24. 10. 2023
Verfasst von: Manuel Siebert

Windenergie – Forschung im Turbulenten Windkanal

Messgerät auf eine Plattform in einem Offshore-Windpark — Die Windverhältnisse an Windrädern oder in ganzen Windparks beeinflussen die Lebensdauer und die Energieausbeute der Anlagen. Freifeldmessungen validieren und erweitern die Datenbasis für Prognose-Modelle.

Für den Ausbau der Windenergie werden nicht nur neue Flächen und Anlagen benötigt. Um Windenergie für die Energienetze der Zukunft verlässlich bereitstellen zu können, arbeiten Forschende in Niedersachsen und Bremen daran, das Verhalten des Windes in leistungsfähigen Windparks zu analysieren und vorherzusagen. Dafür untersuchen sie die Vorgänge in der Atmosphäre und entwickeln Modelle und Rechengrundlagen für neue, immer größer werdende Generationen von Windturbinen. Herzstück dieser Forschung ist der Turbulente Windkanal.

Praxisnahe Grundlagen für das Energiesystem der Zukunft

ForWind, das Zentrum für Windenergieforschung, bündelt die Projekte von rund 30 Instituten und Arbeitsgruppen der Universitäten Oldenburg, Hannover und Bremen. Seit 2016 ist eines der Herzstücke der Forschung das „Labor für Turbulenz und Windenergiesysteme“ (WindLab) auf dem Oldenburger Campus. Einzigartig ist der Turbulenz-Windkanal, der realistische turbulente Windfelder und Windgeschwindigkeiten von bis zu 150 Kilometern pro Stunde erzeugt. Mit dem so genannten aktiven Gitter können die Forschenden mehr als 1.000 Klappen ansteuern und ausrichten und dadurch gezielt Turbulenzen und Windböen erzeugen. Im Turbulenten Windkanal untersuchen sie das Zusammenspiel von atmosphärischen Strömungen mit ganzen Windparks, einzelnen Windenergieanlagen und ihren Komponenten. Ziel ist es, exakte Daten und Modelle für den effizienten und nachhaltigen Betrieb von Windparks, insbesondere offshore, zu generieren.

Windlast auf Bauteile simulieren

Damit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die zugrundeliegenden physikalischen Phänomene über mehrere Größenordnungen und Zeitskalen hinweg betrachten können, verfügt ForWind zudem über ein Hochleistungs-Rechencluster. Mit dem werden auch Methoden des maschinellen Lernens in die Forschung eingebunden. Sowohl Wettersysteme mit mehreren Hunderten Kilometern Durchmesser als auch kleinräumige Verwirbelungen, die direkt auf die Bauteile der Windenergieanlage einwirken, lassen sich auf diese Weise simulieren und modellieren. Industriepartner erhalten eine verlässliche Datenbasis für die Weiterentwicklung und den Betrieb ihrer Anlagen.

Gitterförmiges Gestell mit rautenförmigen Platten — Im Turbulenten Windkanal können die Forschenden mit einem aktiven Gitter mehr als 1.000 Klappen ansteuern und ausrichten. So erzeugen sie gezielt Turbulenzen und Windböen und messen die Auswirkungen auf Windkraftanlagen.

Modelle und Szenarien in Praxis übertragen

Zum Beispiel lässt sich, stark vereinfacht, die Modellierung von Turbulenzen in Windfeldern dazu nutzen, Leistungsvorhersagen von Windenergieanlagen oder ganzen Windparks zu optimieren. So kann der Betreiber die Auslastung der Stromnetze besser planen. In einem anderen Verbundprojekt mit einem Industriepartner kommt ein speziell entwickeltes selbstlernendes Regelungskonzept zum Einsatz, das die Erträge maximieren soll. Die Methodik und die Grundlagen des Systems werden bei ForWind im Windkanal erforscht und erprobt. Das neue Regelungssystem kommt dann in einem Testwindpark direkt zum Einsatz und wird dort für den größeren Einsatz in der Praxis validiert.

Umfangreiche Lidarmessgeräte, die in hoher Auflösung und Genauigkeit die Windverhältnisse im Bereich von Metern bis Kilometern um reale Windenergieanlagen durch Laserstrahlen messen, runden diese Forschung ab. Zu den entscheidenden Zukunftsfragen der Windenergieforschung arbeiten im WindLab drei Arbeitsgruppen unter der Leitung von Prof. Dr. Kerstin Avila (Grundlagen der Turbulenz und komplexer Systeme), Prof. Dr. Martin Kühn (Windenergiesysteme) und Prof. Dr. Joachim Peinke (Turbulenz, Windenergie und Stochastik) gemeinsam mit weiteren nationalen und internationalen Forschungspartnern.