A7 – Wechselwirkungen von atmosphärischen Grenzschichten und ozeanischen Mischungsschichten mit sehr großen Windenergieanlagen in Offshore-Windparks

Für den sicheren, wirtschaftlichen, systemfreundlichen und ökologisch verträglichen Betrieb zukünftiger Offshore-Windenergieanlagen und Windparks im Multi-GW-Bereich ist ein umfassendes Verständnis ihrer Wechselwirkungen mit der Atmosphäre und dem Ozean entscheidend. Dafür erfordert es für den Entwurf von sehr großen Windenergieanlagen eine gründliche Charakterisierung und Modellierung der „herausfordernden“ atmosphärischen Bedingungen und der Interaktion von Windparks mit der Atmosphäre und dem Ozean. „Herausfordernde“ atmosphärische Bedingungen beziehen sich hierbei auf Phänomene und potenzielle Belastungssituationen, die allein aufgrund des riesigen Durchmessers zukünftiger Windturbinenrotoren und die räumliche Ausdehnung der Windpark-Cluster entstehen. Gegenwärtig werden sie weder bei der Anordnung von Windenergieanlagen oder Windparks berücksichtigt und die Wechselwirkungen in der atmosphärischen Grenzschicht sind in dieser Größe noch nicht ausreichend untersucht und verstanden.

Das Teilprojekt A7 befasst sich mit den Fragestellungen der atmosphärischen und ozeanographischen Phänomene, die für große Offshore-Windenergieanlagen und Windpark-Cluster wichtig werden. Dabei werden Phänomene auf verschiedenen Skalen und Ebenen betrachtet. Low-Level-Jets (LLJ) und kohärente Strukturen wie die Rollkonvektion können sich direkt auf die Konstruktion großer Wind-turbinen auswirken. Die “Nicht-Stationarität” der mesoskaligen atmosphärischen Strömung (d.h. mehrere zehn bis hunderte Kilometer) könnte die Nachläufe der Windparks verändern und ablenken, die sich auf die Anströmungen und Auslegungsbedingungen von Megastrukturen auswirken können. Des Weiteren könnten Nachlaufeffekte von Windparks die Meeresoberflächenströmungen über die Atmosphären-Ozean-Kopplung beeinflussen. Deshalb müssen das Ausmaß und die Folgen dieser Effekte auf die Leistung und Lasten der Anlagen, die Nachlaufeffekte in Windpark-Clustern und die möglichen Auswirkungen auf das Ökosystem (z. B. Veränderung der Schichtung im Ozean) weiter untersucht werden.

Zur Analyse der Forschungsfragen werden erweiterte experimentelle und numerische Ansätze mit Lidar-Messungen (Light Detection and Ranging) in einem Offshore-Windpark-Cluster und modernsten turbulenzauflösenden Large-Eddy-Simulationen (LES) verwendet. Dazu gehören ein volumetrisches, zeitlich und räumlich hoch aufgelöstes Verfahren zur Rekonstruktion des Windfeldes und gekoppelte LES-LES-Simulationen der atmosphärischen Grenzschicht und der ozeanischen Mischschicht sowie deren Wechselwirkung mit sehr großen Windparks.

In der Projektphase wird eine umfassende Multi-Lidar Messkampagne durchgeführt und ausgewertet. Zugleich wird eine dynamische volumetrische Windfeldrekonstruktion entwickelt und durch virtuelle Messungen in LES und genauen Messungen im DLR-Forschungswindpark WiValdi validiert. Im numerischen Teil des Projekts wird die Wechselwirkung der atmosphärischen Grenzschicht und der ozeanischen Mischschicht durch gekoppelte LES-LES Simulationen von großen Windparks modelliert, wodurch Wechselwirkungen zwischen Atmosphären- und Ozeananströmungen über ein Oberflächen-wellenmodell explizit berücksichtigt wird. Anschließend werden die wissenschaftlichen Fragestel-lungen anhand von Lidar-Messungen, Betriebsdaten von Windparks (SCADA) und umfassenden LES untersucht.

Das zu erwartende Ergebnis des Teilprojektes ist eine Charakterisierung, statistische Extrapolation und die Bewertung der Relevanz der untersuchten Phänomene für Offshore-Megastrukturen am Beispiel der Hybrid-Lambda Referenz Windenergieanlagen und Windpark-Cluster. Messungen und LES Daten die sich auf “herausfordernde” atmosphärische Bedingungen beziehen, werden für verbesserte Anström- und Nachlaufeigenschaften synthetisiert. Die parametrisierten Windfelder werden dem Teilprojekt A1 und zur weiteren Verwendung im digitalen Zwilling Z1 bereitgestellt. Das Teilprojekt A7 ist Teil des Clusters “Wind und Wellen” und sieht wichtige Wechselwirkungen mit den Clustern “Rotor Design” und “Digital Twin”.