Mehr Ertrag in Offshore-Windparks

Das Fraunhofer-Institut für Wind­energiesysteme IWES untersucht gemeinsam mit seinen Projekt­partnern RWE, ForWind (Universität Oldenburg) sowie dem Helmholtz-Zentrum Hereon im Forschungsprojekt „C²-Wakes – Controlled Cluster Wakes“, wie der Gesamt­energieertrag von Offshore-Windparks erhöht werden kann. Ziel des Projekts ist es, mithilfe einer umfassenden Offshore-Windmess­kampagne und Modellierungen herauszufinden, ob und wie sich großskalige Nachlauf­effekte und der „Global Blockage Effect“ in Zukunft reduzieren lassen. Das Projekt kann somit wesent­liche Beiträge zum Klimaschutz und zur Sicherung einer zuverlässigen und kostengünstigen Energie­versorgung leisten. Weltweit gibt es dazu bisher wenig Forschung. Es wird vom Bundes­ministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) mit insgesamt rund 2,86 Millionen Euro gefördert.

Bis zum Jahr 2030 sollen mindestens achtzig Prozent des Stroms aus erneuerbaren Energien stammen. Die Offshore-Windenergie spielt dabei eine wichtige Rolle, die Ausbaupläne und die damit verbundenen Ausschreibungs­mengen wurden darum stark erhöht: Die deutsche Bundesregierung plant, bis 2030 die Kapazität der Offshore-Windenergie auf mindestens dreißig Gigawatt und bis 2045 auf mindestens siebzig Gigawatt zu erhöhen. Geregelt und gefördert wird dieses Wachstum im Windenergie-auf-See-Gesetz. Die strategische Planung der Flächen ist im Flächen­entwicklungsplan festgeschrieben, sie ist relevant für Konzeption, Bau und Betrieb von Windparks. 

Da die für die Entwicklung von Offshore-Windparks verfügbaren Flächen in der Deutschen Bucht begrenzt sind, ist ein flächen­effizienter Ausbau notwendig, um den maximalen Nutzen aus Offshore-Windenergie zu erzielen. Offshore-Windparks werden daher oft in Gruppen oder Clustern errichtet. Eine genaue Bestimmung der Windpotenziale hilft dabei, den höchst­möglichen Energieertrag auf den Flächen zu erzielen. Im Forschungsprojekt „Controlled Cluster Wakes“, kurz C²-Wakes, untersuchen Wissen­schaftlerinnen und Wissenschaftler, wie die Planung und der Betrieb von großen Offshore-Windparks und Windpark­clustern verbessert und effizienter gestaltet werden können.

In großen Windpark­clustern können sich Anlagen gegenseitig beeinflussen: Hinter den Anlagen entstehen sogenannte Nachlaufströmungen (Wakes) mit geringeren Windgeschwin­digkeiten und stärkeren Turbulenzen. Eine verbesserte Modellierung und Messung der Nachlaufströmungen ermöglicht daher eine optimierte Standortauswahl und Ressourcen­planung für zukünftige Offshore-Windparks. Die Wissen­schaftlerinnen und Wissenschaftler planen unter anderem zu untersuchen, wie sich Wakes aus verschiedenen Windparks überlagern und wie sich eine nachlauf­optimierte Betriebsführung zur Reduktion dieser Effekte in großen Offshore-Windparks auf interne, aber auch großskalige Wakes auswirkt. 

Dafür sind umfangreiche Messungen und validierte Modelle notwendig. Das Projektteam erhebt daher Daten mittels einer umfassenden Scanning-Lidar-Messkampagne im RWE Offshore-Windpark Amrumbank West nahe Helgoland. Die auf den Gondeln der Windenergie­anlagen installierten Geräte messen die Strömungsfelder im Nachlauf der Windenergie­anlagen. Anhand der gewonnenen Daten können die Wissen­schaftlerinnen und Wissenschaftler analysieren, wie sich die Windgeschwin­digkeiten innerhalb des Windparks entwickeln und auch wie sich interne und großskalige Nachlauf­effekte hinter dem Windpark verändern, wenn die Regelungsstrategie geändert wird, etwa durch die Erprobung einer Nachlauf­ablenkung.

„Wir können im Projekt C²-Wakes auf unsere Ergebnisse aus dem voranvgegangenen Forschungsprojekt X-Wakes zurückgreifen. Hier haben wir grundlegendes Verständnis zur Interaktion von langreich­weitigen Nachlauf­effekten, dem Global Blockage Effect und den Küsten in der Deutschen Bucht erlangt. Diese Ergebnisse helfen uns dabei, zu untersuchen, ob und wie sich großskalige Windpark­effekte beeinflussen lassen. Hierbei kombinieren wir unter anderem Annahmen zu künftigen Anlagen­technologien, Windpark­designs und aktiver Nachlauf­ablenkung“, erklärt Projektleiter Martin Dörenkämper.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissen­schaftler der Universität Oldenburg, ForWind, entwickeln und bewerten im Rahmen des Projekts hochaufgelöste Simulations­methoden und Lidar-Messszenarien. Das Team vom Helmholtz-Zentrum Hereon analysiert Satellitendaten und entwickelt Methoden zur Ableitung von Windfeldern weiter, was wiederum die Frage beantworten soll, wie verschiedene Analagen­technologien, Windpark­strukturen und -layouts auf Nachlauf­effekte reagieren. Auch Offshore-Windparks vor der britischen Küste werden untersucht. Thomas Michel von RWE Offshore Wind sagt: „Wir treiben den Ausbau der Offshore-Windenergie weltweit mit Hochdruck voran. Dabei wollen wir auch die Entwicklung und Demonstration innovativer Lösungen weiter beschleunigen. Mit den Forschungs­ergebnissen des C²-Wakes-Projekts haben wir die Möglichkeit, Offshore-Windkraft noch wirt­schaftlicher und effizienter zu machen.“

Die Offshore-Scanning-Lidar-Messkampagne startete Anfang April mit der Installation von drei Geräten und soll über einen Zeitraum von mindestens sechs Monaten laufen. Die gewonnen Messdaten sollen dafür verwendet werden, im Rahmen des Projekts verbesserte Modelle zu validieren. Das Forschungs­projekt startete im Mai 2023 und wird über drei Jahre andauern. Die Ergebnisse werden neben wissen­schaftlichen Publikationen auch in Form von Handlungs­empfehlungen oder weiterentwickelten OpenSource Software-Tools, wie der Windpark­planungssoftware FOXES, Industrie und Planungs­behörden zur Verfügung gestellt.

Fh.-IWES / JOL