Offshore-Windkraftanlagen verwirbeln Wasser und Luft

Offshore-Windkraftanlagen bewirken Veränderungen in ihrer Umgebung, sowohl in der umgebenden Luft als auch im Wasser. Sie bilden Hindernisse für die Luft und das Wasser, die sie umströmen. Und wie es ihrem Daseinszweck entspricht, entnehmen sie Energie aus dem System. Welche Folgen haben diese Einwirkungen für die Umwelt, für Luft und Wasser in ihrer direkten und weiteren Umgebung? Wie wirken sie über die physikalischen Effekte hinaus z.B. auf biologische Prozesse?  Genau das wird zurzeit am Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) in Zusammenarbeit mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie untersucht.

Die Luft und die Gewässer sind oft geschichtet. Wärmeres Wasser befindet sich dann zum Beispiel über einer kälteren, nährstoffreicheren Schicht. Windkraftanlagen können wie große Rührbesen wirken und diese Schichtung stören. Diesen Einfluss auf die Schichtung und die Entwicklung von Turbulenzen zu untersuchen, ist wichtig – und Vorrausetzung, um den Einfluss von Windkraftanlagen auf die Pflanzen und Tiere, das Nahrungsnetz und die Ökosystemfunktionen besser zu verstehen. Damit können dann auch die möglichen Auswirkungen auf die Ökosysteme und ihre Komponenten besser eingeschätzt werden.

Und es gibt einen weiteren interessanten und wichtigen Aspekt dieses großen „Umrührens“: Die einzelnen Windkraftanlagen und auch die Windparks als solche beeinflussen sich dadurch auch gegenseitig. Es gibt also sogenannte Abschattungseffekte. Über welche Entfernungen spielen solche Effekte in der Luft (Atmosphäre) und im Wasser eine Rolle? Welchen Einfluss hat das zum Beispiel auf Sedimentationsprozesse? Auf die Ökosysteme? Oder auf die mögliche Energieausbeute? Fragen, die auch beim Bau und bei der Wartung von Windkraftanlagen und besonders beim geplanten weiteren Ausbau der Offshore-Windenergie wichtig sind.

Die Offshore-Windenergie ist eine wesentliche Komponente der Energie- und Klimapolitik Deutschlands. Der Wind weht über dem Meer stärker und konstanter als über dem Land. Die Rotoren der Offshore-Windkraftanlagen drehen sich daher an (fast) jedem Tag und liefern eine große Menge an Strom, sie erreichen fast doppelt so viele Volllaststunden wie Windkraftwerke an Land (Knorr et al., 2017).

Die Nordsee hat ein hohes Windpotential, sodass der intensive Ausbau der Windenergienutzung ökonomisch lohnend ist. Hierbei spielt auch die relativ geringe Wassertiefe eine Rolle, die es in vielen Bereichen erlaubt, Windturbinen auf dem Meeresboden zu installieren. Für Deutschland wurden ambitionierte Ausbauziele formuliert: In deutschen Gewässern wurden bis Ende 2020 Windkraftanlagen mit einer Leistung von 7.760 MW installiert und bis zum Jahr 2030 sollen 20.000 MW Windenergieleistung errichtet werden. In Deutschland wird der Großteil der Offshore-Windparks in der ausschließlichen Wirtschaftszone (AWZ, Küstenentfernung 12 bis 200 Seemeilen) und außerhalb der 12 Seemeilenzone errichtet. Für die Genehmigung der Anlagen in der AWZ ist das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) und für Anlagen innerhalb der 12 Seemeilen-Zone das jeweilige Küstenbundesland zuständig.

Da die nutzbare Fläche in der Deutschen Bucht begrenzt ist, werden die Windparks in Gruppen, sogenannten Clustern, von bis zu mehreren hundert Windkraftanlagen gebaut. Mit zunehmendem Ausbau der Offshore-Windenergie in einem bestimmten Gebiet spielen die Wechselwirkungen durch Abschattungseffekte zwischen verschiedenen Windkraftanlagen und besonders auch zwischen verschiedenen Windparks eine zunehmende Rolle.

