Wie lässt sich der Gesamtenergieertrag von Offshore-Windparks erhöhen?

Das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES untersucht gemeinsam mit seinen Projektpartnern RWE, ForWind (Universität Oldenburg – Institut für Physik) 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.

Flächeneffizienter Windenergieausbau nötig

Bis zum Jahr 2030 sollen mindestens 80 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 30 Gigawatt (GW) und bis 2045 auf mindestens 70 GW 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, sogenannten 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.

Methodenentwicklung für höhere Windparkerträge

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, z. B. durch die Erprobung einer Nachlaufablenkung.

„Wir können im Projekt C²-Wakes auf unsere Ergebnisse aus dem vorangegangenen 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 Dr. Martin Dörenkämper, Projektleiter, Fraunhofer IWES.

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, COO 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.