Einfluss der Offshore-Windparks auf Windstromproduktion und Atmosphärenmodellierung
Die Gewinnung von Windenergie auf See stellt eine zentrale Komponente der europäischen Energiewende dar. Gleichzeitig erhöhen sich die Anforderungen an Modelle, die die zukünftige Stromproduktion aus Windenergie sowie deren Auswirkungen auf die Atmosphäre präzise vorhersagen sollen. Eine aktuelle Untersuchung des Helmholtz-Zentrums Hereon verdeutlicht, dass sowohl atmosphärische Rahmenbedingungen als auch technische Parameter beim Ausbau von Offshore-Windparks zu erheblichen Unterschieden in den Simulationsergebnissen führen. Besonders prägend sind dabei die verschiedenen Turbinenkennzahlen, die maßgeblich die Windabnahme und somit die Berechnungen beeinflussen. Die Studie wurde im Fachjournal Wind Energy Science veröffentlicht.
Modellentwicklung und Methodik
Für die Analyse wurde das etablierte Regionalmodell COSMO6.0 CLM weiterentwickelt und mit einem erweiterten Windpark-Modul kombiniert. Dieses erlaubt erstmals die simultane Abbildung unterschiedlicher Turbinentypen und Rotorgrößen sowie gestaffelte Inbetriebnahmen einzelner Windparks. Parallel wurde untersucht, wie die räumliche Anordnung der Windparks die Gesamterzeugung beeinflusst.
Auswirkungen unterschiedlicher Turbinentypen
Die Simulationen zeigen, dass bei einem angenommenen Gesamtausbau von 150 Gigawatt in der Nordsee die prognostizierte Stromproduktion je nach Szenario um bis zu 15 Gigawatt variiert, was etwa 10 % der Gesamtleistung entspricht. Die größten Unterschiede ergeben sich zwischen älteren, leistungsschwächeren Turbinen und modernen Anlagen mit großen Rotoren. Die Studie vergleicht exemplarisch zwei Extremfälle: kleine 3,6-Megawatt-Anlagen und moderne 15-Megawatt-Turbinen.
Analyse der Wake-Effekte
Ein wesentlicher Fokus liegt auf der Untersuchung der Nachlaufeffekte (Wake-Effekte) hinter den Windkraftanlagen. Diese sind durch reduzierte Windgeschwindigkeiten und erhöhte Turbulenz gekennzeichnet, da die Anlagen dem Wind kinetische Energie entziehen. Die Studie bestätigt frühere Erkenntnisse, dass sich diese Effekte über Entfernungen von mehr als 50 Kilometern in Windrichtung erstrecken und dort die Windgeschwindigkeit signifikant reduzieren. Neu ist die Berücksichtigung unterschiedlicher Randbedingungen, die die regionalen Simulationen steuern, sowie die erstmalige Abschätzung der möglichen Abweichungen bei Ertragsprognosen für die gesamte Nordsee. Zudem wurde die realistische Modellierung der Windfelder unter Einfluss der Windparks für den Zeitraum von 2008 bis 2021 umgesetzt, wobei Standort, Wetterbedingungen und Windparkkonfiguration zu Schwankungen von etwa 20 % führten.
Bedeutung für Planung und Prognose
Die Ergebnisse sind unmittelbar relevant für die Planung der Offshore-Windenergienutzung und die Prognose der zu erwartenden Stromerträge. Sie liefern eine Einschätzung der Unsicherheiten von Simulationsergebnissen und zeigen, dass unterschiedliche Modellierungsansätze zu erheblich variierenden Vorhersagen führen können. Für Wettervorhersagemodelle sowie historische Reanalyse-Daten ist es daher notwendig, Windparks in die Berechnungen einzubeziehen. Nur so lassen sich realistische Einschätzungen der Energieerträge sowie der ökologischen und infrastrukturellen Rahmenbedingungen für den zukünftigen Ausbau erzielen.
Forschung am Helmholtz-Zentrum Hereon
Das Helmholtz-Zentrum Hereon widmet sich der Erforschung und Entwicklung nachhaltiger Technologien zum Schutz von Klima, Küsten und Gesellschaft. Mit rund 1000 Mitarbeitenden werden interdisziplinär experimentelle Studien, Modellierungen und Künstliche Intelligenz kombiniert, um komplexe Systeme zu verstehen und praxisnahe Anwendungen zu entwickeln. Das Zentrum ist in nationale und internationale Forschungsnetzwerke eingebunden und unterstützt Politik, Wirtschaft und Gesellschaft bei der Gestaltung einer nachhaltigen Zukunft.
Kontakt für wissenschaftliche Rückfragen
Prof. Corinna Schrum
Institutsleiterin
Institut für Küstensysteme – Analyse und Modellierung
Telefon: +49 (0)4152 87 – 1833
E-Mail: corinna.schrum@hereon.de