Der großflächige Ausbau und Betrieb von Offshore-Windenergie-Anlagen in den Küstengewässern bringen neue Herausforderungen. Dadurch gibt es immer wieder neue Fragestellungen zu aktuellen und zukünftigen Umweltzuständen – einerseits im Kontext von Planung, Bau und Betrieb der Anlagen und andererseits zu deren direkten und indirekten Einflüssen auf die Umwelt und die Ökosysteme.

Hier soll der Fokus auf den physikalischen Aspekten liegen: Windkraftanlagen und ganze Windparks beeinflussen atmosphärische und ozeanische Prozesse. Turbulenzen und Wirbelschleppen entstehen in der umgebenden Luft und im Meerwasser. Fragen sind hier zum Beispiel: Welche Effekte haben die Wirbelschleppen auf die Umwelt und welche Rolle spielen mögliche Wechselwirkungen zwischen einzelnen Windkraftanlagen, die in einem Cluster zusammenstehen? Wie beeinflussen sich Windparks untereinander und wie wirken sie sich möglicherweise auf das lokale Klima aus? Und nicht zuletzt: Wie interagieren die atmosphärischen und die ozeanischen Vorgänge miteinander. Durch den intensiven Ausbau wird es nötig, aber auch möglich, diese Effekte direkt vor Ort zu untersuchen. Die Dynamik ist äußerst komplex und wird durch verschiedene Faktoren in der Atmosphäre, aber auch durch Eigenschaften der Wasseroberfläche beeinflusst.

Der Windertrag kann durch Wirbelschleppen im Lee der Windkraftanlagen und Windparks verringert werden („Luv“ = dem Wind zugewandte Seite, „Lee“ = windabgewandte Seite). Um das ökonomische Potential von geplanten Windparks abzuschätzen, ist die Windindustrie daher sehr an der Analyse von Wirbelschleppen interessiert.

Am Institut für Küstenforschung des Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) wird an einer breiten Palette an Fragestellungen im Themenfeld Offshore-Windenergienutzung geforscht (Abb. 1). Fragen zu Turbulenzen und Wirbelschleppen werden in einem interdisziplinären Ansatz untersucht. Die Turbulenzforscher um Jeff Carpenter erforschen zum Beispiel durch direkte Messungen mit Ozeangleitern (Glider) und mit theoretischen Modellen kleinräumige Strömungs-, Vermischungs- und Transportprozesse im Ozean. Anhand von Messdaten und mit numerischen Modellen untersucht die Abteilung um Joanna Staneva und Johannes Schulz-Stellenfleth großräumig die Windfelder hinter großen Windparks. Und gemeinsam mit den Radarhydrographen (Arbeitsgruppe um Jochen Horstmann) versuchen sie zukünftig den Wechselwirkungen von Wirbelschleppen und Seegang auf die Spur zu kommen.

Im Windschatten hinter einzelnen Windkraftanlagen und aber auch hinter gesamten Windparks entstehen sogenannte Wirbelschleppen (Nachläufe, Turbulenzschleppen, englisch wakes). In diesen Wirbelschleppen herrscht eine geringere Windgeschwindigkeit, veränderte Druckverhältnisse und erhöhte Turbulenz. Solche Nachläufe können viele Kilometer lang werden. Sie können aus dem Flugzeug beobachtet werden und sind auch aus dem All (Abb. 2a) und auf Bildern schiffsgestützter Radargeräte (Abb. 2b) sichtbar (Eschenbach & Horstmann, 2019).

Unter Offshore-Bedingungen über dem Meer sind die Wirbelschleppen (aufgrund der geringeren „Rauigkeit“) generell länger als über Land. Neben dem Wind spielen die Größe des Windparks sowie Höhe und Anordnung der Windkraftanlagen eine wesentliche Rolle für die Ausmaße der entstehenden Wirbelschleppen. Es gibt aber einen weiteren wichtigen Faktor, der die Ausdehnung beeinflusst: Die Luftschichtung, genauer die Bedingungen in der atmosphärischen Grenzschicht. Als atmosphärische Grenzschicht wird der untere Teil der Erdatmosphäre (bis etwa 2000 m mächtig) bezeichnet, der an die Erdoberfläche grenzt und unmittelbar von ihr beeinflusst wird, zum Beispiel durch Temperatur, Feuchtigkeit und Reibung am Boden. Die Windkraftanlagen ragen in diese atmosphärische Grenzschicht hinein und interagieren mit ihr, die Prozesse sind hierbei insbesondere durch den starken Einfluss von Turbulenz sowohl in Bezug auf numerische Modellierung als auch Messungen anspruchsvoll.

