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10.07.2020

Liefern linksdrehende Windräder mehr Strom?

Anlass

Seit drei Wochen tauchen in Deutschland immer wieder Artikel auf, in denen die Vermutung vertreten wird, linksdrehende Windräder in Windparks auf der Nordhalbkugel könnten bis zu 23 Prozent mehr Strom erzeugen. Das ist insofern interessant, weil sich fast alle Windräder weltweit rechtsherum, also im Uhrzeigersinn drehen, wenn man beim Betrachten mit dem Rücken zum Wind steht. Die Vermutung der Medienberichte beruht auf einer Preprint-Veröffentlichung zweier Autoren des Deutschen Instituts für Luft- und Raumfahrt (DLR) und einer Kollegin der University of Colorado im Windenergiefachblatt „Wind Energy Science“ (siehe Primärquelle). Das Paper befindet sich im Peer-Review-Verfahren, die Kommentare von Fachkollegen sind ebenfalls veröffentlicht. Die Kommentatoren haben die Studie jedoch stark kritisiert. Sie halten die These derzeit für nicht hinreichend belegt und raten von einer Veröffentlichung ohne umfassende vorherige Überarbeitung ab.
Weil die Idee nun aber zirkuliert und inzwischen auch der Bundesverband WindEnergie BWE eine Stellungnahme dazu veröffentlicht hat [I], haben wir das zum Anlass genommen, zum einen von Experten bewerten zu lassen, wie relevant und gut begründet die Studie tatsächlich ist, zum anderen wollen wir einordnen lassen, in welchen Forschungskontext, die Idee fällt, die Effizienz von Windrädern zu steigern und welche wichtigen offenen Fragen es in diesem Bereich gibt – siehe dazu auch [II].

Übersicht

     

  • Prof. Dr. Stefan Emeis, Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-IFU), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Garmisch-Partenkirchen
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  • Dr. Martin Dörenkämper, Wissenschaftlicher Mitarbeiter und Projektleiter und Dr. Bernhard Stoevesandt, Leiter der Abteilung Aerodynamik, CFD und stochastische Dynamik, Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme (IWES), Oldenburg
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  • Prof. Dr. Po Weng Cheng, Leiter des Stuttgarter Lehrstuhls für Windenergie (SWE), Institut für Flugzeugbau, Universität Stuttgar
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  • Dr. Astrid Lampert, Teamleiterin Fluggestützte Meteorologie und Messtechnik, Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig
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Statements

Prof. Dr. Stefan Emeis

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

„Für einzeln stehende Windräder, die sich nicht gegenseitig beeinflussen, kann ich mir keinen Ertragsunterschied zwischen linksdrehenden und rechtsdrehenden Windrädern vorstellen. Für Offshore-Parks kann das Argument der Autoren auch keine große Rolle spielen, da die vertikale Windscherung – die Windzunahme und Winddrehung mit zunehmender Höhe – von Ausnahmesituationen abgesehen, recht gering ist wegen der geringen Reibung an der glatten Wasseroberfläche. Bleiben Onshore-Windparks: Bei ihnen treten die von den Autoren thematisierten starken Windscherungen nur nachts auf. Und sie treten auch nur in Nächten auf, in denen der Himmel weitgehend klar ist und gleichzeitig ein großräumiger Druckgradient besteht. Diese Situation haben wir in Mitteleuropa nur in gut 20 Prozent der Nächte. Das heißt, der von den Autoren postulierte Vorteil von linksdrehenden Anlagen kommt – wenn er überhaupt existiert – nur für Onshore-Windparks in maximal zehn Prozent der Laufzeit zum Tragen. Da er auch im Wesentlichen in kürzeren Sommernächten und kaum in längeren Winternächten auftritt, ist diese Zeit vermutlich noch deutlich unter zehn Prozent.“

