Verifikation von Offshore-Windenergieanlagen

Offshore-Windenergieanlagen (Offshore-WEA) sind anderen Umweltbedingungen als Onshore- WEA ausgesetzt, was zu neuen Herausforderungen bei der Auslegung neuer großer Windenergieanlagen führt. Die umfangreichen Erfahrungen mit Onshore-WEA in Deutschland stellen die Grundlage dar, die erweitert und ausgebaut werden soll, um zuverlässige Offshore-WEA entwerfen zu können. Das Projekt beschäftigt sich mit der Verifikation von Schlüsselaspekten des Entwurfs und Betriebs von Offshore-WEA.

Das Verbundprojekt, in dem Partner aus Industrie und Forschungsinstituten zusammenarbeiten, wird vom Stiftungslehrstuhl Windenergie (SWE) der Universität Stuttgart koordiniert. In fünf Arbeitspaketen werden insgesamt fünf Forschungsthemen bearbeitet, deren Umfang und Ziele unten dargestellt sind.

Das Arbeitspaket Offhore-Leistungskurven wird vom Deutsches Windenergie Institut (DEWI) geleitet. Das wesentliche Ziel dieses Arbeitspakets ist die Reduktion von Risiken in der Ertragsprognose für Einzelanlagen und Windparks. Hierzu sollen insbesondere die geplanten Untersuchungen der atmosphärischen Einflüsse auf die Leistungskurven von Offshore-Anlagen beitragen. Die Bestimmung der Leistungskurven in Abhängigkeit von den Windverhältnisse in der Grenzschicht und wird mittels alternativer Messverfahren wie LIDAR und für den Offshore-Bereich angepasster Grenzschicht- Modelle erfolgen.

Das Arbeitspaket zur Verifikation der Strömungsbedingungen und Nachlaufbelastungen in Offshore- Windparks wird vom Zentrum für Windenergieforschung der Carl-von-Ossietzky-Universität Oldenburg (ForWind) geleitet. Die besonderen atmosphärischen Bedingungen offshore und die Größe der Windparks erfordern eine Überprüfung der aktuellen vereinfachten Windpark-Simulationsmodelle.

Eine Verifikation der Anlagendynamik und der Belastungen wird im Arbeitspaket drei durchgeführt. Koordiniert vom SWE werden aktuelle Gesamtmodelle von Windenergieanlagen verifiziert. Hier stehen die Verifikation des gesamten Anlagenverhaltens und die Überprüfung der globalen Belastungen im Vordergrund. Parallel dazu werden bestehende Simulationsverfahren erweitert, um die aufgelösten Tragstrukturen bei Offshore-WEA genauer als bisher abbilden zu können.

Online-Monitoring des Belastungsverhaltens ist das Thema des ebenfalls vom SWE geleiteten vierten Arbeitspakets. Dabei sollen zwei grundlegende Verfahren zur Umsetzung einer effizienten und robusten Betriebsüberwachung erforscht werden. Das eine Verfahren basiert auf der direkten Messung der Belastung von Windenergieanlagenkomponenten und das zweite auf der indirekten Abschätzung der Belastungen auf der Grundlage von Standardsignalen vom SCADA-System.

Das Arbeitspaket-5 wird von Institut für Meteorologie und Klimaforschung der des Forschungszentrums Karlsruhe GmbH, Garmisch-Partenkirchen geleitet. Es hat die Analyse und Verbesserung der Turbulenzbeschreibung in regionalen numerischen Windfeldmodellen für offshore-Gebiete von einigen 10 000 km2 zum Ziel. Turbulenzbeschreibungen in bisherigen Modellen basieren auf Daten, die über Land gewonnen wurden. Grundlage sollen die FINO-1 Wind- und Turbulenzdaten sein. Für typische Wetterlagen und Windgeschwindigkeiten wird die Turbulenz über der Südlichen Nordsee mit einem vorhandenen numerischen Windfeldmodell (WRF) simuliert und dann mit den Messdaten verglichen.

Fragen im Bezug zum Projekt:

1. Welchen Effekt haben bestimmte atmosphärische Bedingungen auf das Leistungsverhalten von Offshore-WEA und können die Leistungskurven am Meer mittels LIDAR-Technologie mit ausreichend hoher Genauigkeit ermittelt werden?
2. Welche Belastungen treten an einer Offshore-WEA auf, die unter niedriger Umgebungsturbulenzintensität und im Nachlauf betrieben wird?
3. Inwieweit sind die aktuellen Simulationswerkzeuge zur Ermittlung des Leistungsverhaltens und der Belastung von Offshore-WEA geeignet und wie können die Ergebnisse durch eine integrierte Gesamtsimulation mit komplexen Tragstrukturen verbessert werden?
4. Wie kann ein effizientes und robustes Load-Monitoring-System implementiert werden und wie kann ein solches System dazu verwendet werden, das Betriebsverhalten zu verbessern?
5. Wie kann die Turbulenz in regionalen numerischen Windfeldmodellen für offshore-Gebiete besser und exakter beschrieben werden und damit die vertikalen Profile von Windgeschwindigkeit und Turbulenzintensität besser vorhergesagt werden?

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