Offshore-Windkraft-Turbinen entnehmen Energie und Schwung („Momentum“, Impuls) aus dem Windfeld. Im Lee der Anlagen entsteht eine Wirbelschleppe mit geringerer Windgeschwindigkeit (Windgeschwindigkeitsdefizite bis 20 % wurden gemessen) und höherer Turbulenz. In einiger Entfernung von der Windkraftanlage löst sich die Wirbelschleppe allmählich auf und die Bedingungen gleichen sich an die Umgebungsbedingungen an. Diese Angleichung („Diffusion“) erfolgt schneller, wenn die Umgebungsluft ebenfalls bereits turbulent ist. Daher sind Wirbelschleppen bei instabiler Luftschichtung und bei höheren Windgeschwindigkeiten weniger stark ausgeprägt.

Für die Bedingungen in der Deutschen Bucht gilt zum Beispiel, dass die horizontale und vertikale Struktur der atmosphärischen Grenzschicht stark durch die Küstenlinie beeinflusst ist. Wenn der Wind vom Land seewärts weht und wärmere Luftschichten über die kältere Meeresoberfläche zu liegen kommen, entsteht offshore eine stabile Schichtung. Eine Situation, die häufig im Frühling und Sommer beobachtet wird. Solche stabile Schichtung ist eine günstige Bedingung für das Entstehen von ausgedehnten Wirbelschleppen. Für Wirbelschleppen einzelner Windparks wurden bis zu 32 km Länge gemessen, bei Überlagerung der Effekte verschiedener Windparks betrug die Länge bis zu 72 km oder sogar mehr als 100 km (Djath et al., 2018; Djath & Stellenfleth, 2019). Wenn dagegen eine instabile Schichtung vorherrscht – mit kalter Luft, die oft aus Nordwest kommt, über einer wärmeren Meeresoberfläche –, werden die Wirbelschleppen abgeschwächt und sind kürzer. Im Winter treten Wirbelschleppen daher weniger ausgeprägt auf. Diese Regelmäßigkeiten treten nicht nur im Jahresverlauf auf, sondern sind sogar im Tagesverlauf zu beobachten: Am Abend ist die Schichtung (auf Grund der über Tag erwärmten Luft) oft stabiler als morgens und die Wahrscheinlichkeit für Wirbelschleppen daher etwas höher (Djath & Stellenfleth, 2019).

Es ist bisher wenig bekannt, wie die Windparks die Hydrodynamik, das heißt, die Bewegung des Wassers und die dabei wirksamen Kräfte, beeinflussen. Auf jeden Fall spielen auch hier Schichtung und Turbulenz eine entscheidende Rolle.

Der Hintergrund für die zunehmende Bedeutung dieser Frage ist, dass Windkraftanlagen heute auch in Bereichen größerer Wassertiefe gebaut werden, in denen das Wasser im Sommer geschichtet ist.  Während der warmen Jahreszeit bildet sich beispielsweise in der nordwestlichen Deutschen Bucht bei Wassertiefen über 25-30 m durch die Sonneneinstrahlung eine (thermische) Schichtung aus: Die oberen Bereiche sind dann 5-10 °C wärmer. Flachere Gebiete sind in der Regel auch im Sommer durchmischt. „Natürliche“ Turbulenz, die die Schichtung zerstört, entsteht durch Wind an der Wasseroberfläche und durch Scherkräfte am Boden. Nun aber mischen auch die Windkraftanlagen mit. Durch die Gezeitenströmungen – quasi das Hin- und Herschwappen – entsteht an den Fundamentstrukturen der Windkraftanlagen verstärkte Turbulenz. Dies kann Veränderungen der Schichtung bewirken, und damit die vertikale Verteilung von Temperaturen, Nährstoffen, Sauerstoff und Schwebstoffen verändern – und die Biologie und Ökologie beeinflussen.

