Der Ausbau der Windenergie als erneuerbare, klimafreundliche Energiequelle schreitet rund um den Globus voran. Zunehmend werden auch bergige Gebiete erschlossen, in denen es aufgrund der Geländestruktur zu unregelmäßigen Windströmungen und Luftverwirbelungen kommt. Wie man auch an solchen Standorten Windkraftanlagen optimal betreiben kann, untersuchen nun sechs Partner des süddeutschen Windenergie-Forschungsclusters WindForS. Dazu wollen sie ein Forschungstestfeld mit zwei Anlagen und vier meteorologischen Messmasten auf der Schwäbischen Alb errichten. Die Wissenschaftler aus Baden-Württemberg und Bayern streben dort zahlreiche technologische Verbesserungen an, z. B. leisere, leichtere und leistungsstärkere Rotoren. Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) koordiniert das ambitionierte Projekt. Partner sind die Universität Stuttgart, die Eberhard-Karls-Universität Tübingen, die Technische Universität München, das Karlsruher Institut für Technologie sowie die Hochschule Esslingen.
Eine Animation visualisiert die Windströme der Anlage. Bild: WindForS
Jedes Jahr gehen laut „Global Wind Energy Council“ weltweit Wind-energieanlagen mit einer Leistung von insgesamt rund 63.000 Megawatt ans Netz – etwa ein Fünftel davon in bergigen Gebieten. Der Betrieb ist dort jedoch schwieriger als im flachen Gelände, denn die Er-tragsprognosen sind unsicherer und die mechanische Belastung sowie die Wartungskosten höher. Die Frage, wie die Leistung der Anlagen optimiert und deren Lebensdauer verlängert werden kann, will nun das Forschungscluster WindForS beantworten. Unter der Federführung des ZSW planen die Windenergie-Experten ein Forschungstestfeld auf der Schwäbischen Alb, genauer: am Stöttener Berg bei Geislingen an der Steige.
Idealer Standort für ein Forschungstestfeld
„Der Standort bietet ideale Voraussetzungen für unsere Forschungen“, sagt Projektleiter Andreas Rettenmeier. „Der vorherrschende Westwind wird über die Kante der vorgelagerten Geländesteilstufe beschleunigt und bildet unregelmäßige Strömungen und Turbulenzen. Zudem verfügt das Gebiet über eine hohe mittlere Jahreswindgeschwindigkeit“, erklärt der ZSW-Wissenschaftler weiter. Diese Faktoren seien typisch für Windenergiestandorte in bergigkomplexem Gelände und ideal für die Entwicklung und Erprobung neuer Technologien. Der Standort und seine Bedingungen wurden zuvor eigens im Rahmen des WindForS-Projekts „KonTest“ wissenschaftlich untersucht.
Mess-Sensoren vom Fundament bis zu den Rotorblättern
Daran anknüpfend soll nun im Projekt „Wind Science and Engineering in Complex Terrain (WINSENT)“ ein Testfeld als Plattform für Forschung und Industrie entstehen. Dazu sind zwei Windenergieanlagen mit einer Nennleistung von jeweils rund 750 Kilowatt und einer Nabenhöhe von 75 Metern geplant. Ihr Rotordurchmesser beträgt 50 Meter, die Gesamthöhe damit 100 Meter. Zu den Alleinstellungsmerkmalen des Projekts zählt, dass die Wissenschaftler uneingeschränkten Zugriff auf die komplette Steuerungstechnik und die Konstruktionsdaten der Anlagen erhalten sollen, um deren Verhalten genauestens analysieren zu können. Schon bei ihrem Bau ist vorgesehen, die Windkraftanlagen mit Mess-Sensoren auszustatten – vom Fundament bis zu den Rotorblättern.
Vor und hinter jeder Anlage soll jeweils ein 100 Meter hoher Mast aufgestellt werden, an dem meteorologische Parameter zeitlich hoch aufgelöst gemessen werden können, wie Geschwindigkeit und Richtung des Windes, Temperatur, Luftfeuchtigkeit sowie Luftdruck. Modernste Lasertechnik erfasst zudem die An- und Nachlaufströmung der Windenergieanlagen.
Neue Impulse für die Industrie
„Ein Windenergie-Testfeld in dieser Größe und in derartig komplexem Gelände ist weltweit einzigartig und sowohl für die Forschung als auch die Windenergiebranche ungemein wichtig. Die Ergebnisse unserer Analysen werden auf kommerzielle Großanlagen übertragbar sein und der Industrie neue Impulse liefern“, sagt Andreas Rettenmeier.
Technologische Verbesserungen wollen die Projektpartner im Rahmen von Folgeprojekten etwa für die Bauweise von Rotoren erzielen, damit diese künftig leichter, leiser und leistungsstärker werden. Teil des Vorhabens ist außerdem die Entwicklung und anschließende Erprobung einer neuartigen Betriebsführung, mit der die Anlagen intelligent und präziser als bislang auf sich ändernde Windverhältnisse reagieren können. Zum Einsatz kommen auch neue Verfahren des Maschinellen Lernens: Damit werden Einspeiseprognosen verbessert sowie Modelle für die Einbindung von Speichersystemen (u. a. Power-to-Gas, Batteriespeicher) im zukünftigen Energiesystem optimiert.
Ökologische Begleitforschung und Schautafeln
Fest eingeplant ist darüber hinaus eine ökologische Begleitforschung. Dabei soll der Einfluss der Anlagen auf die Tiere und Pflanzen am Stöttener Berg genau untersucht werden. Für interessierte Bürger ist zudem ein Rundweg mit Schautafeln über das Gelände in Planung.
Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördert das dreieinhalbjährige Projekt WINSENT (FKZ 0324129A-F) mit rund 10,4 Millionen Euro. Das Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg fördert das Vorhaben zusätzlich mit 1,2 Millionen Euro.
Einen Film zum geplanten Testfeld: www.windfors.de/testfeld.html