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28.06.2021

Bringen kleinere Offshore-Windparks höhere Stromerträge als große?

Anlass

Kleine Cluster von Windturbinen könnten einen höheren Energieertrag pro Fläche erreichen als ausgedehnte Windparks. Das schreiben US-Forscher in der PNAS-Ausgabe vom 28.06.2021 (siehe Primärquelle). Die Forscher hatten mit Hilfe eines 3D-Modells bei Windparks unterschiedlicher Größe und Anordnung der einzelnen Windturbinen simuliert, wie die Windverhältnisse innerhalb eines Windparks den Ertrag der anderen Turbinen beeinflusst. Außerdem hatten sie beobachtet, wie weit die Wirbelschleppen hinter einen Windpark reichen und damit den Ertrag anderer Windräder in der Umgebung des Windparks reduzieren könnten. Ihr Ergebnis zeige, so die Forscher, dass kleine Cluster von Windrädern mehr Strom pro Grundfläche erzeugen können als große Windparks. Die Energiedichte bei kleinen Clustern könne bis zu zehn Watt pro Quadratmeter betragen, sehr große Windparks dagegen haben ein Limit von einem Watt pro Quadratmeter. Während die Wirbelschleppen der kleinen Cluster wohlmöglich nur weniger hundert Meter wirken, erstrecken sich die Verwirbelungen der großen Parks über mehrere Dutzend Kilometer.

Die Forscher weisen darauf hin, dass ihre Simulation von idealisierten Daten ausgeht. Trotzdem seien die Ergebnisse für die Anordnung von Offshore-Windparks von großem Nutzen.

Übersicht

     

  • Prof. Dr. Stefan Emeis, Leiter der Arbeitsgruppe Regionale Kopplung von Ökosystem-Atmosphäre-Prozessen, Abteilung Regionale Klima-SystemeInstitut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-IFU), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
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  • Prof.Dr. Po Wen Cheng, Leiter Stuttgarter Lehrstuhl für Windenergie (SWE), Institut für Flugzeugbau, Universität Stuttgart
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Statements

Prof. Dr. Stefan Emeis

Leiter der Arbeitsgruppe Regionale Kopplung von Ökosystem-Atmosphäre-Prozessen, Abteilung Regionale Klima-SystemeInstitut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-IFU), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

„Windparks entziehen bei der Stromerzeugung der Luftströmung Energie. Das heißt, direkt im Lee (Windschatten; Anm. d. Red.) liegende nachfolgende Windparks werden dann schwächer angeströmt und können daher weniger Energie erzeugen. Diese Zonen verringerter Windgeschwindigkeiten in der Luft hinter den Windparks werden Nachläufe (englisch: Wakes) genannt. Allerdings gleicht die Atmosphäre das Energiemanko hinter den Windparks mit der Zeit durch Durchmischung mit ungestörten Luftströmungen neben und über den Windkraftanlagen wieder aus.“„Antonini und Caldeira berechnen in ihrem Aufsatz die Zeit- und Längenskalen, nach denen dieser Ausgleich wieder hergestellt ist. Hierzu benutzen sie theoretische Überlegungen und ein numerisches Strömungsmodell (WRF), das Wettervorhersagemodellen sehr ähnlich ist. Die Windparks werden in diesem Modell als Ganzes parametrisiert, einzelne Turbinen können nicht dargestellt werden. Wesentliche Parameter bei der Parametrisierung der Windparks im Strömungsmodell sind die Leistung und die Dichte der in dem Park installierten Windturbinen und die räumliche Ausdehnung der Windparks. Über den Coriolis-Parameter (in dem Paper mit klein „f“ bezeichnet) wird die geographische Breite vorgegeben, in der die betrachteten Windparks liegen („f“ nimmt zu den Polen hin zu).“

„Das Neue an der PNAS-Studie ist, dass die Längen- und Zeitskalen, nach denen die Nachläufe wieder verschwunden sind, explizit aus theoretischen Überlegungen hergeleitet werden. Die Überlegungen werden dann mit numerischen Strömungssimulationen, die alle erforderlichen Parameter berücksichtigen, überprüft und belegt.“

„Die Ergebnisse des Papers sind überzeugend dargestellt und für die von den Autoren getroffenen Annahmen auch korrekt. In meiner Arbeitsgruppe arbeiten wir mit demselben numerischen Modell und sind mit dem Modell zufrieden.“

„Die Ergebnisse des Papers legen folgende Schlussfolgerungen nahe:

Wenn genügend Platz vorhanden ist, sollten große Windparks in mehrere kleinere Windparks (mit in der Summe gleich viel Turbinen wie beim großen Windpark) aufgespalten werden, da dies den Ertrag pro Windturbine erhöht. Allerdings wird hierfür mehr Fläche benötigt, da die Abstände zwischen den Teilwindparks dazu kommen. Es bleibt somit die Abwägung übrig, was wirtschaftlich teurer ist: der größere Ertragsverlust oder die größere Fläche? Größere Fläche bedeutet nämlich auch aufwändigere Wege bei der Wartung der Anlagen und längere Stromkabel zu den Turbinen.“