Anhand von Messdaten und Simulationen mit Computermodellen haben die Turbulenzforscher die Auswirkung der Strukturen von Windkraftanlagen ermittelt (Carpenter et al., 2016). Die Spannbreite der Durchmischungs-Effekte ist groß ist und hängt zum Beispiel von der Wassertiefe und der Stärke der Gezeiten ab. Im Rahmen von Messkampagnen wurde im Lee von Windkraftanlagen in der Wirbelschleppe eine deutliche Turbulenz festgestellt, während das Wasser in der Umgebung geschichtet war. Die durch einen Windpark verursachte Turbulenz ist im Vergleich zum von Windkraftanlagen unbeeinflussten, natürlichen Zustand deutlich erkennbar (signifikant, für den untersuchten Standort, Schultze et al., 2017). Computersimulationen untermauern, dass ein intensiver Ausbau von Windkraftanlagen in der Deutschen Bucht das großräumige Schichtungsregime und die Schichtungsdynamik im saisonalen Verlauf signifikant beeinflussen könnte (Schultze et al., 2020). Die momentane Ausbausituation hat bisher auf größerer räumlicher Skala nur sehr geringen Einfluss.

Die turbulente kinetische Energie in den durch die Pfeiler ausgelösten Verwirbelungen des Wassers verstärkt auch die Mobilisierung von Sediment vom Meeresboden (Grashorn & Stanev, 2016). Auf Satellitenbilder sind solche Sedimentwirbelschleppen im Lee von Windkraftanlagen in Küstengewässern zu sehen. Sie können auch mit Messgeräten vor Ort (in situ, zum Beispiel mit ADCP) beobachtet werden.

Sedimentation ist charakteristisch für Küstengewässer und die Dynamik stark von der Turbulenz abhängig. Im Wattenmeer ist die Sedimentationsdynamik auch wegen dessen Status als UNESCO-Welterbe von Bedeutung.

Die Nutzung der Windenergie über dem Meer hat großes Potential, bringt aber auch viele neue Herausforderungen und Fragen. Hier wurde beleuchtet, dass und wie sich im Lee von einzelnen Windkraftanlagen und von ganzen Windparks Turbulenzen bilden, sowohl in der Luft als auch im Wasser. Durch die Kombination und Integration von vor Ort (in situ) gemessen Daten mit Satellitendaten und Modellsimulationen ist die Erforschung, Quantifizierung und Visualisierung von Wirbelschleppen über große Gebiete mit hoher räumlicher Auflösung möglich.

In den meisten Wettersituationen bilden sich in der Luft lokale Wirbelschleppen innerhalb von Windparks. Die atmosphärische Stabilität spielt eine wesentliche Rolle für die Entstehung von Wirbelschleppen und kann deren Länge signifikant, um den Faktor 3 oder mehr, vergrößern. Allein aufgrund der gefundenen Ausdehnungen von zig Kilometern ist davon auszugehen, dass der Windertrag durch Wirbelschleppen von Windkraftanlagen und Windparks geschmälert werden kann. Eine wichtige Erkenntnis für die Abschätzung der Windernte und des ökonomischen Ertrags von (geplanten) Windparks sowie für die optimierte Planung zukünftiger Offshore-Windparks. Die neuen Erkenntnisse können dann auch in den Ingenieursmodellen entsprechend berücksichtigt werden (Cañadillas et al., 2020). Neue Forschungen ermöglichen die automatisierte Analyse großer Datensätze, zum Beispiel um die umfangreichen Messdaten verschiedenen Studien besser vergleichen zu können.

Auch im Wasser bilden sich hinter Windkraftanlagen Turbulenzzonen. Es ist wichtig, die Entwicklung der Schichtung unter dem zusätzlichen Einfluss von Windparks besser zu verstehen. Damit können Fragen nach der lokal unterschiedlichen Einflussnahme von Windparks auf die natürlichen Prozesse bearbeitet werden. Zukünftig sollen die Effekte verschiedener Schichtungs- und Strömungsbedingungen sowie unbeständige Gezeiteneffekte auch mit Hilfe umfangreicher Computersimulationen genauer untersucht werden. Dann können auch die Auswirkungen auf biologische Prozesse besser abgeschätzt werden.

