WWU-Physiker verbessern Windkraftanlagen durch mathematische Vorhersagen

Forscher vom Institut für Theoretische Physik der WWU Münster machen den Wind mathematisch genauer vorhersagbar, um die Nutzung der Windenergie zu verbessern.

Die Arbeit ist Teil des Projekts „Windturbulenzen und deren Bedeutung für die Nutzung der Windenergie“, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird. Neben den Münsteranern sind Forscher der Fachhochschule Kiel, des Max-Planck-Instituts für Physik komplexer Systeme in Dresden und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Göttingen beteiligt sowie – als Koordinatoren – Wissenschaftler des Zentrums für Windenergieforschung ForWind der Universitäten Oldenburg und Hannover.

„Turbulente Strömungen wie Verwirbelungen in einem großen Windfeld sind zurzeit nicht berechenbar. Während in anderen Bereichen der Physik durch genaue Simulationen am Computer Versuche eingespart werden können, ist das in der Strömungsforschung bisher nicht möglich“, erklärt Prof. Dr. Rudolf Friedrich, der das münstersche Teilprojekt leitet. „Beim Autobau zum Beispiel ist man immer noch auf Versuche in Windkanälen angewiesen, in denen man die auftretenden Kräfte messen kann.“

Zwar gibt es mathematische Modelle, die die Strömungsverhältnisse an Windkraftanlagen simulieren, jedoch spiegeln diese Simulationen die realen Bedingungen nicht ausreichend wider. Die Forscher im Wind-Projekt arbeiten daher an einer Verbesserung der Simulation. „Bislang nutzen die Ingenieure ein allgemeines Windfeldmodell und Erfahrungswerte, um abzuschätzen, welche Lasten ein Windkraftwerk aushalten muss“, so David Kleinhans, der das Windfeldmodell unter Berücksichtigung der Eigenschaften der Turbulenz im Rahmen seiner Doktorarbeit erweitert hat. „Ein realistischeres Windmodell kann helfen, die Bauteile der Windräder so zu wählen, dass sie weniger verschleißanfällig sind.“

Kleinhans hat das allgemeine Windmodell weiterentwickelt, so dass damit auch starke Schwankungen in Windfeldern mathematisch beschrieben werden können – die Physiker können nun auch Extremereignisse wie Windböen simulieren, was bislang nicht möglich war. Das erweiterte Modell wurde in Zusammenarbeit mit einem Hersteller von Windkraftanlagen bereits getestet.

Schwankungen in Windfeldern, wie sie durch Windböen entstehen, führen zu Spannungsschwankungen im Stromnetz. Diese wiederum bedeuten Schwierigkeiten für die Netzbetreiber, die eine gleichmäßige Versorgung der Kunden gewährleisten und Stromausfälle durch zu starke Spannungsschwankungen verhindern müssen. „Strom ist umso teurer, je kurzfristiger er bereitgestellt wird“, bringt Kleinhans das Problem auf den Punkt. Könnte man zum Beispiel Böen vorhersagen, könnten die Windkraftanlagen rechtzeitig kurz vom Netz genommen werden. An solch einer Vorhersagemethode arbeiten die Dresdener Projektpartner.

Die Förderung durch das BMBF ist auf drei Jahre begrenzt und läuft im Juli 2008 aus. „Gemeinsam mit den anderen beteiligten Forschern sind wir einen Schritt nach vorn gegangen“, resümieren die Münsteraner zufrieden. Die Grundlagenforschung im Bereich Windkraftanlagen war zu Projektbeginn von der Industrie wenig beachtetes Neuland; mittlerweile hat das Interesse zugenommen. Die münsterschen Physiker und ihre Kollegen wollen auch in Zukunft intensiv weiterarbeiten, um die Nutzung der Windenergie zu optimieren.