„Bei kleineren Windparks wird derzeit vielfach diskutiert, durch geringe Drehungen der Rotorebene der Windräder die Ausbreitungsrichtung der Wirbelschleppen hinter den Windturbinen leicht zu modifizieren. Damit könnte man durch intelligente Betriebssteuerung erreichen, dass die Wirbelschleppen nur selten die hinter ihnen stehenden Turbinen beeinflussen.“

„Bei großen Windparks ist die Leistung nicht durch das Auftreffen einzelner Wirbelschleppen auf die nächsten Turbinen dahinter limitiert, sondern durch die generelle Fähigkeit der Atmosphäre, die von den Windparks geerntete Energie durch turbulente Vermischungsvorgänge aus höheren Luftschichten wieder zu ersetzen. Diese Nachlieferung aus höheren Schichten hängt nur am Turbulenzgrad der Atmosphäre, aber nicht an der speziellen Konfiguration des Windparks oder an der Drehrichtung der Rotoren.“

„Also: Der Effekt, wenn er denn überhaupt existiert, ist weder für Einzelanlagen noch für kleine Windparks noch für sehr große Windparks relevant.“

„Künftige Simulationen sollen und können den Einfluss der thermischen Schichtung der Atmosphäre – unten kalt, oben warm, insgesamt stabil, also wenig Turbulenz in der Anströmung, lange Wirbelschleppen oder unten warm, oben kalt, instabil, also viel Turbulenz in der Anströmung, kurze Wirbelschleppen –, der Oberflächenrauigkeit (Gebirge, Land, Wasser) und des Klimawandels, vor allem veränderte Zugbahnen der Tiefdruckgebiete, berücksichtigen. Die Ausbreitung der Wirbelschleppen kann bereits in den heute verfügbaren numerischen Strömungsmodellen ausreichend berücksichtigt (parametrisiert) werden. Stark vereinfachte analytische Modelle und sogenannte Industriemodelle befinden sich gerade in einem Prozess, bei dem die Parametrisierung der Wirbelschleppen stark verbessert wird. Insofern findet eigentlich alles, was in der Arbeit über die linksdrehenden Turbinen simuliert wird, in den heutigen Modellen Berücksichtigung – außer eben der Drehrichtung. Sie wird nur in hochauflösenden LES-Modellen (Large Eddy Simulation, Berechnung turbulenter Strömungen; Anm. d. Red.) berücksichtigt, in denen einzelne Windturbinen aufgelöst werden. Diese hochauflösenden LES-Modelle sind aber so aufwendig, dass sie nur für Einzelstudien verwendet werden.“

Auf die Frage, an welchen anderen offenen Fragen Wissenschaftler derzeit arbeiten, um Windräder und ihren Einsatz zu verbessern, und welche am wichtigsten sind:
„An größeren Windturbinen – hauptsächlich für den Offshore-Einsatz– undverbesserten Rotorblättern, die den Wind noch effektiver nutzen und an denen weniger Turbulenz entsteht.“

Auf die Frage, woher die unterschiedlichen Drehrichtungen von alten Windmühlen und modernen Windrädern kommen:
„Ich habe ein altes Windenergielehrbuch von vor gut 100 Jahren (‚Die Windkraftmaschinen‘ von Friedrich Neumann aus dem Jahre 1907), in dem die verschiedenen klassischen Windmühlen sehr ausführlich beschrieben sind. Die Drehrichtung wird nicht ein einziges Mal angesprochen. Da hier jahrhundertelange Erfahrung dargestellt wird, hat sich offensichtlich niemals gezeigt, dass eine Drehrichtung besser als die andere sein könnte. Kein Wunder, da es sich fast immer um Einzelanlagen handelte.“

„Als die ersten modernen Windturbinen geplant wurden, hat dabei deshalb auch niemand über die Drehrichtung nachgedacht. Von daher ist davon auszugehen, dass die Drehrichtung weder der alten Windmühlen noch der modernen Windturbinen aufgrund irgendwelcher atmosphärischer Parameter gewählt wurde.“

