Ressource Wind

Die vertikale Struktur der marinen atmosphärischen Grenzschicht (Geschwindigkeit, Turbulenz, Windrichtung) ist nach wie vor nur unvollständig bekannt, was Defizite bei der ingenieurwissenschaftlichen Last- und Leistungsbestimmung für Windenergieanlagen zur Folge hat. ForWind führt grundlegende Untersuchungen zur vertikalen Struktur der marinen atmosphären Grenzschicht durch, mit den folgenden Zielen:

• Weiterentwicklung und Verifizierung von Modellen der vertikalen Grenzschichtstruktur über dem Meer. Hierzu werden die verfügbaren räumlich und zeitlich hoch aufgelösten Offshore-Messdaten eingesetzt.
• Quantifizierung der Unsicherheiten in der Windprofilbestimmung unter verschiedenen meteorologischen Bedingungen
• Analyse der vertikalen Windscherung zur Klassifizierung der Windverhältnisse bezüglich verschiedener meteorologischer Situationen
• Untersuchung unterschiedlicher Grenzschichtparametrisierungen hinsichtlich ihrer Verwendung in mesoskaligen Strömungsmodellen (wie z. B. WRF)

Die Entwicklung der Windenergie erfordert mehr und mehr hochwertige Ressource-Informationen in zeitlichen Skalen von 10 min bis mehrere Dekaden und räumlichen Skalen von 10 m bis 100 km.
Neben der Verwendung verfügbarer Daten von Messstationen, neuer Sensorik wie LIDAR und Fernerkundung werden insbesondere atmosphärische (mesoskalige) Strömungsmodelle eingesetzt.

ForWind nutzt das Mesoskalenmodell WRF (Weather Research and Forecasting Model, NCEP/NCAR), um insbesondere die Einflüsse der Nord- und Ostsee und von komplexen Geländeformen auf das Windfeld zu untersuchen. Dieses Modell nutzt meist räumlich und zeitlich grob aufgelöste Daten von globalen Modellen als Eingang, um über „Downscaling“-Verfahren den Einfluss kleinskaliger lokaler und regionaler Gegebenheiten zu beschreiben. Mit den WRF-Daten lassen sich somit die Windpotentiale an Standorten, an denen Messungen nicht möglich oder zu zeit- und kostenintensiv sind, in beliebigen Höhen abschätzen.

In Verbindung mit langjährigen Daten (z. B. Reanalysedaten, Klimaszenarien) werden darüber hinaus Variabilitäten und Extremsituationen auf langfristigen Zeitskalen untersucht. Mesoskalige Modellrechnungen werden flankiert von einfachen parametrisierten Modellen und von kleinskaligen hochauflösenden Modellen wie Large Eddy Simulation (LES).

Windenergieanlagen nutzen als Ressource den Wind in der atmosphärischen Grenzschicht. Im Gegensatz zur Wasserkraft ist diese Ressource hochgradig instationär und weist in Raum und Zeit extreme Fluktuationen auf kleinen Skalen auf. Das Verständnis von Windfeldern ist darum von großer Bedeutung für die richtige Dimensionierung von Windenergieanlagen.

Ziel der stochastischen Windfeldmodellierung ist es, bestehende Windfeldmodelle zu analysieren und zu erweitern. Die herkömmlichen Ansätze beruhen derzeit meist auf spektralen Verfahren. Der zentrale Kritikpunkt daran: Sämtliche Statistiken haben Gauß‘schen Charakter, im Gegensatz zu experimentellen Ergebnissen für atmosphärische Strömungen.

Zur verbesserten Modellierung der intermittenten Dynamik atmosphärischer Turbulenz nutzt ForWind daher aktuelle Ansätze aus der Dynamik komplexer Systeme und turbulenter Strömungen. Dabei kommen einerseits Continuous Time Random Walks (CTRWs) zum Einsatz, eine spezielle Klasse von Zufallsprozessen. Diese konnten im Zusammenhang mit Lagrange’schen Teilchenbahnen in der Turbulenztheorie identifiziert werden. Ein anderer Ansatz beruht auf der stochastischen Modellierung der turbulenten Kaskade über viele Größenskalen auf Basis neuester Ergebnisse der Forschung in Oldenburg. Diese Methode ist in der Lage, zusätzlich zu den Zweipunkt-Korrelationen prinzipiell beliebige Mehrpunkt-Korrelationen turbulenter Strömungen zu reproduzieren.