X-Wakes
Interaktion der Nachläufe großer Offshore-Windparks und Windparkcluster mit der marinen atmosphärischen Grenzschicht
In der Energieversorgung mit erneuerbaren Energien spielt die Offshore-Windenergie eine tragende Rolle. Angesichts der begrenzten nutzbaren Flächen werden Offshore-Windparks in Gruppen, so genannten Clustern errichtet. Als Folge beeinflussen sich die Windparks und die einzelnen Anlagen gegenseitig. Im Windschatten der Anlagen entstehen sogenannte Nachlaufströmungen (Wakes) mit geringeren Windgeschwindigkeiten und stärkeren Turbulenzen. Ziel des Projekts X-Wakes ist eine Erfassung der Veränderungen der Windbedingungen für den Betrieb von Offshore-Windparkclustern beim zukünftigen großflächigen Ausbau.
Projektleitung:
Dr. Martin Dörenkämper (Projektkoordination), Dr. Astrid Lampert (Wissenschaftliche Sprecherin)
Laufzeit des Projektes:
01.11.2019 – 30.04.2023
Förderkennzeichen des Projektes:
03EE3008A
Fragestellungen/Projektziele/Forschungsschwerpunkte
- Ziel des Projekts X-Wakes ist eine Erfassung der Veränderungen der Windbedingungen für den Betrieb von großen Offshore-Windparkclustern.
- Im Projekt X-Wakes finden verschiedene Methoden zur Datenerfassung Anwendung, unter anderem werden mit LiDAR, mit unbemannten und bemannten Flugzeugen und Satelliten Messdaten aufgezeichnet.
- Mit Hilfe dieser Daten sollen im Projekt weiterentwickelte Werkzeuge zur genauen Abbildung großer Windparkflächen in Industriemodellen und hochauflösenden Strömungsmodellen validiert werden.
- Neben der Untersuchung der Interaktion der Nachläufe von mehreren Windparks untereinander wird vor allem die Interaktion mit der atmosphärischen Grenzschicht und mit Küsteneffekten untersucht.
Die Pläne der Bundesregierung für die Energiewende sehen vor, dass erneuerbare Energien bis zum Jahr 2050 einen Anteil von mindestens 80 Prozent des Bruttostromverbrauchs decken sollen. Eine wesentliche Säule ist hierbei die Offshore-Windenergie. Doch die für Windenergie nutzbare Fläche in der Deutschen Bucht ist begrenzt, daher werden die Windparks meist in Gruppen, sogenannten Windparkclustern, gebaut. Solche Cluster können aus mehreren hundert Windturbinen bestehen. Im Windschatten hinter den Anlagen entstehen Nachlaufströmungen (Wakes) mit geringeren Windgeschwindigkeiten und stärkeren Turbulenzen. Unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen können sich diese Nachlaufströmungen über Entfernungen von mehr als 50 Kilometern erstrecken.
Im Forschungsprojekt X-Wakes werden Nachläufe und andere kumulative Effekte, wie der „Global Blockage Effect“ untersucht um herauszufinden, wie sich die Windparkcluster gegenseitig beeinflussen und welche Auswirkungen ein großflächiger Ausbau der Offshore-Windparks auf die zukünftigen Windverhältnisse haben wird. Mit den Messergebnissen des Projekts werden Computermodelle weiterentwickelt, um mit diesen die Erträge der Windparks für künftige Ausbauszenarien unter realistischen Bedingungen vorhersagen zu können.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten dabei mit einer Kombination aus sich ergänzenden Methoden: Stationäre Messungen per LiDAR an verschiedenen Standorten in der Deutschen Bucht liefern kontinuierlich meteorologische Daten. Mit Hilfe von satellitenbasierten Fernerkundungsdaten wird die Ausdehnung der Nachläufe großflächig analysiert. Messkampagnen mit einem Forschungsflugzeug in geringer Flughöhe liefern zusätzlich hochaufgelöste meteorologische Daten.
Die assoziierten Partner des Projekts liefern Informationen zur Planung des weiteren Ausbaus der Deutschen Bucht sowie wertvolle Windparkproduktionsdaten, die eine Ausrichtung der Projektziele auf den derzeitigen und zukünftigen Windparkbetrieb sicherstellen.
Projektkoordination:
Fraunhofer IWES, Dr. Martin Dörenkämper
Wissenschaftliche Sprecherin:
TU Braunschweig, Dr. Astrid Lampert
Kontakte und Partner
Dr. Martin Dörenkämper (Projektkoordination)
+49 441 798 5014
martin.doerenkaemper@iwes.fraunhofer.de
Weitere geförderte Partner:
Karlsruher Institut für Technologie
ForWind – Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
Eberhard Karls Universität Tübingen
Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung GmbH
UL International GmbH
Assoziierte Partner:
Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie, Deutscher Wetterdienst, EnBW, Merkur Offshore, Nordsee One, Ørsted, RWE Renewables, TenneT, Trianel, Vattenfall
Publikationen
Hier finden Sie interessante Vorträge zu diesem Projekt in unseren RAVE International Workshops.