„Noch einige Schlussbemerkungen zu der vorliegenden Arbeit Englberger et al.: Erstens: Wissenschaftliche Gutachter haben große Probleme mit der Arbeit. Sie ist nur in einem Diskussionsforum erschienen, nicht in einer endgültigen wissenschaftlichen Zeitschrift. Zweitens: Die Arbeit basiert stark auf Annahmen und Voraussetzungen, die in der vorangegangenen Arbeit Englberger et al. [1] gemacht wurden. Auch diese Arbeit erschien vor knapp einem Jahr nur in demselben Diskussionsforum, bekam ebenfalls stark negative wissenschaftliche Gutachten und ist bis heute nicht in einer akzeptierten begutachteten wissenschaftlichen Zeitschrift erschienen. Das begründet erhebliche Zweifel an dem grundsätzlichen Ansatz der Autoren. Drittens: Das in der Arbeit benutzte Vertikalprofil der Windgeschwindigkeit (Gleichung 4) gilt nicht für die atmosphärische Grenzschicht in Bodennähe, sondern für höhere Schichten der Grenzschicht – der sogenannten Ekman-Schicht). Gleichung 4 gibt weder die Höhenvariation der Windgeschwindigkeit in Bodennähe noch den Höhenverlauf der atmosphärischen Turbulenz in der Höhe der Rotorebene der Windkraftanlagen richtig wieder. Viertens: Die Richtungsumkehr in der Rotationsrichtung der Wirbelschleppen in den beiden linken Teilbildern der Abbildung 2 auf Seite acht erscheint mir unsinnig und wird von den Autoren nicht erklärt.“

Dr. Martin Dörenkämper

Wissenschaftlicher Mitarbeiter und Projektleiter, Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme (IWES), Oldenburg

Dr. Bernhard Stoevesandt

Leiter der Abteilung Aerodynamik, CFD und stochastische Dynamik, Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme (IWES), Oldenburg

„Die Arbeit ist eine der ersten Studien, die sich mit dieser Fragestellung besonders für große Rotoren beschäftigt hat. In solchen Vorläuferstudien ist es oft üblich, dass vor allem zunächst Extremsituationen angeschaut werden. Das heißt, die dort genannten Ertragszugewinne sind rein akademischer Natur für den Extremfall. In der Komplexität realer Wetter- und Strömungssituationen vermischen sich verschiedenste Effekte, so dass der Gesamtgewinn mindestens eine Größenordnung kleiner sein dürfte.“

„Dazu kommt, dass heute Anlagen nur selten in einem Abstand von sieben Rotordurchmessern (7 D) voneinander gebaut werden. Mit zunehmendem Abstand nimmt der beschriebene Effekt zu. Typische Abstände an Land liegen heute oft bei 3 D oder gar darunter. Offshore-Abstände werden oft mit 5 bis6 D geplant. Das heißt, auch so werden in Windparks nicht die im Artikel beschriebenen Bedingungen erreicht.“

„Dennoch kann es gerade für zukünftige Entwicklung von sehr große Rotoren, die weit von der Küste stehen, sinnvoll sein, sich das Thema genauer anzusehen. Dort gäbe es sicher auch kein Akzeptanzproblem durch in verschiedene Richtung drehende Rotoren.“

„Letztendlich ist es eine Frage, die die Hersteller beantworten müssen, ob sich eine Investition in das Re-Design überhaupt bei den zu erwartenden, wenn überhaupt,geringen wenn überhaupt Zugewinnen wirtschaftlich lohnt, da doch einige Bauteile der Anlagen geändert werden müssten.“