„Windparks näher zu den Polen hin können etwas enger aneinandergebaut werden als weiter zum Äquator hin gelegene Windparks, weil die Längenskala, die die räumliche Erstreckung der Nachläufe beschreibt, zu den Polen hin etwas kürzer wird.“

„Warum sind kleine Windparks effektiver als große? Die Nachläufe hinter den Windparks werden durch Vermischung von den Seiten und von oben her wieder aufgelöst. Bei kleinen Windparks ist der relative Beitrag der Vermischung von den Seiten her wesentlich wichtiger als bei sehr großen Parks, wo praktisch nur noch die Vermischung von oben her relevant ist. Zudem sind Nachläufe hinter kleinen Windparks (deutlich weniger als etwa zehn mal zehn Windturbinen im Park) nicht so stark ausgeprägt wie Nachläufe hinter größeren Windparks mit sehr viel mehr Turbinen.“

„Was wurde in der Studie nicht berücksichtigt? Die Studie rechnet mit einer ‚neutralen‘ Atmosphäre, das heißt, es gibt keinen signifikanten Temperaturunterschied zwischen der Wasser- beziehungsweise Bodenoberfläche und den Luftmassen darüber, die die Windparks anströmen. Wenn jetzt aber der Boden (oder das Wasser) unter dem Windpark deutlich kälter ist als die Luft (sogenannte ‚stabile‘ Verhältnisse), dann dauert die Vermischung, die die Nachläufe wieder auflöst, wesentlich länger als in einer ‚neutral‘ geschichteten Atmosphäre. Umgekehrt, bei deutlich wärmeren Boden (Wasser) als die Luft (sogenannte ‚instabile‘ Verhältnisse) geht die Vermischung von Luftmassen und damit die Auflösung von Nachläufen wesentlich schneller.“

„Dieser thermische Einfluss durch die Temperaturunterschiede zwischen Untergrund und Luft ist deutlich größer als der Einfluss des Coriolis-Parameters, der die geographische Breite beschreibt.“

„Fazit: Die Studie ist unter den getroffenen Annahmen richtig. Allerdings wurde ein entscheidender Parameter, die thermische Schichtung, nicht berücksichtigt. So ein Vorgehen ist allerdings in wissenschaftlichen Studien nicht unüblich. Wenn man einen bestimmten Einfluss herausarbeiten möchte, hält man weitere mögliche Einflussparameter konstant.“

„Mein Rat (unabhängig von dem Paper): die thermische Schichtung mitzuberücksichtigen. In der Nordsee ist bei Südwestwinden eher stabile Schichtung zu erwarten, bei Nordwestwinden dagegen eher instabile Schichtung. Das heißt, die Anordnung der Windparks in der Nordsee sollte größere Abstände in der Südwest-Nordost-Richtung vorsehen als in der Nordwest-Südost-Richtung.“

Prof.Dr. Po Wen Cheng

Leiter Stuttgarter Lehrstuhl für Windenergie (SWE), Institut für Flugzeugbau, Universität Stuttgart

„Inhaltlich hat die Studie mehr mit atmosphärischer Physik und atmosphärischer Strömung zu tun, daher würde ich es eher anderen Experten überlassen, sich dazu zu äußern. Ich sehe das als eine abgeleitete Frage aus der Diskussion zwischen Jake Badger vom Department of Wind Energy an der Technical University of Denmark und Axel Kleidon vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena [1].“

„Die Frage, wie dicht man Offshore-Windparks bauen könne, wird seitdem sehr viel diskutiert. Es steht außer Zweifel, dass kleinere Cluster und weniger dicht gebaute Windparks die Strömung und aerodynamische Parkeffizienz begünstigen.“

„Allerdings ist physikalische Effizienz nur ein Aspekt, den man bei Bau von Offshore-Windparks berücksichtigen muss. Energiegestehungskosten sind nicht 100 Prozent identisch mit der Windparkeffizienz. Denken wir an die Verkabelungskosten und den Verlust an Synergie und an die Skaleneffekte bei Bau von Trafostationen, Wartung und weitere, dann kann man fast mit Sicherheit behaupten, dass kleinere Windparks höhere Kosten haben als größere Windparks, auch wenn die kleineren eine höhere Windpark-Effizienz haben. Hinzu kommt noch das Interesse von der Fischerei, Schifffahrt und Militär, die Fläche für Offshore-Windparks zu begrenzen. Die Fläche bleibt eine Mangelware. Oft ist der Bau von Offshore-Windpark ein Kompromiss von allen möglichen Einflussfaktoren, gepaart mit einer Optimierung nach physikalischem Gesetz.“

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Alle: Keine Angaben erhalten.

Primärquelle

Antonini et al (2021): Spatial constraints in large-scale expansion of wind power plants. PNAS 2021, 118. DOI: 10.1073/pnas.2103875118

Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden

[1] Deutsch M et al. (2020): Making the most of offshore wind – Re-Evaluating the Potential of Offshore Wind in the German North Sea. Agora Energiewende.