Meteorological aspects of planning and running of large wind parks

Diese Präsentation soll einige meteorologische Aspekte beleuchten, die mit dem Bau und der Inbetriebnahme großer Windparks für die Ertragserwartungen und die Organisation des Netzbetriebes immer relevanter werden. Hierzu zählen insbesondere
• die Analyse und Abschätzung der Reduktion der Windgeschwindigkeit innerhalb der Parks,
• die Auswirkung der Nachläufe ganzer Parks auf weitere Windkraftanlagen und
• das Verhalten bei Erreichen der cut off-Windgeschwindigkeit.
Insbesondere offshore-Windparks sind mittlerweile so groß, dass es nicht mehr gerechtfertigt ist, die Windgeschwindigkeitsabnahme innerhalb der Windparks durch simple Überlagerung der einzelnen Nachläufe der einzelnen Windturbinen im Park zu berechnen. Vielmehr werden ‚deep array‘-Effekte wichtiger, die Rückwirkungen auf die gesamte atmosphärische Grenzschicht haben. Eine kurze Abschätzung soll zeigen, ab wann diese deep array-Effekte berücksichtigt werden sollten. Wenn diese Effekte dominieren, dann sollten numerische Simulationen der Nachlaufeffekte nicht mehr mit bottom-up-Modellen sondern mit top-down-Modellen erfolgen. Ein analytisches Modell demonstriert die zu erwartende Abnahme der Windgeschwindigkeit im Parkinneren, die stark von der thermischen Schichtung der Grenzschicht abhängt.
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Die Reichweite von Nachläufen einzelner Windturbinen und ganzer Parks insbesondere bei sehr geringen Turbulenzintensitäten (bei sehr stabiler atmosphärischer Schichtung und auch offshore) ist lange Zeit unterschätzt worden. Das hat auch dazu geführt, dass die Auswirkungen benachbarter Anlagen und Parks zu wenig in der Planung berücksichtigt wurden. In diesem Abschnitt der Präsentation soll insbesondere auf die Parkplanung in der deutschen Nordsee eingegangen werden. Hier liegen inzwischen aus dem vom BMWi finanzierten Verbundprojekt WIPAFF in situ-Flugzeugmessungen, SAR-Satellitenbildauswertungen und numerische Simulationen mit WRF vor, die die Länge und Stärke der Nachläufe großer Windparks klar belegen.
Ein weiteres Problem entsteht derzeit durch den raschen Zubau eng beieinander liegender Windparks in der deutschen Nordsee. Es werden elektrische Leistungen von einigen Gigawatt auf engem Raumbereitgestellt, die von den Übertragungsnetzbetreibern (hier Tennet) in ihre Netzwerke eingespeist werden (müssen). Hier soll eine Analyse gezeigt werden, was passiert, wenn über der gesamten Nordsee während des Durchzugs eines größeren Orkantiefs nahezu zeitgleich die cut off-Windgeschwindigkeit von 25 m/s erreicht wird. Dazu werden öffentlich zugängliche Daten des Übertragungsnetzbetreibers und der Masten FINO1 und FINO3 analysiert. Es zeigen sich Einbrüche in der bereitgestellten Leistung von mehreren Gigawatt, die in der Größenordnung der Reserven des europäischen Stromnetzes liegen. Mit dem weiteren Fortschreiten des Ausbaus müssen daher entweder diese Reserven überdacht werden, das Verhalten der Turbinen beim Erreichen der cut off-Windgeschwindigkeit modifiziert werden oder bereits rechtzeitig die Einspeisung aus der Nordsee zurückgefahren werden.