„Windkraftanlagen zählen in Deutschland und weltweit zu den wichtigsten Technologien für eine nachhaltige Energieversorgung, sagt Prof. Anke Kaysser-Pyzalla, Vorstandsvorsitzende des DLR. Für den weiteren Ausbau der Windenergie sei eine deutliche Leistungssteigerung der Windkraftanlagen erforderlich. Deshalb habe der DLR-Vorstand beschlossen, die jährlichen Ressourcen für die Windenergieforschung ab sofort um eine Million Euro zu erhöhen. Das DLR forsche seit Jahren erfolgreich in der Windenergie. Dabei würden viele Synergien aus der Luft- und Raumfahrtforschung genutzt. Die Themen reichen von der Grundlagenforschung bis zur Weiterentwicklung einzelner Komponenten gemeinsam mit der Industrie.

Drohnen vermessen Strömungen rund um Windenergie-Anlagen

Ein Beispiel für diese Synergien ist die Vermessung von Strömungen in Windparks. Ein aktuelles Projekt hierfür heißt Establis-UAS (“Exposing spatio-temporal Structures of Turbulence in the Atmospheric Boundary Layer with In-Situ measurements by a fleet of Unmanned Aerial Systems”). Bis zu 100 Drohnen heben dabei in einer festgelegten Formation vom Boden ab. Die Drohnen messen Windeigenschaften, Temperatur und Luftfeuchtigkeit mit hoher Auflösung. Sie sind besonders robust, damit sie auch bei größeren Windgeschwindigkeiten ihre Position halten und Ergebnisse liefern. Projektleiter Norman Wildmann von DLR-Institut für Physik der Atmosphäre erklärt, warum es wichtig ist, die dreidimensionalen, turbulenten Strukturen zu kennen. „So können wir die Lasten verstehen, denen Windturbinen in ihrem Lebenszyklus ausgesetzt sind, und prognostizieren, welche Leistung sie ins Energienetz einspeisen“, sagt er.

Versuche im Windkanal und im Forschungspark Windenergie des DLR

Windkraftanlagen erzeugen neben den schon vorhandenen Strömungsphänomenen zusätzlich eigene Wirbel. Ein Ziel der Windenergieforschung im DLR ist daher, ein Modell zu entwickeln, mit dem die Auswirkungen auf die Anlagen in der zweiten oder dritten Reihe deutlich werden. „Da gibt es noch einiges an Optimierungsbedarf“, erklärt Wildmann. Die Windverhältnisse dort seien sehr komplex. Um sie zu verstehen, müsse man Eigenschaften der Anlage, der örtlichen Atmosphäre und des Geländes kombinieren.

Neben den Messungen an Windkraftanlagen sind Experimente im Windkanal der Universität Oldenburg und im DLR-Forschungspark Windenergie Krummendeich geplant. Zwei weitere Messkampagnen erfolgen im Rahmen der internationalen TeamX Initiative. Diese widmet sich den komplexen Strömungen in der Grenzschicht von Gebirgen. Alle Experimente werden ergänzt durch numerische Simulationen. Letztlich soll so ein umfassendes Modell für die Darstellung der turbulenten Strömung entstehen.

Modelle für die atmosphärische Grenzschicht ergänzen das Wissen aus der Fernerkundung

Die unterste Schicht der Atmosphäre bis in etwa 2.000 Meter Höhe heißt „atmosphärische Grenzschicht“. Sie wird direkt von der Erdoberfläche beeinflusst. Hier gibt es sehr viele Wirbel in der Luft. Manche sind wenige Millimeter groß, andere über einen Kilometer. Physikalische Modelle der Grenzschicht sind nicht sehr genau. Es ist schwer, Wirbel zu erfassen, die von vielen Faktoren beeinflusst sind. Dazu gehören Böen, Hang- und Talwinde, Städte, Windturbinen oder Flugzeugen.

„Die Establis-UAS-Messungen füllen hier eine Beobachtungslücke zwischen sehr kleinen, lokalen Prozessen in Bodennähe und großskaligen Beobachtungen durch Fernerkundung, Forschungsflugzeuge und Satelliten“, sagt Prof. Markus Rapp. Er leitet des Institut für Physik der Atmosphäre in Oberpfaffenhofen. Indem die Forschenden Sensoren am Boden und Verfahren zur Fernerkundung kombinieren, wollen sie die Wechselwirkung besser verstehen. So entwickelte Modelle könnten dann auch erklären, wie Wirbel die Durchmischung der unteren Atmosphäre beeinflussen. Das ist zum Beispiel bei der Ausbreitung von Staub, Schadstoffen oder Aerosolen wichtig.

Das Projekt Establis-UAS läuft über fünf Jahre. Es wird im Rahmen des ERC Starting Grants vom Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) gefördert.

16.3.2022 | Quelle: DLR | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH