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26.11.2018

Erstmals Folgen von Windschatten durch Windparks berechnet

Anlass

Windräder bremsen den Wind und verwirbeln die Luft hinter den Rotoren. Genau wegen dieses Wake-Effekts werden einzelne Windräder ja in bestimmten Mindestabständen zueinander aufgestellt. Forscher aus den USA berichten nun in der kommenden Ausgabe von Nature Energy: Diese Zonen reichen weit und können den Ertrag von Parks auf der Leeseite des vorangehenden um bis zu fünf Prozent reduzieren. Das Team stützt sich auf den Vergleich von drei Windparks in Texas, von denen zwei nur wenige hundert Meter voneinander entfernt stehen, aber auch auf atmosphärische und wirtschaftliche Modelle. Der wake-Effekt kann bis zu 50 Kilometer weit reichen, offshore sogar noch weiter.Um unnötige Verluste oder Rechtsstreitigkeiten zu vermeiden, regen die Wissenschaftler an, generell Regeln für den Aufbau von Windparks aufzustellen, die den Einfluss anderer Parks in der Nähe berücksichtigen.

Übersicht

  • Dr. Martin Dörenkämper, Abteilung Aerodynamik, CFD und stochastische Dynamik, Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES), Kassel, und
    Dr. Björn Witha, Energiemeteorologie, Zentrum für Windenergieforschung (ForWind), Carl von Ossietzky Universität, Oldenburg
  • Prof. Dr. Stefan Emeis, Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-IFU), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Garmisch-Partenkirchen

Statements

Dr. Martin Dörenkämper

Abteilung Aerodynamik, CFD und stochastische Dynamik, Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES), Kassel und
Dr. Björn Witha
Energiemeteorologie, Zentrum für Windenergieforschung (ForWind), Carl von Ossietzky Universität, Oldenburg

„Generell halten wir die Studie für interessant und potenziell auch relevant für Deutschland (onshore, aber insbesondere auch offshore). Jedoch ist es in Deutschland generell so, dass Onshore-Windparks zum einen kleiner sind und es hier mittlerweile auch mehrere Jahrzehnte Erfahrung in der Beeinflussung von Windparks untereinander gibt.“

„Offshore werden die Windparks auch in Deutschland in Form von großen Windparkclustern gebaut, zwischen denen dann üblicherweise Distanzen von einigen 10 Kilometern sind. Lange Nachläufe von 50 Kilometern und teilweise mehr wurden aus Satellitendaten schon öfters vermessen und auch numerische Modelle (Studien, die in Oldenburg von uns durchgeführt wurden [4]) deuten unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen darauf hin. Wie stark diese sehr langen Nachläufe sich jedoch im Bezug auf den Gesamtertrag der Windparks über mehrere Jahre oder Jahrzehnte auswirken, ist Gegenstand aktueller Forschung auch in Deutschland. Belastbare Aussagen mit realistischen Annahmen gibt es dazu unseres Wissens nach noch nicht.“

„Relevanz hätte das in Europa insbesondere entlang der Landesgrenzen on-, wie auch offshore, da die Planung des Aufbaus Sache des jeweiligen Landes ist.“

Prof. Dr. Stefan Emeis

Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-IFU), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Garmisch-Partenkirchen

„Die Arbeit von Lundquist et al. (Primärquelle) ist korrekt und wichtig. Sie basiert unter anderem auch auf den von uns in WIPAFF („WIndPArk FernFelder“) erzielten Ergebnissen [1, Anm.7]. Zudem wurde auch die bei ihr unter Nr. 46 zitierte Arbeit von meinem Doktoranden Simon Siedersleben im Rahmen von WIPAFF am KIT erbracht.“

„Die Arbeit der US-Forscher geht einen wichtigen Schritt weiter als bisherige Arbeiten, in dem sie die wirtschaftliche Auswirkung von Nachläufen für Windparkbetreiber abschätzt, die im Schatten bestehender oder später errichteter Windparks arbeiten müssen. Schließlich analysiert sie noch die rechtliche Situation, ob sich ein Windparkbetreiber eine solche Abschattung gefallen lassen muss. Solche Analysen lagen bisher nicht vor.“

„Die gefundenen finanziellen Einbußen können als Indiz für die Größe der Auswirkungen von Nachläufen auch für deutsche Windparks genommen werden. Allerdings müsste jede Kombination von Windparks separat durchgerechnet werden, da Größe und Abstand der Windparks voneinander und das lokale Windklima eine wichtige Rolle spielen. Die rechtliche Situation in Deutschland müsste von hierfür spezialisierten Juristen beurteilt werden.“

„Die Arbeit von Lundquist et al. (2018) hat vor allem für den weiteren Ausbau der Offshore-Windparks auch für Deutschland Bedeutung. Trotz der logistischen Randbedingungen in der Nordsee (Wassertiefen, Stromtransport an Land, Schifffahrtsstraßen, Naturschutzgebiete, etc.) sollte man versuchen, die Abstände zwischen den einzelnen Windparks in der Nordsee zu vergrößern, um die gegenseitige Abschattung möglichst gering zu halten. Auch um spätere juristische Streitigkeiten zu vermeiden, sollten die derzeit in der Planung benutzten Nachlauf-Modelle der Windkraftindustrie auf den neuesten Stand gebracht werden.“

