Eine wesentliche Stütze der Energiewende ist die effiziente Nutzung der Windenergie. Besonders in Norddeutschland prägen daher Windkraftanlagen an immer mehr Orten das Landschaftsbild. Um gegenseitige Störwirkungen zu vermeiden, kommt der Positionierung der Windräder entscheidende Bedeutung zu. Im Projekt NearWake nutzte ein Team des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) zehn Drohnen im Schwarmflug, um mehr über das aerodynamische Phänomen des „nahen Nachlaufs“ in Erfahrung zu bringen.
Die an den Flügelspitzen von Flugzeugen entstehenden Wirbelschleppen stellen für nachfolgende Luftfahrzeuge eine Gefahr dar. Vergleichbare Verwirbelungen treten auch hinter den Rotorblättern von Windkraftanlagen auf. Dieser sogenannte „Near Wake Effect“ – zu Deutsch: Naher Nachlauf – kann sich negativ auf Ertragsmenge sowie Langlebigkeit anderer Windräder auswirken. Je weniger Abschattungen und Verwirbelungen den Wind, der auf die Rotoren trifft beeinflussen, desto größer ist die Menge der daraus gewonnenen Energie. Gleichzeitig führen Turbulenzen zu Schwingungen und verstärkten Belastungen, die das Risiko von Materialermüdung und Beschädigungen an den Anlagen erhöhen. Gerade in großen Windparks ist es daher ein durchaus komplexes Unterfangen, gegenseitige Störeffekte zwischen den einzelnen Windrädern zu vermeiden.
Am DLR-Institut für Physik der Atmosphäre in Oberpfaffenhofen beschäftigt man sich unter anderem intensiv mit Fragen der Aerodynamik und hat dabei auch Windkraftanlagen in den Blick genommen. Von besonderem Interesse sind dabei derzeit die Veränderungen in der Luftströmung direkt hinter der Turbine einer Windenergieanlage. Sie ist weniger schnell und verwirbelt, da die Turbine der Atmosphäre Energie entzieht, indem sie den Wind abbremst und seine Bewegungsenergie in elektrische Energie – also Strom – umwandelt. „Der Nachlauf ist ein wichtiger und interessanter Forschungsgegenstand. Meistens stehen Windenergieanlagen nicht allein, sondern zu mehreren in Windparks. Das bedeutet, der Nachlauf der einen Anlage trifft auf die nachfolgenden Anlagen. Das kann deren Leistung und die Lasten, die auf Rotorblätter und Anlagen wirken, erheblich beeinflussen“, erklärt Projektleiter Dr. Norman Wildmann.
Obwohl die Windkraftanlagen im DLR-Forschungspark Windenergie WiValdi im niedersächsischen Krummendeich mit tausenden Sensoren bestückt sind und eine große Menge an Daten liefern, waren die Bereiche direkt hinter den Turbinen und Rotoren bislang weitgehend blinde Flecken. Um dort wertvolle Erkenntnisse zu gewinnen, steuerte das NearWake-Forschungsteam zehn für Windmessungen optimierte, jeweils weniger als 1 Kilogramm schwere Drohnen bei rund 100 Messflügen in zwei Linien zu jeweils fünf Stück zwischen zwei Windräder. Die erste Linie einen halben (57,5 Meter), die zweite Linie einen ganzen Rotordurchmesser (115 Meter) hinter der ersten Anlage. Keine zufälligen Abstände. Denn der Bezug zur Rotorgröße sorgt dafür, dass die Ergebnisse auch auf andere Windkraftanlagen übertragen beziehungsweise mit Messergebnissen an anderen Windrädern verglichen werden können.
Mithilfe eines eigens am DLR entwickelten Algorithmus konnte die Vielzahl der in der Luft gesammelten Messdaten ausgewertet werden. Dabei stellte sich unter anderem heraus, dass sich die besonders turbulenten Luftwirbel an den Blattspitzen mit dem Wind im Nachlauf über eine größere Distanz weiterbewegen, als bislang angenommen. Eine Erkenntnis, die direkt in bestehende Simulationsmodelle übernommen werden kann, um die Präzision der Berechnungen zu verbessern und damit die Effizienz der Windenergienutzung insgesamt zu erhöhen.
> Dieser Beitrag entstand in Kooperation mit Drones, dem Magazin für die Drone-Economy. www.drones-magazin.de
