Windenergie besser vorhersagen

Doch um Wind auch im Binnenland bestmöglich auszunutzen, müssen Turbinen optimal positioniert und dimensioniert werden. Ein 200 Meter hoher Windmessmast liefert exakte Daten, aus denen sich auch Energieerträge vorhersagen lassen.

Der Atomausstieg ist beschlossen, die Energiewende aber längst nicht geschafft. Auf dem Weg dahin soll die Erzeugung von Windenergie drastisch ausgebaut werden. Und zwar nicht nur mit Offshore-Anlagen, sondern auch an Land. »Dort gibt es noch große Potenziale, die ausgeschöpft werden können, etwa im Mittelgebirge«, sagt Tobias Klaas, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES in Kassel. Klaas ist zugleich Leiter des Forschungsprojekts »Windenergienutzung im Binnenland«, das vom Bundesumweltministerium gefördert wird.

Um einen Windpark möglichst effizient zu betreiben, muss Planern vorab genau bekannt sein, welche Windgeschwindigkeiten am Standort vorherrschen und mit welchen Verwirbelungen zu rechnen ist. Das Problem: »Mit herkömmlichen Methoden sind Messungen der erwarteten Leistung bei der Planung moderner, großer Anlagen kaum oder nur mit hohem Aufwand und Kosten möglich«, sagt Klaas. Hinzu kommt, dass Wälder und Hügelland es erschweren, Windbedingungen zu analysieren. Fachleute sprechen dabei von »komplexem Gelände«, dessen Topografie die Windbedingungen bis in große Höhen beeinflusst.

Höchster Windmessmast Europas

Daher haben Klaas und seine Kollegen vom IWES einen 200 Meter hohen Windmessmast errichtet. Seit Januar werden damit unweit von Kassel auf einem bewaldeten Hügel Messungen der Windgeschwindigkeiten, Turbulenzen und weiterer meteorologischer Größen durchgeführt. Es ist der größte Messmast Europas für Windenergie. Übliche Masten sind nur etwa 100 Meter hoch. Das Rotorblatt einer modernen Turbine erreicht jedoch leicht die doppelte Höhe. So erstaunlich es klingen mag: Dort oben wissen Wissenschaftler wenig über die Dynamik der Windverhältnisse. »Es gibt zwar Theorien darüber, wie etwa die Windgeschwindigkeit mit der Höhe ansteigt, diese aber gelten in solch großen Höhen nicht mehr. Deshalb sind tatsächliche Messwerte notwendig, um die Modelle weiterzuentwickeln«, erklärt Klaas.

Denn wenn beispielsweise Bäume bodennahe Winde abbremsen und sie verwirbeln, lässt sich davon nicht ohne weiteres auf die Verhältnisse in höheren Regionen rückschließen. Das gelingt nun mit dem Messmast der Fraunhofer-Forscher. Er erfasst mittels Ultraschall-Anemometern – speziellen Windmessern – räumlich, wie schnell und in welcher Richtung der Wind weht, so dass ein exaktes Bild der Turbulenzen entsteht. Klassische Schalenstern-Anemometer ermitteln überdies Windgeschwindigkeit und -richtung in verschiedenen Höhen. Zusätzlich werden weitere meteorologische Größen wie Luftdruck, -feuchtigkeit und -temperatur gemessen. Werte zur Niederschlagsmenge und Sonnenscheindauer komplettieren die Daten. »Damit erreichen wir eine einzigartige sensorische Ausstattung, die es erlaubt, den Einfluss dieser Parameter auf die Windbedingungen zu bestimmen«, sagt Klaas.

Die detaillierten Messwerte helfen nicht nur dabei, Windräder optimal auszurichten, sondern auch sie angemessen zu dimensionieren. Dies ist die Voraussetzung dafür, dass beispielsweise die Turbinen mit der richtigen Höhe gebaut und nicht massiver als erforderlich konstruiert werden müssen, was Kosten spart.

Außerdem soll mithilfe des Windmessmasts daran mitgewirkt werden, Normen für neue bodenbasierende Fernmessverfahren, LIDAR-Windmessungen (Light Detection And Ranging), zu entwickeln. Das laser-optische Messverfahren gilt als der Schlüssel für Windprofilmessungen bis in Höhen von mehreren hundert Metern. Bislang ist LIDAR mangels Standards nicht als alleiniges Messverfahren für Windgutachten zugelassen, die die Basis für Ertragsberechnungen sind. Sollte das auch dank des Fraunhofer-Messmasts eines Tages gelingen, dann hätte dieser sich selbst überflüssig gemacht – Masten wären dann nicht mehr nötig.