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Windparks - ein Fall für die Küstenforschung

Windpark in der Nordsee. <i>Bild: Matthias Krüger / Hereon</i>

Windpark in der Nordsee. Bild: Matthias Krüger / Hereon

Während der letzten zehn Jahre hat die Nordsee einen beträchtlichen Anstieg der Entwicklung von Offshore-Windparks erfahren. Ende 2016 wurde in der Nordsee eine Gesamtkapazität von 9,1 GW mit 44 Windparks und über 2700 Einzelpfählen erreicht. Bis zum Jahr 2020 wird die gesamte Offshore-Windkapazität voraussichtlich 24,6 GW betragen.
Diese schnelle Umwandlung der südlichen Nordsee in eine von Energieerzeugung geprägte Umgebung kann die durch nationale und internationale Gesetzgebung festgelegten Ziele für die Umweltentwicklung beeinträchtigen und birgt Konfliktpotenzial mit anderen Nutzern der natürlichen Ressourcen wie der Fischerei.
Das Institut für Dynamik der Küstenmeere untersucht zusammen mit den anderen Instituten der Meeres- und Küstenforschung am Hereon daher die physikalischen, biogeochemischen und ökosystemaren Auswirkungen von Offshore-Windparks sowie soziale und planerische Aspekte.

Verschiedene Aspekte unserer Forschung


Windböen

Per Oberflächenradar erkannte Windböen, die sich auf die Nordseeplattform Fino-3 zubewegen. <i>Bild: Jochen Horstmann / Hereon</i>

Per Oberflächenradar erkannte Windböen, die sich auf die Nordseeplattform Fino-3 zubewegen. Bild: Jochen Horstmann / Hereon

Für eine verbesserte Steuerung von Offshore-Windparks auf Basis von Vorhersagen hat die Abteilung Oberflächendynmaik der Ozeane ein Kurzfristvorhersagesystem (30 bis 60 Sekunden) für Windgeschwindigkeit und Böen entwickelt. Dafür werden Windfelder von marinem Radar erfasst. Anhand von Bildsequenzen lassen sich Windböen, ihre Größe sowie ihre Ausbreitungsrichtung und -geschwindigkeit identifizieren.

Turbulenz im Ozean

Turbulentes Geschwindigkeitsfeld im Schatten einer zylindrischen Struktur einer Windkraftanlage (schwarzer Kreis). Das Bild zeigt einen einzelnen Moment einer Large Eddy Simulation (LES). Man schaut von oben auf die Wasseroberfläche, die momentane Bewegung geht von links nach rechts, Blau zeigt starke Strömung, rot schwache Strömung an. <i>Bild: Jeff Carpenter / Hereon</i>)

Turbulentes Geschwindigkeitsfeld im Schatten einer zylindrischen Struktur einer Windkraftanlage (schwarzer Kreis). Das Bild zeigt einen einzelnen Moment einer Large Eddy Simulation (LES). Man schaut von oben auf die Wasseroberfläche, die momentane Bewegung geht von links nach rechts, Blau zeigt starke Strömung, rot schwache Strömung an. Bild: Jeff Carpenter / Hereon)

Turbulenz im Ozean wird durch die Wechselwirkung von Gezeitenströmungen und Offshore-Windfarm-Strukturen verursacht. Sie erzeugt ein zusätzliches Potenzial für die Vermischung der saisonalen Schichtung, die sich in weiten Teilen der Deutschen Ausschließlichen Wirtschaftszone ausbildet.

Unsere aktuelle Arbeit fokussiert sich auf Verständnis und Quantifizierung der lokalen Vermischungsprozesse an einer einzelnen Windkraftanlage mit Large Eddy Simulationen und in-situ-Messungen. Erste Resultate deuten darauf hin, dass die schwache Thermoklinen-Turbulenz durch Windparks verstärkt werden dürfte.


Publikationen:

Schultze, L.K.P., Merckelbach, L., & Carpenter, J.R. (2017): Turbulence and Mixing in a Shallow Stratified Shelf Sea from Underwater Gliders. Journal of Geophysical Research -- Oceans, 122, doi:10.1002/2017JC012872

Floeter, J., Beusekom, J.E.E. van, Auch, D., Callies, U., Carpenter, J.R., et al. (2017): Pelagic Effects of Offshore Wind Farm Foundations in the Stratified North Sea. Progress in Oceanography, 156, 154–173, doi:10.1016/j.pocean.2017.07.003

Carpenter, J.R., Merckelbach, L., Callies, U., Clark, S., Gaslikova, L., & Baschek, B. (2016): Potential Impacts of Offshore Wind Farms on North Sea Stratification. PLoS ONE, 11(8), e0160830, doi:10.1371/journal.pone.0160830

Windströme von Turbinen

Das Bild des Radarsatelliten <i>Sentinel-1</i> zeigt die großräumige Windschleppe des Windparks DanTysk (links) und ein vom marinen Radar des Hereon aufgezeichneten Windfelds in dem Gebiet (markiert per kleinem Kreis). <i>Bild: Jochen Horstmann / Hereon</i>

Das Bild des Radarsatelliten Sentinel-1 zeigt die großräumige Windschleppe des Windparks DanTysk (links) und ein vom marinen Radar des Hereon aufgezeichneten Windfelds in dem Gebiet (markiert per kleinem Kreis). Bild: Jochen Horstmann / Hereon

Windräder entziehen einem Windfeld Dynamik und fügen gleichzeitig Turbulenzen hinzu. Diese Windströme sind in Radarfernerkundungsdaten sichtbar und zeigen die Abhängigkeiten der Ströme von der Größe und Höhe der Windkraftanlage und der Größe des Windparks. Die Windströme sind bis zu hundert und mehr Kilometer groß.

Durch den Vergleich der von den SENTINEL-1- und TerraSAR-X-Satelliten erfassten Daten mit Daten aus SAR-Radaren und Profilmessungen auf der FINO-1-Forschungsplattform wurde gezeigt, dass die Wirbeltiefe mit atmosphärischer Stabilität zunimmt. Die Beobachtungen zeigen zudem, dass die Länge der Strömungen mit atmosphärischer Stabilität, hervorgerufen durch reduzierte vertikale Impulsflüsse, wächst.

Zusätzliche Studien wurden durchgeführt, um die Wechselwirkung von Windströmen aus verschiedenen Windparks in der Deutschen Bucht zu analysieren. Effekte einzelner Windkraftanlagen auf Wind- und Reibungsgeschwindigkeiten werden mit marinen Radaren des Hereon in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung beobachtet. Dabei zeigen sich starke Windscherungszonen über die individuellen Windströme.


Publikationen:

Vicen-Bueno, R., Horstmann, J., Terril, E., Paolo, T. de, & Dannenberg, J. (2013): Real-Time Ocean Wind Vector Retrieval from Marine Radar Image Sequences Acquired at Grazing Angle. J. Atmos. Oceanic Technol., Vol. 30, p. 127–139, doi:10.1175/JTECH-D-12-00027.1

Djath, B., Schulz-Stellenfleth, J., & Cañadillas, B. (2018): Impact of atmospheric stability on X-band and C-band synthetic aperture radar imagery of offshore windpark wakes. Journal of Renewable and Sustainable Energy, Volume 10, Issue 4, doi:10.1063/1.5020437