Auch der Wind ist keine unerschöpfliche Energiequelle, verdeutlichen Forscher: Am Beispiel von Offshore-Parks in der Nordsee zeigen sie auf, wie erstaunlich weitreichend die Anlagen den Wind ausbremsen. Dadurch kann die Stromausbeute erheblich leiden: Der Schatteneffekt kann die Leistung benachbarter Windparks vor allem bei stabilen Wetterlagen um bis zu 25 Prozent mindern, geht aus den Modellierungen hervor. Die Ergebnisse können nun der optimalen Nutzung des begrenzten Flächenpotenzials zugutekommen, sagen die Wissenschaftler.
Die Windkraft hat sich zu einer wichtigen Komponente im Strommix der erneuerbaren Energien entwickelt. Als besonders ergiebig gelten dabei die sogenannten Offshore-Windparks: Immer mehr Länder bauen auf dem Meer teils gewaltige Anlagen, um dem meist stetigen Luftstrom Energie abzuzapfen. So hat auch der Ausbau der Windenergie in der Deutschen Bucht und der Ostsee zu beachtlichen Erfolgen geführt: Heute drehen sich dort Windräder mit einer Leistung von rund 8000 Megawatt, was etwa acht Atomkraftwerken entspricht. Da ließen sich doch einfach noch mehr Windräder aufstellen, könnte man meinen. Doch leider ist die Kraft des Windes nicht so unerschöpflich, wie es scheint: Rotoren bremsen den Luftstrom und können dadurch nachfolgenden den Antrieb nehmen.
Der Schatteneffekt im Blick
Wegen dieser bekannten Bremswirkung werden die einzelnen Windräder in Offshore-Anlagen in bestimmten Mindestabständen zueinander aufgestellt. Bereits bekannt ist zudem, dass Windparks durch ihren Schatteneffekt auch großräumige Auswirkungen auf die Luftströmungen haben und somit benachbarte Anlagen beeinflussen können. Da die Standortmöglichkeiten begrenzt sind und die Windparks deshalb zum Teil möglichst dicht nebeneinander gebaut werden, ist eine Einschätzung dieses Effekts und seiner Auswirkungen auf die Rentabilität der Anlagen wichtig. Diesem Forschungsthema haben sich nun die Wissenschaftler um Naveed Akhtar vom Helmholtz-Zentrum Hereon in Geesthacht gewidmet.
Für ihre Studie haben sie ein Modellierungssystem für die gesamte Nordsee verwendet, das Daten von Wetterdiensten einbezieht. Dadurch kann es die Wettersituation regional detailliert auflösen und berechnen, wie sich Wetter und Klima beziehungsweise Windverhältnisse verhalten. In die Berechnungen wurden dann Daten über die Positionierung und die Ausmaße von bestehenden und geplanten Windparks in der Nordsee integriert. Als Grundlage nutzten die Forscher die Planung für die Nordsee aus dem Jahr 2015. Diese umfasst auch Windparks, die zum Teil noch nicht gebaut worden sind. Die Studie wirft somit einen Blick in die Zukunft – gewissermaßen auf den Zielzustand des Offshore-Ausbaus.
Bremswirkung bei stabilen Wetterlagen
In den Ergebnissen zeichnet sich ab, wie großräumig sich die Bremswirkung auswirken kann: Im Durchschnitt reicht sie 35 bis 40 Kilometer weit – bei bestimmten Wetterlagen sogar bis zu 100 Kilometer, berichten die Forscher. Die Leistung eines benachbarten Windparks kann sich dadurch um 20 bis 25 Prozent verringern, was sich letztlich in wirtschaftlichen Verlusten widerspiegelt. Dabei kommt es allerdings auf die Jahreszeit an, verdeutlichen die Ergebnisse: Die Bremswirkung der Windparks reicht vor allem bei stabilen Wetterlagen sehr weit – wenn in der Atmosphäre nur wenige Turbulenzen auftreten. Dies ist vor allem im März und April der Fall. In stürmischen Zeiten – besonders im November und Dezember – ist die Atmosphäre hingegen so stark durchmischt, dass die Schatteneffekte der Windparks kaum ins Gewicht fallen, geht aus den Modellsimulationen hervor. Dass die theoretischen Ergebnisse die Realität widerspiegeln, konnten die Forscher anschließend anhand von Vergleichen mit Windmessungen von zwei Forschungsplattformen in der Nordsee aus den Jahren 2008 bis 2017 bestätigen.
Wie sie hervorheben, ist das Besondere an der Arbeit, dass nun erstmals für die ganze Nordsee ein voller Zehnjahreszeitraum berechnet wurde: „Herkömmliche Strömungsmodelle für die Analyse von Windparks haben eine sehr hohe räumliche Auflösung, betrachten ein Windfeld aber nur über kurze Zeiträume“, sagt Akhtar. „Zudem lässt sich damit nicht ermitteln, wie ein Windpark die Luftströmung großräumig verändert.“ Dies ist den Forschern nun gelungen.. Die Ergebnisse haben Bedeutung für den Ausbau der Windkraft in Deutschland und können nun in die Ausbauplanung beziehungsweise in die Einschätzung der Energieeinbußen bei eng angeordneten Windparks einfließen.
In weiterführenden Untersuchungen wollen die Wissenschaftler nun den Blick von den Beeinträchtigungen der Energieausbeute auf die ökologischen Auswirkungen des Schatteneffekts der Offshore-Parks richten. Denn Wind und Wellen durchmischen das Meer und verändern dadurch Salz- und Sauerstoffgehalte des Wassers sowie seine Temperatur oder auch die Menge an Nährstoffen in bestimmten Wassertiefen. „Wir möchten jetzt herausfinden, wie sich die reduzierte Durchmischung auf die Lebewesen im Meer auswirkt“, sagt Akhtar.
Quelle: Helmholtz-Zentrum Hereon, Fachartikel, Scientific Reports, doi: 10.1038/s41598-021-91283-3
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