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DLR: Turbulenzen im Windpark

Hier stehen sich die Windräder absichtlich gegenseitig im Weg. Die einzigartige Anlage in Krummendeich soll Windparks erforschen, um sie zu verbessern. Darunter: Wie laut sind Windparks wirklich?



Kein Start von etwas Besonderem ohne großen roten Knopf. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat an diesem Tag gleich drei davon – um eine große Anlage anzufahren, reicht ein Buzzer offensichtlich nicht aus. Und so drücken gleich sieben Menschen, darunter DLR-Chefin Anke Kaysser-Pyzalla und der niedersächsische Ministerpräsident Stephan Weil (SPD), auf die roten Knöpfe. Auf einem Bildschirm ist zu sehen, wie sich draußen ein Windrad träge zu drehen beginnt.

In Betrieb genommen wurde Wivaldi, der Forschungswindpark des DLR, im niedersächsischen Krummendeich. Dort wollen Forscher künftig unter realen Bedingungen an Windkraftanlagen forschen. Die ganze Anlage ist dafür gespickt mit Sensoren, die den Wissenschaftlern ganz neue Einblicke gewähren sollen, welche Windströmungen und -turbulenzen in einem Windpark herrschen.

"Die Windenergie hat noch weiteres großes technologisches Potenzial", sagte Kaysser-Pyzalla. "Gemeinsam mit unseren Partnern aus Industrie und Wissenschaft arbeiten wir an Lösungen, um die Windenergie noch effizienter und günstiger [zu machen] und damit die Energiewende für Wirtschaft und Gesellschaft weiter zu befördern."

Der Windpark hat zwei Windräder

Krummendeich liegt auf der niedersächsischen Seite der Elbe, nördlich von Stade. Gegenüber, auf dem anderen Elbufer, ist Brunsbüttel, mit dem ausgedienten Atomkraftwerk und dem schwimmenden Flüssiggas-Terminal. Windräder sind hier im Norden, wo der Wind praktisch beständig von See weht, nichts Besonderes. Im Gegenteil: Im Vergleich zu den umliegenden Parks nimmt sich der des DLR klein aus: Gerade mal zwei Windräder stehen hier. Sie speisen zwar Strom über die Anschlussstation im benachbarten Freiburg ins Netz. Das ist aber nur ein Nebenaspekt.

Der Windpark ist in mehrerlei Hinsicht ungewöhnlich. So stehen die beiden Windräder recht nahe beieinander. "Wir haben die Anlagen hier extra in Hauptwindrichtung hintereinander aufgebaut", sagt Jan Teßmer, Koordinator Windenergieforschung und kommissarischer Leiter Windenergie-Experimente am DLR, im Gespräch mit Golem.de. Normalerweise vermeidet man beim Aufbau eines Windparks eine solche Konstellation.

Denn so nimmt ein Windrad dem anderen den Wind weg. Das zweite verliert dadurch nicht nur an Wirkungsgrad. Die Turbulenzen erzeugen auch zusätzlich Last. Andererseits, sagt Teßmer, werde es sich kaum vermeiden lassen, Windräder enger als bisher aufzustellen, weil hierzulande die zur Verfügung stehende Fläche begrenzt sei.

Hier kommt die zweite Besonderheit von Wivaldi ins Spiel: drei riesige Masten, zwei 100 Meter und ein 150 Meter hoher, auf denen Sensoren angebracht sind. Weitere Sensoren sind in den Anlagen selbst verbaut. In die Rotorblätter sind Dehnungssensoren und Drucksensoren integriert. Außen sind zudem Punktfelder auf den Rotorblättern gemalt. Auf einem der beiden Windräder schließlich sitzt ein Lidar.

Rund 2.000 Sensoren sind in Wivaldi verbaut. Damit wollen die DLR-Forscher jede Menge Messdaten von den Anlagen erfassen.

Sensoren erfassen Winddaten

Da sind zunächst die Sensoren auf den Auslegern der Masten. Sie messen hochaufgelöst Windrichtung und -geschwindigkeit, Temperatur sowie Feuchtigkeit. "Diese Parameter spielen eine große Rolle, wie sich das Windfeld vom Boden bis zur Spitze aufbaut", erläutert Teßmer. "Das sich drehende Rotorblatt kann oben eine ganz andere Windgeschwindigkeit oder -richtung erleben als unten."

Für eine kurzfristige Windvorhersage dient der Lidar: Der Sensor schaut in die Richtung, aus der der Wind kommt, und erkennt, welche Windfelder in den nächsten Sekunden auf die Anlage zukommen. Möglicherweise hilft das, eine Anlage effizienter zu regeln – auch das wollen die DLR-Forscher in Krummendeich herausfinden.

Bei den Rotorblättern interessieren vor allem die Kräfte, die darauf einwirken, sowie die Verformungen, die daraus resultieren. Diese Parameter werden von Dehnungs- und Drucksensoren erfasst, die in die Rotorblätter eingelassen sind.