„In der Forschung und auch bereits in der Anwendung wird vor allem das aktive Verdrehen der Anlagen aus der Strömung in großen Windparks diskutiert, die zu einer Reduzierung der Wirbelschleppen (Wake Control) auf die stromabwärts befindlichen Anlagen und damit einer Erhöhung des Ertrags führt, jedoch auch den Ertrag an der ersten Anlage reduziert. Insgesamt lässt sich so jedoch der Windparkertrag im unteren einstelligen Prozentbereich bei sehr großen (Offshore-) Windparks erhöhen, was bei der Gesamtinvestition dieser großen Windkraftwerke durchaus wirtschaftlich sinnvoll ist und daher aktiv erprobt wird.“

„Auch dabei hatten Vorläuferstudien bei der Untersuchung von Extremsituationen positive Effekte im Bereich von 20 bis 30 Prozent gesehen. Für einen solchen Eingriff in die Windparksteuerung ist jedoch keine Neuentwicklung der Anlagen, sondern lediglich der Windparksteuerung (Software) notwendig.“

„Gerade die Interdisziplinarität zwischen meteorologischen Fragestellungen und Fragestellungen der Windenergiewissenschaften spielt zurzeit in der angewandten Windenergieforschung eine große Rolle. Bisher genutzte Modelle der Ingenieurswissenschaften beschreiben meteorologische Effekte – wie großräumige Winddrehungen, Höhe der atmosphärischen Grenzschicht und auch der Corioliskraft, die meteorologische Modelle gut abbilden können – oft gar nicht oder nur unzureichend. Solche Strömungseigenschaften sind sehr wichtig, um große und sehr große Windparks, wie sie in Europa vor allem Offshore existieren und geplant sind, weiter zu optimieren.“

„Das Optimierungspotenzial liegt dabei jeweils in ähnlicher Größenordnung von wenigen einstelligen Prozent, die bei den Gesamtinvestitionen jedoch durchaus relevant sind. Das Fraunhofer IWES beschäftigt sich mit weiteren Partnern im Projekt X-Wakes mit genau diesen Fragestellungen und erweitert in der Praxis verwendete Modelle, um solche großskaligen Effekte in industriegeeigneten Werkzeugen besser berücksichtigen zu können [2].“

„Das kontrollierte Steuern der Nachläufe (Wake Control) ist ein wichtiges Thema in der angewandten Forschung und bietet für große Windparks nachgewiesenes Potenzial. Bei sehr großen Investitionen, wie sie Offshore getätigt werden, stellen sich aber auch Fragen der Lebensdauer. Also zum Beispiel, ob es sinnvoll ist, einen Windpark eher unter geringerer Last zu betreiben und damit zunächst etwas weniger Ertrag zu erlangen, jedoch die Lebenszeit des Windparks signifikant, das heißt um einige Jahre, zu erhöhen, um folgend den Gesamtertrag über die Lebensdauer zu erhöhen.“

„Fragestellungen, inwiefern der Klimawandel sich auf die vorhandenen Windbedingungen auswirkt, sind eher im Bereich der Grundlagenforschung angesiedelt, da es im Gegensatz zum Temperaturanstieg kein klares Signal gibt, ob es in Zukunft weniger oder mehr Wind geben wird. Dennoch ist diese Fragestellung selbstverständlich sehr relevant.“

„Allerdings gibt es zahlreiche weitere Fragestellungen, die derzeit beforscht werden: Auf der technischen Seite geht es vor allem darum, die Anlagen noch optimaler für verschiedene Windbedingungen auszulegen. Dies führt zu längeren und flexibleren Blättern, die wiederum schwierig zu bauen und zu modellieren sind. Gleichzeitig ist die Reduzierung der Geräuschentwicklung durch verschiedene technische Maßnahmen weiterhin ein großes Thema. Ein weiterer Forschungsbereich ist die Integration der Windenergie in das elektrische Netz bei einer sehr hohen Durchdringung mit Erneuerbaren Energien und einem abnehmenden Anteil an Blindleistung.“