„Die Arbeiten an der Aktualisierung dieser Nachlauf-Modelle für die Windkraftindustrie hat unser Partner UL International GmbH in WIPAFF bereits begonnen. Die bisher in WIPAFF durchgeführten Flugzeugmessungen und Modellaktualisierungen sind aber nur ein Anfang. Daher hat das WIPAFF- Konsortium zusammen mit zwei weiteren Partnern den Förderstellen einen Nachfolge-Antrag vorgelegt, um diese Arbeiten auf eine breitere Datenbasis zu stellen und die Nachlauf-Modelle noch belastbarer zu machen. Dazu sollen ganze Cluster von Windparks in der Nordsee in den Fokus genommen werden. Die Arbeit Lundquist et al. (2018) kommt genau zur rechten Zeit und bestätigt die Notwendigkeit der Forschungsarbeiten, wie wir sie jetzt beantragt haben.“

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Prof. Dr. Stefan Emeis: „Ich sehe keinen Interessenskonflikt, der mich an einer Stellungnahme hindern würde.
Frau Lundquist ist mir bekannt, zuletzt sah ich sie persönlich auf der AMS-Tagung in Seattle (Washington, USA) im Januar 2017. Wir haben keine gemeinsamen Forschungsprojekte.
Mein Doktorand, Herr Simon Siedersleben, war im Herbst 2017 für drei Monate in ihrem Institut in Boulder (Colorado, USA) zu einem Forschungsaufenthalt.“

Alle anderen:
Keine angegeben.

Zusätzliche Hintergrundinformationen:

Prof. Dr. Stefan Emeis:

„Die Existenz der Nachläufe von Windturbinen ist seit Jahrzehnten bekannt. Bei kleineren Windturbinen und Windparks an Land wurde ihr lange Zeit keine große Bedeutung zugemessen. Mit der in den letzten Jahren zunehmenden Größe der einzelnen Windturbinen (Multi-MW Anlagen) und größeren Windparks nimmt die Größe und Länge der Nachläufe zu und wird immer relevanter. Darauf habe ich bereits 2010 hingewiesen und ein einfaches Modell entwickelt, mit dem die Länge von Windpark-Nachläufen abgeschätzt werden kann [2]. Dieses Modell zeigt die Abhängigkeit der Länge von Nachläufen von Untergrundrauigkeit und thermischer Schichtung der Luft. Nachläufe von einigen zehn Kilometer Länge werden damit für Offshore-Windparks bei stabiler Schichtung vorhergesagt. Die Arbeitsgruppe von Frau Lundquist hat schon 2012 Simulationsergebnisse mit dem Strömungsmodell WRF vorgelegt, die teilweise noch längere Nachläufe zeigen [3].“


„Wegen der Wichtigkeit dieser Frage für den weiteren Ausbau der Windkraftnutzung in Deutschland fördert das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie Forschungsarbeiten zu Nachläufen im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms. Hierzu gehört auch das von mir geleitete Verbundforschungsvorhaben WIPAFF („WIndPArk FernFelder“, Förderkennzeichen 0325783, Laufzeit Nov. 2015 bis April 2019), das sich mit der Messung und Modellierung von Nachläufen der Offshore- Windparks in der deutschen Nordsee befasst. An diesem vom KIT geleiteten Verbundvorhaben sind auch die TU Braunschweig, die Uni Tübingen, das Helmholtz-Zentrum Geesthacht und die UL International GmbH in Wilhelmshaven beteiligt. Flugzeugmessungen der TU Braunschweig im Rahmen von WIPAFF hinter großen Nordsee-Windparks haben 2016 und 2017 erstmals den Beweis erbracht, dass die von den zuvor genannten Modellen prognostizierten langen Nachläufe wirklich vorhanden sind. Das wurde von uns im Februar 2018 publiziert [1] und diese Arbeit wird auch in Lundquist et al. (2018) als Nr. 7 zitiert. Genau auf diesen Messungen im Rahmen von WIPAFF basiert die gleich im ersten Absatz von Lundquist et al. (2018) genannte Länge von Nachläufen von 45 km.“

Primärquelle

Lundquist JK et al. (2018): Cost and Consequences of wind turbine wake effects arising from uncoordinated wind energy developement. Nature Energy; DOI: 10.1038/s41560-018-0281-2. URL (nach Ablauf des Embargos): www.nature.com/articles/s41560-018-0281-2

Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden

[1] Platis, A et al. (2018): First in situ evidence of wakes in the far field behind offshore wind farms. Scientific Reports, 8, 2163. DOI: 10.1038/s41598-018-20389-y. URL: www.nature.com/articles/s41598-018-20389-y

[2] Emeis, S (2010): A simple analytical wind park model considering atmospheric stability. Wind Energy, 13, 459- 469. DOI: 10.1002/we.367 URL: onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/we.367

[3] Fitch, A C et al. (2012): Local and mesoscale impacts of wind farms as parameterized in a mesoscale NWP model. Mon. Weather Rev. 140, 3017–3038. DOI: 10.1175/MWR-D-11-00352.1 URL: journals.ametsoc.org/doi/10.1175/MWR-D-11-00352.1

[4] Kühn, M, Schneemann, J (2017): Analyse der Abschattungsverluste und Nachlaufturbulenzcharakteristika großer Offshore-Windparks durch Vergleich von "alpha ventus" und "Riffgat" ("GW Wakes") : Abschlussbericht des Verbund-Forschungsprojekts RAVE, Research at Alpha Ventus. DOI: 10.2314/GBV:886719402 URL: www.tib.eu/de/suchen/id/TIBKAT%3A886719402/