Im November 2019 ist das neue Forschungsprojekt „Interaktion der Nachläufe großer Offshore-Windparks und Windparkcluster mit der marinen atmosphärischen Grenzschicht“ (X-Wakes) gestartet. Durch eine Kombination von gemessenen Daten (in situ, per Satellit, Flugzeugmesskampagnen) mit Modellierungen wird genauer untersucht, wie sich die Windparkcluster gegenseitig beeinflussen und welche Auswirkungen ein großflächiger Ausbau der Offshore-Windparks auf die zukünftigen Windverhältnisse haben wird. Die Erträge der Windparks sollen für künftige Ausbauszenarien unter realistischen Bedingungen vorhergesagt werden.

Eine spannende Frage und Aufgabe zukünftiger Forschungsprojekte ist die Erforschung der Kopplung, also der gegenseitigen Abhängigkeiten von Prozessen in der Luft und im Wasser. Wie beeinflussen sich die Strömung, der Seegang und das Windfeld genau? Wie verändert sich der Seegang in den Turbulenzschleppen im Windschatten von Windkraftanlagen und ganzen Windparks?  Kopplungsprozesse sind auch ohne den Einfluss von Windparks schon äußerst komplex und werden durch die zusätzlichen Interaktionen der Anlagen mit der Grenzschicht zu einer besonders spannenden Herausforderung für Wissenschaftler unterschiedlicher Disziplinen. Die Forschung auf dem Gebiet der Prozesskopplung ist von breitem Interesse und in vielerlei Hinsicht anwendbar, zum Beispiel für Untersuchungen zum Klimawandel.

Text: Dr. Christiane Eschenbach (Helmholtz-Zentrum Geesthacht | HZG)

  Cañadillas, B., Foreman, R., Barth, V., Siedersleben, S., Lampert, A., Platis, A,. Djath, B., Schulz-Stellenfleth, J., Bange, J., Emeis, S. & Neumann, T. (2020). Offshore wind farm wake recovery: Airborne measurements and its representation in engineering models. Wind Energy, 23(5). 1249-1265. doi:10.1002/we.2484

  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

  Djath, B. & Schulz-Stellenfleth, J. (2019). Wind speed deficits downstream offshore wind parks – A new automised estimation technique based on satellite synthetic aperture radar data. Meteorologische Zeitschrift, 28(6), 499-515. doi:10.1127/metz/2019/0992

  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, 10(4):043301. doi:10.1063/1.5020437

  Eschenbach, C. & Horstmann, J. (2019, 15. April). Windböen kurzfristig vorhersagen. Earth System Knowledge Platform [eskp.de], 6. doi:10.48440/eskp.056

  Grashorn, S. and E.V. Stanev (2016) Kármán vortex and turbulent wake generation by wind park piles. Ocean Dynamics, 66, 12, pp 1543–1557. doi:10.1007/s10236-016-0995-2

  Schultze, L., Merckelbach, L., Raasch, S., Christiansen, N., Daewel, U., Schrum, C. & Carpenter, J. (2020). Turbulence in the wake of offshore wind farm foundations and its potential effects on mixing of stratified tidal shelf seas [Presentation]. Presented at Ocean Sciences Meeting 2020, San Diego, CA, US.

  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(11), 9092-9109, doi:10.1002/2017JC012872

  Witsch, K. (2019, 25. Oktober). Offshore-Windparks werden die Energiewelt nachhaltig verändern. Handelsblatt [www.handelsblatt.com]. Aufgerufen am 08.01.2021.

DOI
https://doi.org/10.48440/eskp.059

Veröffentlicht: 15.01.2021, 8. Jahrgang

Zitierhinweis: Eschenbach, C. (2021, 15. Januar). Offshore-Windkraftanlagen verwirbeln Wasser und Luft. Earth System Knowledge Platform [eskp.de], 8. doi:10.48440/eskp.059