Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk e.V.


Global betrachtet existieren eine Reihe großräumiger Windsysteme, wie etwa der in den hiesigen Breiten dominierende nordhemisphärische Westwindgürtel, die sowohl das Klima der Erde im Allgemeinen als auch das Wetter im Besonderen in entscheidendem Maße beeinflussen. Für die Errichtung von Windenergieanlagen sind jedoch in erster Linie lokale Windverhältnisse ausschlaggebend, wenngleich diese grundsätzlich mit den überregionalen Windsystemen zusammenhängen.

 

Einflussfaktoren lokaler Windverhältnisse

Einen erheblichen Einfluss auf die Entstehung lokaler Windverhältnisse hat die Oberflächenbeschaffenheit, wobei die Effekte von der Größe, Form und dem Ausmaß der geländetypischen Formationen, der Oberflächenrauigkeit, sowie auch den Stoffeigenschaften (insbesondere Wärmespeicherkapazität und Rückstrahlvermögen) bestimmt werden.

Weil das Zusammenwirken dieser Faktoren komplex und vielschichtig ist, lässt es sich nicht exakt prognostizieren. Windmessungen geben nur Aufschluss über zurückliegende Ereignisse, woraus gewisse tendenzielle Aussagen über künftige Windverhältnisse an einem spezifischen Standort abgeleitet werden können. Über den Zeitraum von 20 Jahren hinweg, der für Windenergieanlagen üblicherweise als Betriebsdauer zugrunde gelegt wird, sind genaue Windvorhersagen kaum möglich. Daher sind mit der Errichtung von Windenergieanlagen stets gewisse meteorologische Ungewissheiten und folglich wirtschaftliche Risiken verbunden.

 

Zwei Arten von Strömung

Was recht präzise abgeschätzt werden kann, sind die Auswirkungen feststehender Hindernisse bzw. Geländeformationen an einem potenziellen Standort, denn sobald Wind mit Barrieren bzw. rauem Gelände in Kontakt kommt, wird die ursprünglich gleichförmig dahinfließende, energiereiche Strömung verzögert und verwirbelt – es entstehen Turbulenzen. Windräder sind aber auf gleichförmige, laminare Strömungen angewiesen, turbulente Strömungen lassen sich technisch nicht effektiv verwerten und sind daher nahezu unbrauchbar. Den Unterschied zwischen laminarer und turbulenter Strömung illustrieren die beiden Grafiken.

 Laminare StrömungTurbulente Strömung

Laminare Strömung (links) und turbulente Strömung (rechts)

Die technische Ursache, weshalb turbulente Strömungen nicht genutzt werden können, liegt in der Funktionsweise des Auftriebsprinzips begründet. Dieses basiert auf einer Umströmung der Tragflächen, im Zuge derer sich ein Druckgefälle bildet. Dieses Druckgefälle wiederum ist auf ungleichmäßige Strömungsgeschwindigkeiten beiderseits des Tragflächenflügels angewiesen. Wenn nun eine turbulente Strömung auf ein Rotorblatt trifft, so ist die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Turbulenz bereits hochgradig ungleichmäßig. Selbst wenn diese Strömung nun um das Rotorblatt herumfließt, wird es dabei nicht zu der gewünschten Steigerung der Geschwindigkeit auf der einen im Verhältnis zu der Geschwindigkeit auf der anderen Seite kommen. Vielmehr besteht die Wahrscheinlichkeit und das Risiko, dass die Strömungsgeschwindigkeiten auf beiden Seiten relativ chaotisch ausfallen, wodurch kein eindeutiger Vektor für die Auftriebskraft entsteht. Es kann im schlimmsten Falle sogar dazu kommen, dass die Auftriebskraft entgegen der eigentlichen Rotordrehrichtung wirksam wird, wodurch auch die Drehmomente der übrigen Rotorblätter verringert werden könnten.

 

Einfluss von Hindernissen

Der negative Einfluss von Hindernissen in Bodennähe auf die Wirksamkeit von Windenergieanlagen sollte daher nicht unterschätzt Windturbulenzwerden. Weil sich hinter Hindernissen eine sogenannte Abrissströmung voller Turbulenzen bildet, die sich bis auf die doppelte Höhe des Hindernisses nach oben und das 20-fache der Hindernishöhe hinter diesem ausdehnen kann, muss bereits bei der Planung einer Windenergieanlage auf ausreichende Sicherheitsabstände geachtet werden. Vor allem in waldreichen Gebieten oder Arealen mit einer dichten Bebauung sind nicht nur die Abstände in der Weite, sondern durch angemessene Nabenhöhen auch in der Höhe über Grund zu wählen. 

 

Windparkkonfigurationen

Verwirbelungsschleppen bilden sich jedoch nicht nur an Hindernissen in Bodennähe, auch an Windenergieanlagen selbst treten Abrissströmungen auf. Diese sorgen in dem windabwärts gerichteten Bereich für einen Nachlauf, der sich durch eine verringerte Windgeschwindigkeit wie auch eine erhöhte Turbulenzintensität auszeichnet. Dadurch verringert sie zum einen den Ertrag nachgelagerter Windenergieanlagen und steigert zum anderen deren Turbulenzbelastung und damit die Materialermüdung. Obwohl es zwar wirtschaftlich sinnvoller ist, mehrere Windenergieanlagen in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander zu errichten und zu einem Windpark zusammenzufassen, ist deshalb auch innerhalb des Windparks auf eine sichere Distanz zwischen den einzelnen Anlagen zu achten. Eine typische Windparkkonfiguration sieht daher Abstände vor, die in aller Regel mit dem 5- bis 10-fachen Rotordurchmesser in Hauptwindrichtung sowie dem 3- bis 5-fachen Rotordurchmesser in Querrichtung ausgeführt werden. Bei Windparks mit mehr als einer Reihe, werden des Weiteren die Anlagen in den nachfolgenden Reihen jeweils in die Lücken der vorhergehenden Reihe platziert. Ziel dabei ist stets, dass optimale Verhältnis zwischen größtmöglicher Anlagenanzahl bei zugleich kleinstmöglicher Raumbeanspruchung zu finden, um somit Kosten für Pacht, Ausgleichsflächen, Verkabelungslängen und Zuwegungen zu minimieren.


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