Die Offshore-Windenergie nimmt eine zentrale Rolle in der europäischen Energiewende ein. Sie stellt nicht nur eine bedeutende Quelle für erneuerbare Energie dar, sondern bringt auch neue Herausforderungen mit sich. Insbesondere die Prognose der zukünftigen Windstromproduktion und die Auswirkungen auf die Atmosphäre erfordern präzisere Modelle, wie eine Studie des Helmholtz-Zentrums Hereon zeigt. Diese Untersuchung verdeutlicht, dass sowohl atmosphärische Bedingungen als auch technische Entscheidungen beim Ausbau der Windparks erhebliche Unterschiede in den Ergebnissen der Stromproduktion zur Folge haben können.
Ein entscheidender Faktor sind die verschiedenen Turbinenkennzahlen. Diese beeinflussen die Windverhältnisse und damit die Berechnungen zur Stromproduktion maßgeblich. Die Ergebnisse dieser umfassenden Studie wurden im Journal Wind Energy Science veröffentlicht. Hierbei wurde das bewährte Regionalmodell COSMO6.0 CLM optimiert und mit einem erweiterten Windpark-Modul kombiniert, das eine höhere Anpassungsfähigkeit bietet als frühere Versionen. Zum ersten Mal ermöglichen die Forscher, verschiedene Turbinentypen und Rotorgrößen sowie zeitlich gestaffelte Inbetriebnahmen einzelner Windparks in einem Modell zu berücksichtigen.
Die Analyse der räumlichen Verteilung der Windkraftanlagen erweist sich als ebenso wichtig, da sie die gesamte simulierte Stromproduktion beeinflussen kann. Bei einem angenommenen Ausbau von 150 Gigawatt in der Nordsee ergeben sich signifikante Unterschiede in der simulierten Stromproduktion, die bis zu 15 Gigawatt betragen können, was etwa 10 Prozent der Gesamtleistung entspricht. Prof. Corinna Schrum, die die Studie leitete, betont, dass insbesondere die Unterschiede zwischen älteren Turbinenmodellen und modernen Anlagen mit großen Rotoren zu den größten Abweichungen führen.
Ein zentrales Element der Studie ist die Untersuchung der Wake-Effekte, die hinter den Windkraftanlagen entstehen. Diese Effekte sind durch reduzierte Windgeschwindigkeiten und erhöhte Turbulenz gekennzeichnet, da die Turbinen dem Wind kinetische Energie entziehen. Frühere Studien, auch vom Hereon, haben bereits gezeigt, dass diese Wake-Effekte sich über mehr als 50 Kilometer hinter den Windfarmen ausbreiten können und die Windgeschwindigkeiten in diesem Bereich deutlich senken. Bisher wurde jedoch der Einfluss unterschiedlicher Rahmenbedingungen, die die regionalen Simulationen steuern, vernachlässigt. Diese Studie stellt nun erstmals eine Gegenüberstellung der verschiedenen Resultate an, um die möglichen Abweichungen in den Ertragsprognosen für die gesamte Nordsee zu schätzen.
Darüber hinaus wurde die realistische Modellierung der Windverhältnisse unter Berücksichtigung der Windparks für den Zeitraum von 2008 bis 2021 ermöglicht. Abhängig von Standort, Wetterbedingungen und Windparkkonfiguration konnten Abweichungen von bis zu 20 Prozent festgestellt werden. Diese Erkenntnisse sind von großer Bedeutung für die Planung und Nutzung von Offshore-Windkraft und bieten wichtige Hinweise zur Prognose der zu erwartenden Windenergieproduktion.
Die Studienergebnisse verdeutlichen, dass verschiedene Modellierungsansätze zu erheblichen Abweichungen in den Prognosen führen können. Um die Genauigkeit der Simulationsergebnisse zu erhöhen, müssen Windparks in Wettervorhersagemodelle und in die Erstellung historischer Reanalyse-Daten einbezogen werden. Eine realistische Bewertung der Energieerträge erfordert die Berücksichtigung der genannten Unsicherheiten.
Das Helmholtz-Zentrum Hereon verfolgt mit seiner Forschung das Ziel, eine lebenswertes Zukunft zu gestalten. Rund 1.000 Mitarbeitende sind engagiert, Wissen zu generieren und neue Technologien zu entwickeln, die zur Resilienz und Nachhaltigkeit beitragen – zum Wohle von Klima, Küste und Mensch. Durch ein kontinuierliches Wechselspiel zwischen Experimenten, Modellierungen und künstlicher Intelligenz wird der Übergang von grundlegenden wissenschaftlichen Erkenntnissen zu praktikablen Anwendungen gefördert.
Hieron agiert aktiv innerhalb nationaler und internationaler Forschungsnetzwerke und unterstützt durch den Transfer gewonnenen Wissens Politik, Wirtschaft und Gesellschaft bei der Gestaltung einer nachhaltigen Zukunft. Die fortschrittliche Forschung im Bereich der Offshore-Windenergie zeigt, wie wichtig es ist, innovative Techniken und Ansätze zu entwickeln, um den Herausforderungen der Energiewende gerecht zu werden und eine nachhaltige Energiezukunft zu schaffen.