Auf die Frage, woher die unterschiedliche Drehrichtung von alten Windmühlen und modernen Windrädern kommt:
„Die Frage, ob es einen Effekt auf den Ertrag bei der Drehrichtung gibt, stellt sich vor allem erst bei sehr großen Anlagen. Bei kleinen Anlagen, wie sie in den Frühzeiten der Windenergienutzung gebaut wurden, gibt es einen viel geringeren Effekt auf den Ertrag, weil sich der Effekt der Corioliskraft auf die Nachläufe erst über größere Distanzen auswirken kann. Bei kleinen Anlagen zerfallen aber die Nachläufe schon, bevor sich der Effekt bemerkbar macht. Ich glaube, dass die Entscheidung über die Drehrichtung wahrscheinlich wirklich eine zufällige war. Es stellt sich sicher auch die Frage der Ästhetik oder Akzeptanz. Vielleicht gibt es aus dieser Sicht auch Vor- oder Nachteile, die die frühen Entwickler von Windenergieanlagen gesehen haben?“

Prof. Dr. Po Weng Cheng

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

„Kurzfristig wird es sicherlich keine Änderung geben bei der Drehrichtung. Das Phänomen Nachlauf ist sehr komplex und die Drehrichtung ist nur einer von vielen Einflussfaktoren, die die Leistung der Windenergieanlagen beeinflussen kann. Wir können die Komplexität der Turbulenz in der Natur noch nicht sehr genau abbilden, daher ist die Aussage aus reinen Simulationsstudien immer mit Vorsicht zu genießen. Es müssen noch weitere Studien folgen, um den Einfluss genauer zu quantifizieren.“

Auf die Frage, wie sich die Leistung von Windanlagen in Windparks mit konventionellen Methoden verbessern lässt:
„Man kann zurzeit den Nachlauf ablenken, indem man die Anlage ein bisschen aus dem Wind dreht oder durch das zyklische Verstellen der Rotorblätter die Leistung dynamisch verändert – dynamische Induktionsreglung genannt. Damit wird die Vermischung von ungestörter energiereicher Strömung mit dem Nachlauf befördert und die Leistung der Anlage in Nachlauf wird erhöht. Man kann auch Anlagen mit unterschiedlichen Nabenhöhen in einem Windpark aufstellen, um den Einfluss des Nachlaufs zu vermindern.“

„Wissenschaftlich gesehen ist sinnvoll, die Natur so gut wie möglich abzubilden. Allerdings steigt der Rechenaufwand sehr schnell an. Daher ist es wichtig, die wichtigen Einflussfaktoren vorher zu identifizieren. Wie wichtig die Drehrichtung der Windräder für den Nachlauf ist, kann man noch nicht genau sagen, bevor man den Einfluss präziser quantifiziert hat.“

Auf die Frage, an welchen anderen offenen Fragen Wissenschaftler derzeit arbeiten, um Windräder und ihren Einsatz zu verbessern, und welche am wichtigsten sind:
„Windenergieanlagen arbeiten heute wie ein Fahrradfahrer, der mit geschlossenen Augen durch die Stadt fährt: Man reagiert erst dann, wenn man mit einem Hindernis kollidiert ist. Die Windräder reagieren auf eine turbulente Böe genauso. Wenn Windräder die Windfelder besser verstehen und ‚sehen‘ können, hätte das für die Effizienzsteigerung und Abnutzung große Vorteile – wie beim Fahrradfahren mit offenen Augen, kann man die Kurven vorher planen. Wir arbeiten daran, mit LIDAR (Light Detection and Ranging) und Drohnen das Windfeld besser charakterisieren zu können und der Windenergieanlage quasi ein Auge zu verleihen.“

Dr. Astrid Lampert

Teamleiterin Fluggestützte Meteorologie und Messtechnik, Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig

„Bei bestimmten Wetterlagen – wenig turbulente Durchmischung, warme Luft über kälterer Wasseroberfläche – bilden sich hinter Offshore-Windparks weitreichende Gebiete von bis zu 100 Kilometer Ausdehnung, in denen die Windgeschwindigkeit reduziert ist und sich nur langsam wieder erholt. Dies ist auf Satellitenbildern der Meeresoberfläche sichtbar und wurde mit Flugzeug-Messungen im Detail untersucht. Der Effekt tritt insbesondere im Frühling und Sommer auf, wenn sich die Luft über dem Land erwärmt und dann übers kühlere Wasser strömt.“

„Es wird intensiv daran gearbeitet, die langen Nachläufe von Windparks in Berechnungen zum Ertrag von Windparks einzubeziehen. Dies geschieht mit Modellen verschiedener Auflösung und Komplexität, von hochauflösenden Grobstruktur-Modellen, bei denen jedes einzelne Windrad explizit in den Rechnungen aufgelöst wird, über sogenannte mesoskalige Modelle wie Wettermodelle, in denen Windparks insgesamt als Parameter auftauchen, bis hin zu Industriemodellen, mit denen schnell und einfach Ertragsprognosen erstellt werden.“

„Ein aktuell offener Punkt ist die Frage, wie sich das Windfeld beim Überströmen der Küste verändert. Es ist mit Modellen möglich, die Windverhältnisse über Land und weit auf offenem Meer gut darzustellen. Die Prozesse, die beim Überströmen der Küste stattfinden, sind jedoch noch nicht ausreichend verstanden. Es ist aber für die Ertragsabschätzung von küstennahen Windparks und die Stabilität der Netzwerke wichtig, den zur Verfügung stehenden einströmenden Wind genau zu kennen.“

„Weitere offene Fragen sind die Wechselwirkungen von Nachläufen verschiedener Windparks, die Frage, ob und wie man mit dem Windpark-Layout Nachlaufeffekte reduzieren kann, und wie der Vorstau-Effekt quantifiziert werden kann. Dazu finden aktuell weitere Messungen und Analysen im Rahmen des BMWi-Projekts X-Wakes statt [2].“

Dr. Astrid Lampert weist auf folgende Studien und Projekte zum Thema Nachlauf in Windparks hin: [3] [4] [5].

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Dr. Martin Dörenkämper und Dr. Bernhard Stoevesandt: „Wir forschen am Fraunhofer IWES zu Themen der (Offshore-)Windenergie und bestreiten unseren Lebensunterhalt daher vor allem aus öffentlich geförderten Drittmittelprojekten der Windenergieforschung.“

Alle anderen: Keine Angaben erhalten.

Primärquelle

Englberger A et al. (2020): Should wind turbines rotate in the opposite direction? Wind Energie Science, Preprint. DOI: 10.5194/wes-2019-10.

Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden

[1] Englberger A et al. (2019): Does the rotational direction of a wind turbine impact the wake in a stably stratified atmospheric boundary layer? Wind Energie Science. Preprint, revised Paper under review. DOI: 10.5194/wes-2019-45.

[2] Forschungsprojekt: X-Wakes – Interaktion der Nachläufe großer Offshore-Windparks und Windparkcluster mit der marinen atmosphärischen Grenzschicht

[3] 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.

[4] Lampert A et al. (2020): In-situ airborne measurements of atmospheric and sea surfaceparameters related to offshore wind parks in the German Bight. Earth System Science. DOI: 10.5194/essd-12-935-2020.

[5] Siedersleben S et al. (2018): Evaluation of a Wind Farm Parametrization for Mesoscale Atmospheric Flow Models with Aircraft Measurements. Meteorologische Zeitschrift; 27 (5): 401-415. DOI: 10.1127/metz/2018/0900.

Literaturstellen, die vom SMC zitiert wurden

[I] Bundesverband WindEnergie BWE (2020): Führen linksdrehende Windenergieanlagen zu mehr Ertrag?

[II] Veers P et al. (2019): Grand challenges in the science of wind energy. Science; 366 (6464). DOI: 10.1126/science.aau2027.