"Interaktion der Nachläufe großer Offshore-Windparks und Windparkcluster mit der marinen atmosphärischen Grenzschicht" / Dr. Tom Neumann und Dr. Martin Dörenkämper
"Measuring large scale offshore wind farm effects with scanning lidar" / Jörge Schneemann
"X-Wakes: Recent Results from Modelling and Measurements of Large Scale Wakes in Interaction with the Marine Atmospheric Boundary Layer" / Dr. Martin Dörenkämper
Darüber hinaus finden Sie unter folgenden Links weitere Publikationen zum Projekt X-Wakes:
Cañadillas, B., Beckenbauer, M., Trujillo, J. J., Dörenkämper, M., Foreman, R., Neumann, T., and Lampert, A.: Offshore wind farm cluster wakes as observed by long-range-scanning wind lidar measurements and mesoscale modeling, Wind Energ. Sci., 7, 1241–1262, https://doi.org/10.5194/wes-7-1241-2022, 2022.
Cañadillas, B., Wang, S., Ahlert, Y., Djath, B., Barekzai, M., Foreman, R., and Lampert, A.: Coastal horizontal wind speed gradients in the North Sea based on observations and ERA5 reanalysis data, Meteorologische Zeitschrift, DOI 10.1127/metz/2022/1166, 22 pp., 2023.
Kemme, L., Strnad, S., Vollmer, L., Schmidt, J., and Lukassen, L.J.: Sensitivity of Wake Modelling Setups, J. Phys.: Conf. Ser. 2265, 022007, https://doi.org/10.1088/1742-6596/2265/2/022007 , 2022.
von Brandis, A., Centurelli, G., Schmidt, J., Vollmer, L., Djath, B., and Dörenkämper, M.: An investigation of spatial wind direction variability and its consideration in engineering models, Wind Energ. Sci., 8, 589–606, https://doi.org/10.5194/wes-8-589-2023, 2023.
Rausch, T., Schuchard, M., Cañadillas, B., and Lampert, A.: One year measurements of vertical profiles of wind speed and wind direction from 40 to 500 m at Heligoland, German Bight, North Sea, Germany. Technische Universität Braunschweig, PANGAEA, https://doi.org/10.1594/PANGAEA.924184, 2020.
Rausch, T., Cañadillas, B., Hampel, O., Simsek, T., Tayfun, Y.B., Neumann, T., Siedersleben, S., Lampert, A.: Wind Lidar and Radiosonde Measurements of Low-Level Jets in Coastal Areas of the German Bight, Atmosphere, 13, 839. https://doi.org/10.3390/atmos13050839, 2022.
Rausch, T., Bärfuss, K., Hankers, R., Bitter, M., Feuerle, T., Cremer, M., Angermann, M., Füllgraf, J., and Lampert, A.: In-situ airborne measurements of atmospheric and sea surface parameters related to offshore wind parks in the German Bight, PANGAEA, https://doi.org/10.1594/PANGAEA.955382, 2023.
Rausch, T., Cañadillas, B., and Lampert, A.: Coastal vertical wind lidar measurements of horizontal wind speed and wind direction from 40 to 500 m at Norderney island, German Bight, North Sea, Germany. PANGAEA, https://doi.org/10.1594/PANGAEA.953770, 2023.
Schulz-Stellenfleth, J., Emeis, S., Dörenkämper, M., Bange, J., Cañadillas, B., Neumann, T., Schneemann, J., Weber, I., zum Berge, K., Platis, A., Djath, B., Gottschall, J., Vollmer, L., Rausch, T., Barekzai, M., Hammel, J., Steinfeld, G., Lampert, A.: Coastal impacts on offshore wind farms – a review focussing on the German Bight area, Meteorol. Zeitschrift, 31 (4), 289-315,. https://doi.org/10.1127/metz/2022/1109, 2022.
Centurelli, G., Vollmer, L., Schmidt, J., Dörenkämper, M., Schröder, M., Lukassen, L., and Peinke, J.: Evaluating Global Blockage engineering parametrizations with LES, J. Phys.: Conf. Ser., 1934, 012 021, https://doi.org/10.1088/1742-6596/1934/1/012021 , 2021.
Schneemann, J., Theuer, F., Rott, A., Dörenkämper, M., and Kühn, M.: Offshore wind farm global blockage measured with scanning lidar, Wind Energ. Sci., 6, 521–538, https://doi.org/10.5194/wes-6-521-2021, 2021.
Vollmer, L., Sengers, B. A. M., and Dörenkämper, M.: Brief communication: A simple axial induction modification to WRF’s Fitch wind farm parameterisation, Wind Energ. Sci. Discuss. [preprint], https://doi.org/10.5194/wes-2023-89, in review, 2023.
X-Wakes Abschluss-Workshop 26. Juni 2023
Nach Laufzeitende (30.04.2023) und zum Abschluss des BMWK geförderten Projekts "X-Wakes" fand am 26.06.2023 ein öffentlicher Workshop statt. Dieser wurde virtuell durchgeführt und es gab interessante Vorträge zu den Ergebnissen des Projekts. Die Vorträge finden Sie hier zum Download bereitgestellt (in englischer Sprache):
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X-Wakes Logo ©Fraunhofer IWES
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Bild 1: Forschungsflugzeug in geringer Flughöhe liefert hochaufgelöste meteorologische Daten © Mark Bittner / TU Braunschweig -
Bild 2: Stationäre LiDAR Messungen liefern kontinuierlich meteorologische Daten © Jörge Schneemann, ForWind – Uni Oldenburg
