06.05.2022 • Energie

Drohnen analysieren Offshore-Windparks

Messkampagne ermittelt Wirbelschleppen hinter gruppierten Windkraftanlagen.

Die Pläne der Bundes­regierung für die Energiewende sehen vor, dass erneuerbare Energien bis zum Jahr 2030 einen Anteil von mindestens achtzig Prozent des Stromverbrauchs decken sollen. Eine wesent­liche Säule ist hierbei die Offshore-Windenergie. Aufgrund der begrenzten nutzbaren Flächen werden Offshore-Windparks in Clustern errichtet. Als Folge beeinflussen sich die Windparks und die einzelnen Anlagen gegenseitig. Im Wind­schatten hinter den Anlagen entstehen Nachlaufströmungen (Wakes) mit geringeren Windgeschwindigkeiten und stärkeren Turbulenzen. Ziel des vom Fraunhofer-Institut für Windenergie­systeme IWES koor­dinierten Projekts X-Wakes, gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, 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 – ein idealer Auftrag für unbemannte Luftfahrt­systeme.

Abb.: Perspektive eines unbe­mannten Luftfahrzeugs im Anflug auf Helgoland....
Abb.: Perspektive eines unbe­mannten Luftfahrzeugs im Anflug auf Helgoland. (Bild: Fh.-IFAM)

Damit die Auswirkungen eines groß­flächigen Ausbaus von Offshore-Windparks auf die zukünftigen Wind­verhältnisse messbar werden, haben Wissenschaftler und Wissen­schaftlerinnen der Eberhard Karls Universität Tübingen meteorologische Daten erhoben, um die Algorithmen, die zur Berechnung von Winddaten aus Satelliten­überflügen verwendet werden, mit den vor Ort gemessenen Daten zu validieren. Mit Unterstützung des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Material­forschung IFAM kam für diese Aufgabe ein unbemanntes Flugsystem zum Einsatz. Dabei hat das Institut die strategische Planung der zweiwöchigen Flugkampagne federführend vorbereitet. 

„Um für dieses Projekt die erforderlich geringen Flughöhen zu erreichen sowie aus Effizienz­gründen, haben wir uns für die Nutzung eines unbemannten Luftfahrzeugs entschieden. Das Fraunhofer IFAM hat für dieses große Projekt im Vorfeld bei der Planung unterstützt und vor Ort auf Helgoland die Koor­dination übernommen. Hierzu zählten auch die gemeinsame Erarbeitung des Concept of Operations (CONOPS) und dem zugehörigen Specific Operational Risk Assessment (SORA). Auch entsprechende Notfallchecklisten wurden zusammen vorab im Detail definiert. Wir selbst konnten uns so mehr auf das fliegende System, die Messdaten­erfassung und Flugmission konzentrieren“, sagt Ines Weber, Projekt­leiterin und Doktorandin an der Universität Tübingen. 

„Die Umsetzung solcher Flugkampagnen beinhaltet eine Reihe von weiteren Sicherheits­maßnahmen, die mit engen Betriebsabsprachen der luftfahrt­technischen Stellen vor Ort und den vielfältigen Nutzern des Luftraums in der Deutschen Bucht zusammenhängen. Dies beginnt bei der allgemeinen Luftfahrt, Rettungs- und Marine­flieger, der Bundespolizei bis hin zum zivilen Flugplatz und der Schifffahrt. Eine wichtige Rolle spielen dabei auch System­redundanzen, wie beispielsweise das hier eingesetzte duale Kamerasystem, oder die Nutzung von redundanten Tracking- bzw. Kollisions­warnsystemen“, sagt Tim Strohbach, Projektleiter in der Abteilung Qualitäts­sicherung und Cyber-Physische Systeme am Fraunhofer IFAM.

„Während der Messreihen wurde von dem unbe­mannten Luftfahrzeug pro Einsatz eine Strecke von über siebzig Kilometern zurückgelegt. Die maximale Entfernung vom Startplatz entsprach dabei etwas mehr als zwölf Kilometer – also gänzlich außerhalb der Sichtweite. Ein Großteil des Fluges erfolgte dabei in einer Höhe von etwa dreißig Metern über See. Nur im Ab- und Anflug sowie über dem angrenzenden Naturschutz­gebiet wurde in größeren Höhen geflogen, um Störungen für die Flora und Fauna zu minimieren. Zusätzlich begleitete das Forschungs­schiff „Joseph von Fraunhofer“ das Luftfahrzeug in der ersten Flugphase, um so bei potenziellen Problemen eine schnelle Reaktion zu gewährleisten. Auch der Naturschutz­verein „Jordsand“ war mit an Bord, um mögliche Einflüsse auf Seevögel zu beobachten“, erläutert Strohbach. „Insgesamt konnten wir während der gesamten Messkampagne alle Flüge unkompliziert durchführen und die relevanten Daten reibungslos erfassen. Auf dieser Basis können wir nun Modelle für künftige Ausbau­szenarien von Offshore-Windparks entwickeln“, freut sich Weber über die Ergebnisse.

Fh.-IFAM / JOL

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