Kameras beobachten die Rotoren

Die Felder mit den Punkten dienen ebenfalls dazu, Verformungen optisch zu messen. Dazu werden zwei hochauflösende Kameras aufgestellt, die über einen Zeitraum von zwei, drei Wochen die Flügel beobachten. Aus dem Vergleich der Bilder lassen sich laut DLR "detaillierte Verformungs- und Bewegungsinformationen der Rotorblätter im Betrieb gewinnen". Die Daten aus dem optischen Verfahren wiederum können korreliert werden mit den Werten der Sensoren in den Blättern.

Die Datensammlung hat aber schon deutlich früher begonnen. Schon vor dem Beginn der Bauarbeiten seien erste Messkampagnen durchgeführt worden, teilte das DLR mit. Mit einem Lidar habe das DLR-Institut für die Physik der Atmosphäre Daten zu Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Turbulenzen erfasst.

Diese Daten wollen die Forscher mit denen aus dem Betrieb vergleichen. So wollen sie herausfinden, ob sich durch die Windräder das lokale Wetter sowie die Lärmkulisse in Krummendeich verändert hat. Neben optischen Veränderungen befürchten Anwohner von neuen Windparks oft eine zusätzliche Lärmbelästigung.

Wie laut ist ein Windpark?

Lärm sei ein wichtiges Thema, wenn es um die Akzeptanz von Windenergie gehe, sagt Meike Jipp, DLR-Bereichsvorständin für Energie und Verkehr, im Gespräch mit Golem.de. "Wir messen den Lärm, wenn die Anlage läuft, und dann stellen wir das visuell als Lärmteppich dar. Dann wird der Lärm objektivierbar: Jeder sieht ihn auf eine vergleichbare Art und Weise."

Das Schwierige an Lärm sei, erläutert die Forscherin, dass Lärmwahrnehmung sehr subjektiv sei und nicht unbedingt etwas mit objektivem Lärm zu tun habe. Dabei spiele die Charakteristik des Lärms eine Rolle: "Es macht einen Unterschied, ob der Staubsauger läuft oder ob Geschirr klappert. Der Staubsauger erzeugt ein gleichmäßiges Geräusch. Klappern dagegen ist ein sehr abruptes Geräusch, und abrupte Geräusche werden von Menschen stärker wahrgenommen als konstante."

Über Objektivierungen lasse sich die Akzeptanz der Windkraftanlagen vergrößern, sagt Jipp. Daneben sollen aber auch Methoden erprobt werden, um Geräuschemissionen zu verringern, beispielsweise über die Geschwindigkeit, mit der das Windrad drehe, oder den Kippwinkel der Rotorblätter. Eine Rolle spiele schließlich die Konstellation der Windräder zueinander.

Wozu dienen die Daten?

Wivaldi ist einzigartig

Die Sensorik bietet die Möglichkeit, neue Technologien zu testen. Dazu gehören beispielsweise die Smart Blades, die das DLR zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme (IWES) und der Windenergie-Forschungseinrichtung For Wind entwickelt. Diese intelligenten Rotorblätter sind mit passiven und aktiven Systemen ausgestattet, um Lasten zu verringern und den Ertrag zu steigern.

Eine weitere wichtige Funktion von Wivaldi wird zudem sein, neue Verfahren zur Konstruktion von Windkraftanlagen zu validieren. Beim Entwurf kommen häufig Computersimulationen zum Einsatz. "Das ist natürlich ein Wunsch, das mit Simulationsverfahren zu machen. Das kann uns sehr viel Kosten ersparen", sagt Teßmer. "Nur: Die müssen validiert werden, und dazu brauchen wir dieses Setup hier." Mit der Sensorik in dem Forschungswindpark ließen sich die Simulationsmodelle validieren.

Mit seiner umfangreichen Sensorik auf den Masten und in den Rotorblättern sei Wivaldi weltweit einzigartig, sagt Teßmer. Das Messmasten-Array ermögliche eine vollflächige Vermessung der Turbulenzen, die durch die erste Anlage auf die zweite treffen. "Das so hoch aufgelöst zu messen, gibt es sonst nirgends."

Die Sensoren beim Bau der Blätter eingebaut

Auch die Ausstattung der Rotorblätter mit Sensoren sei etwas Besonderes. "Man kann da nicht reinkriechen und Sensoren aufkleben", sagt Teßmer. "Die mussten wir in der Fertigung einbringen." Das habe bedeutet, die Serienfertigung zu stören. "Das ist wirklich Teamwork, wo Forschung und Industrie in sehr sensiblen Prozessen zusammengearbeitet haben."

Der Forschungswindpark Wivaldi steht laut DLR nicht nur den eigenen Instituten zur Verfügung. Auch Externe können hier Projekte durchführen. Aktuell ist der Park noch im Probebetrieb. Die bereits laufenden Projekte gelten noch als Aufbauprojekte. Ziel ist, im Winter mit dem regulären wissenschaftlichen Betrieb zu starten.

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