Energieertrag und Nachlaufeigenschaften sehr großer Windparks in der Deutschen Bucht: Grobstruktursimulationen für verschiedene meteorologische Bedingungen

Die Energiewende in Deutschland ist nur durch einen erheblichen Ausbau der Offshore-Windenergie zu erreichen. Die zu errichtenden Windparks werden einen großen Teil der ausschließlichen Wirtschaftszone in der Deutschen Bucht einnehmen. Da diese Windparks viel größer und zusammenhängender sind als bisherige Windparks, stellt sich die Frage, inwieweit gegenseitige Abschattungseffekte zu Ertragseinbußen führen. Außerdem ist zu klären, welchen Einfluss diese großen Windparks auf das Strömungsfeld sowie auf die meteorologischen Bedingungen in und hinter den Windparks haben. Zur Untersuchung dieser Fragestellungen eignen sich Grobstruktursimulationen am besten, da sie im Gegensatz zu einfachen, empirischen Nachlaufmodellen alle relevanten physikalischen und meteorologischen Prozesse berücksichtigen.

In dieser Arbeit wurde das Grobstruktursimulationsmodell PALM verwendet, um Windparkströmungen mit verschiedenen Stabilitäten, Grenzschichthöhen und Turbinenabständen zu simulieren. Die größte Simulation beinhaltet mehr als 2000 15 MW-Windturbinen in einem Modellgebiet von ca. 200 km x 160 km x 3 km mit 20 m Gitterweite und über sieben Milliarden Gitterpunkten. Die mittlere Windgeschwindigkeit und -richtung in Nabenhöhe betragen 10 m/s und 225°, was einer typischen Situation in der Deutschen Bucht entspricht.

Die Ergebnisse zeigen, dass bei dieser Windparkgröße Strömungseffekte auftreten, die es bei kleineren Windparks nicht gibt. So pflanzt sich das, vom Windpark induzierte, Geschwindigkeitsdefizit durch turbulente Durchmischung bis zum Oberrand der Grenzschicht fort. Die verringerte Geschwindigkeit innerhalb der Grenzschicht führt zu einem Aufdicken der Grenzschicht. Da aus der freien Atmosphäre kein Impuls in die Grenzschicht übertragen wird, kann die Strömung nur durch die relative schwache Druckgradientkraft beschleunigt werden. Folglich ist der Nachlauf deutlich länger (>100 km) als bei kleinen Windparks. Aufgrund der Ausdehnung des Nachlaufs führt die verringerte Corioliskraft zu einer Ablenkung des Nachlaufs gegen den Uhrzeigersinn. Bei kleiner Grenzschichthöhe werden durch die Windparks Schwerewellen in der freien Atmosphäre angeregt.

Eine Verdopplung der installierten Leistungsdichte durch Verringerung des Turbinenabstandes von sieben auf fünf Rotordurchmesser führt zu einem Leistungszuwachs von nur 40 %. Das Ergebnis zeigt, dass bei größeren Windparks größere Turbinenabstände angestrebt werden sollten, um die Kosteneffizienz zu erhöhen. Eine Verdopplung der Grenzschichthöhe von 700 m auf 1400 m führt zu einem Leistungszuwachs von 20 %, was zeigt, dass die Grenzschichthöhe als wichtiger Parameter bei Standortbewertungen berücksichtigt werden sollte.