit dem OWA GloBE Projekt.<\/p>\n\n\n\n

Ausblick: Was muss als n\u00e4chstes getan werden?<\/h3>\n\n\n\n

Zusammenfassend gesagt, ergeben sich durch gro\u00dfr\u00e4umige Windparkentwicklungen neue Fragen, die neue Modellierungstechniken und auch Validierungsdaten f\u00fcr diese Modelle erfordern. Der Zuwachs an Rechenleistung und die Forschung an neuen Modellierungsans\u00e4tzen haben geholfen, in den letzten Jahren die Erkenntnisse zu gro\u00dfskaligen Windparkeffekten erheblich zu erweitern.  <\/p>\n\n\n\n

Zuk\u00fcnftige Forschung wird helfen, die Unsicherheiten noch weiter zu verringern und dadurch die Stromgestehungskosten durch eine wirtschaftlichere Windparkplanung und dessen Betrieb zu verringern. Daher arbeitet das Fraunhofer IWES weiterhin an der Entwicklung neuerer Modellierungstechniken und deren Validierung und unterst\u00fctzt dadurch eine kosteneffektivere, weltweite Expansion der Windenergie.<\/p>\n\n\n\n

Mehr Informationen hier:<\/h3>\n\n\n\n

ILES Summer School 2021 (fraunhofer.de)<\/a>
<\/a>Anwendungszentrum ILES (fraunhofer.de)<\/a>
<\/a>Hydrogen Labs (fraunhofer.de)<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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