Die zunehmend verdichteten Offshore-Windzonen in der Nordsee und anderen Meeresgebieten sind zum Schauplatz eines Kampfes um den freien Luftstrom geworden. Wo benachbarte Windparks einander in den Nachlauf geraten, drohen Betreibern Millionenverluste, wenn ihre Anlagen im Windschatten anderer Parks stehen. Laut Marktanalysten sind derzeit weltweit Projekte mit mehr als 20 Gigawatt Leistung von dem Problem betroffen.
An den Enden der Rotorblätter von Windkraftanlagen entstehen bei jeder Umdrehung kleine, spiralförmige Luftwirbel – sogenannte Tip Vortices. Sie bilden sich, weil Luft von der Blattunterseite mit höherem Druck zur Oberseite mit niedrigerem Druck strömt und dabei seitlich um die Kante entweicht. Die Wirbel rollen sich wie unsichtbare Korkenzieher in den Nachlauf ein und bleiben erstaunlich stabil, oft über Hunderte Meter hinweg. Sie verändern die Strömungsgeschwindigkeit, verstärken Turbulenzen und können den Wirkungsgrad und die Belastung nachfolgender Anlagen spürbar beeinflussen.
Nun will das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Forschungsprojekt Near Wake das Verhalten der Luft im nahen Nachlauf von Windturbinen erstmals präzise erfassen. Dafür setzen die Forschenden kleine Drohnen in bis zu 250 Meter Höhe ein. Diese positionieren sich in zwei Linien hinter den DLR-Versuchsanlagen Opus 1 und Opus 2 im DLR-Forschungspark Windenergie WiValdi. Die erste Linie befindet sich einen halben (57,5 Meter) und die zweite Linie einen ganzen Rotordurchmesser (115 Meter) dahinter. Der Bereich von einem halben bis zwei Rotordurchmessern hinter dem Rotor, also rund 60 bis 230 Meter bei den DLR-Versuchsanlagen, wird als Near Wake bezeichnet.
Dort geht es besonders turbulent zu. Verwirbelungen, Druckabfälle, Rückströmungen und Scherwinde wechseln binnen Sekunden. Zwei in zehnminütigem Abstand gestaffelte Drohnenschwärme messen in dieser Zone die Geschwindigkeit, Richtung und Beschleunigung des Windes. Gelenkt werden sie mit einem eigens für das Projekt entwickelten Navigationssystem. Spezielle Algorithmen zeichnen die Positionen und Messwerte auf und werten sie aus. Neben dem DLR sind an Near Wake die Technische Universität München, das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW), das Netzwerk ForWind sowie der Anlagenhersteller Enercon und der Windparkentwickler WRD beteiligt. Das Projekt läuft bis 2026.
„Die Drohnen halten exakt die Formation, wie kleine Wetterfahnen“, sagt Norman Wildmann, Projektleiter am DLR-Institut für Physik der Atmosphäre in Oberpfaffenhofen. Entscheidend sei, dass sich mit dieser Methode dynamische Luftstrukturen abbilden lassen, die stationäre Messmasten oder sogenannte Lidar-Sensoren nicht erfassen können. Das Projekt nimmt den bislang kaum untersuchten Übergangsbereich zwischen der Rotorströmung und dem Nachlauf in den Fokus.
Und dieser Bereich hat es in sich. Anders als in klassischen Windfeldmodellen postuliert, bleiben die sogenannten Tip Vortices – die Turbulenzwirbel an den Enden der Rotorblätter – deutlich länger erhalten und beeinflussen auch in größerem Abstand die Strömung hinter der Anlage. Das zeigen erste Ergebnisse der Near-Wake-Messungen. Bei eng gestellten Turbinen – wie sie in Offshore-Windparks schon jetzt und künftig immer häufiger zum Einsatz kommen – kann das zu erheblichen Leistungsverlusten führen.
An der Universität Manchester arbeiten Forschende daran, den Luftstrom hinter Windturbinen genauer zu beschreiben. Bisherige Rechenmodelle gehen oft davon aus, dass sich dieser Nachlauf gleichmäßig und symmetrisch ausbreitet. In Manchester nutzt man hingegen ein sogenanntes Gauss-Modell – ein mathematisches Werkzeug, das die Form des Nachlaufs in Form einer Wellenfunktion darstellt – und erweitert es so, dass auch unsymmetrische Strömungen erfasst werden. Die entstehen etwa, wenn der Rotor leicht schräg in den Wind gedreht wird. Dadurch lässt sich der Windschatten versetzen, um andere Turbinen weniger zu bremsen. Auch Unterschiede in der Windrichtung zwischen Boden und Höhe – vertikale Windscherung – können den Nachlauf verformen. Grundlage der Arbeit sind detaillierte Computersimulationen, die anschließend in einfachere Modelle übertragen werden. So entstehen Werkzeuge, die helfen können, Messdaten wie die aus dem DLR-Projekt Near Wake besser für die Planung von Windparks zu nutzen.
„Der Nachlauf ist ein wichtiger Forschungsgegenstand, weil darin viel Potenzial liegt, die Leistung von Windkraftanlagen besser vorherzusagen und zugleich die Belastung auf die Struktur zu minimieren“, sagt Wildmann. Ziel des Projekts sei es, die erfassten Daten mit numerischen Modellen abzugleichen, um genauere Simulationen zu ermöglichen – ein entscheidender Schritt für die Planung und Optimierung von Windparks, zumal wenn es um hohe Flächennutzung geht.
Noch sind die Near-Wake-Daten nicht vollständig ausgewertet, und auch die Modellierungsarbeit wird Jahre dauern. Klar ist jedoch: Wer die Mikrostruktur von Luftströmungen versteht, kann nicht nur einzelne Anlagen effizienter machen, sondern komplette Windparks intelligenter errichten. Für die Betreiber und damit auch für die Energiewende wäre das ein doppelter Gewinn: höhere Erträge und längere Lebensdauer der Anlagen. „Der Nachlauf ist ein zentraler Schlüssel, um Windkraftanlagen effizienter und langlebiger zu machen“, sagt DLR-Forscher Wildmann. „Mit Near Wake können wir nun erstmals die Auswirkungen von Turbulenzen in diesem kritischen Bereich berechnen.“
Weitere Informationen zum DLR-Projekt NearWake.
