Modellrechnung über Luftströmungen in Windparks - günstiger Abstand liegt zwischen sechs und zehn Rotorendurchmessern

Schema Windkraftwerk

- Ein großer Hoffnungsträger für den weiteren Ausbau erneuerbarer Energien sind Offshore-Windkraftwerke. In der Nordsee sind zahlreiche Windparks in Planung, die sich jeweils aus vielen einzelnen Anlagen zusammensetzen. Doch wie weit müssen die Anlagen auseinander stehen, damit jede den Wind optimal nutzen kann? Diese Frage hat Stefan Emeis vom Karlsruher Institut für Technologie untersucht. Sein Ergebnis, das er bei der DPG-Jahrestagung vorstellte: Auf See sind größere Abstände nötig als an Land.

Grundsätzlich bremst die Reibung mit dem Boden den Wind, deshalb steigt die Windgeschwindigkit mit zunehmender Höhe. Auch auf See würde deshalb niemand seine Rotoren knapp über der Wasseroberfläche platzieren, so Emeis. Ein Teil des Impulses der Luftmoleküle wird dafür aufgewendet, den Rotor anzutreiben, dadurch wird der Wind ebenfalls gebremst. Hinter einem Rotor bekommt die Geschwindigkeitskurve deshalb eine Delle. Gleichzeitig entstehen Verwirbelungen, die den Austausch mit höheren Luftschichten begünstigen. Dieser Austausch sorgt dafür, dass die abgebremsten Luftmoleküle wieder beschleunigt werden. Dadurch normalisiert sich die Geschwindigkeit im zunehmenden Abstand zum Rotor.

Mittels einer einfachen Modellrechnung konnte Emeis eine Formel dafür aufstellen, wie der Geschwindigkeitsverlust vom Abstand abhängt. Dabei ignorierte er Effekte an den seitlichen Rändern, ging also von unendlich breiten Windparks aus. Trotzdem stimmten seine Ergebnisse mit gemessenen Werten in etwa überein. Ein guter Abstand zwischen den Rotoren liegt demzufolge im Bereich von etwa sechs bis zehn Rotorendurchmessern. Für den Optimalwert müsse man außer der Physik noch Wirtschaftlichkeitserwägungen berücksichtigen, so Emeis. Die Bremswirkung eines ganzen Windparks sei aber auch noch in zwanzig Kilometer Abstand festzustellen.

Emeis' Rechnungen zeigen zudem, wie wichtig die Rauigkeit des Bodens ist. Sie beeinflusst, wie gut die Luftschichten in Kontakt stehen, wie schnell sich also das eingedellte Geschwindigkeitsprofil regeneriert. Je glatter der Untergrund, desto länger dauert es. Auf See brauche man deshalb größere Abstände als an Land, wo etwa Hügel und Vegetation für Unebenheit sorgen, betont Emeis. Sonst mache man sich den Vorteil der höheren Windgeschwindigkeiten wieder zunichte: "Bei gleicher Turbinendichte hätte man offshore kaum mehr Ertrag als an Land."