Projekt 21223/01

Bestimmung von Wärme- und Impulsfluss in der marinen atmosphärischen Grenzschicht für die Offshore-Windenergienutzung

Projektträger

Carl von Ossietzky Universität OldenburgInstitut für PhysikAbteilung Energie- und Halbleiterforschung
Carl-von-Ossietzky-Str. 9 - 11
26129 Oldenburg
Telefon: 0441/798-3927

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ein bedeutender Teil der Energieversorgung Deutschlands soll in Zukunft durch die Nutzung der Windenergie auf See bestritten werden. Die Bundesregierung hat in ihrer Strategie zur Windenergienutzung auf See ein Ziel von 20-25.000 MW installierter Leistung Offshore bis zum Jahr 2030 gesetzt. Dies ent-spricht einem Anteil am Stromverbrauch Deutschlands von ca. 15%. Damit wird die Offshore-Windenergienutzung eine wesentliche Komponente des Aufbaus einer nachhaltigen Energieversorgung in Deutschland und wird wesentlich zur Reduktion des CO2-Ausstoßes beitragen. Erste Schritte zum Erreichen diese Ziels sind u.a. mit der Initiierung des Forschungsprogramms FINO (Forschungsplattformen in Nord- und Ostsee) eingeleitet worden. Im Rahmen des FINO-Projektes werden Messungen der Windverhältnisse mit einem 100 m Messmast an einem Standort nördlich von Borkum durchgeführt.
Für einen langfristigen Umbau der Energieversorgung ist aber nicht nur eine Messung, sondern ein grundlegendes Verständnis der diesen Parametern zu Grunde legenden Struktur der Strömung nötig. Nur so können Aussagen über andere Standorte, die zeitliche Entwicklung, das Verhalten bei Extrembedingungen, etc. gemacht werden. Damit wird die Voraussetzung geschaffen, um die Stromerzeugung aus Windenergie Offshore langfristig erfolgreich und effizient entwickeln zu können.
In dem Forschungsprojekt BAGO soll das Messprogramm auf der ersten FINO-Messstation vor Borkum um die Messung von vertikalen Wärme- und Impulsflüssen für die wissenschaftliche Forschung erweitert werden. Die gewonnenen Flussdaten sollen zusammen mit den ebenfalls erhobenen Profildaten auf der Basis der Monin-Obukhov-Theorie analysiert werden. Es soll insbesondere untersucht werden, ob die bedeutenden Abweichungen von der Theorie, die bei Messungen in der Ostsee festgestellt wurden, auch in der Nordsee auftreten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Projekt gliedert sich in drei Phasen: Vor Beginn der Messung werden die Instrumentierung geplant und koordiniert und die Instrumente kalibriert. Die Messungen am FINO-Mast werden im Rahmen des FINO-Projektes des BMU vom Deutschen Windenergie Institut (DEWI) durchgeführt und sind nicht Teil dieses Projektes.
Nach der Bereitstellung der Daten durch das DEWI wird eine Qualitätskontrolle der Messdaten durchgeführt. Gleichzeitig werden die Auswertealgorithmen zur Gewinnung von Wärme- und Impulsfluss entwickelt. Nach Ende der Messphase wird eine erste Auswertung der Daten vorgenommen. Das Projekt hat eine Gesamtlaufzeit von 13 Monaten.


Ergebnisse und Diskussion

Die drei seit August 2003 auf der Messplattform FINO 1 installierten Ultraschallanemometer des Typs Gill R3-50 liefern hochaufgelöste Messwerte des dreidimensionalen Windvektors und der Temperatur. Sie wurden vor der Montage im Windkanal der Universität Oldenburg vermessen. Dabei wurde festgestellt, dass eine Nachkalibration der werksseitig kalibrierten Instrumente nötig ist. Es wurde ein Kalibrationsverfahren entwickelt, das eine dreidimensionale Korrektur des Windvektors bei vertretbarem Messaufwand ermöglicht. Aus den hochaufgelösten Messdaten wurden Zeitreihen von 10-minütigen Mittelwerten des Impulsflusses, Wärmeflusses und der atmosphärischen Stabilität abgeleitet.
Eine erste Auswertung der Daten zeigt für das mittlere vertikale Windprofil deutliche Abweichungen von der erwarteten Profilform. Bis zu einer Höhe von etwa 60 - 70 m zeigt das Profil eine annähernd lineare Form. Dieses Verhalten ähnelt den bei anderen Offshore-Messungen in der Ostsee gefundenen Abweichungen. Es führt zu einer Unterschätzung des Energieertrags eines Windparks aus niedrigen Messdaten. Während die Messmasten in der Ostsee nur 50 - 60 m hoch sind, reicht die Messung auf der FINO 1 Plattform bis 100 m Höhe. Für das Windprofil zeigt sich für die Messungen über 70 m Höhe eine unerwartete Änderung der Profilform: Der Anstieg der Windgeschwindigkeit mit der Höhe ist hier geringer als erwartet, was bei der Energieertragsprognose eher zu einer Überschätzung führt. Die Messungen der atmosphärischen Stabilität zeigen deutliche Unterschiede zwischen Windprofilen unterschiedlicher Stabilitätsklassen.
Der Zusammenhang zwischen Profil- und Flussmessungen wurde durch den Vergleich der Windgeschwindigkeitsverhältnisse in verschiedenen Höhen mit den aus den Flussmessungen resultierenden Erwartungen der Monin-Obukhov-Theorie untersucht. Auch hier zeigten sich unerwartete Abweichungen. Die Abhängigkeit des Verhältnisses der Windgeschwindigkeiten von der Stabilität ist, ähnlich wie bei der Messung Rødsand in der Ostsee, stärker als theoretisch erwartet. Allerdings führt dies bei der Messung Rødsand dazu, dass neutrale und stabile Situationen unterschätzt werden, während bei der FINO 1 Messung vor allem unstabile Situationen überschätzt werden.
Die im Rahmen des Projektes vorgenommene erste Auswertung der FINO 1 Messdaten hat bereits den hohen Wert dieser Daten für das Verständnis der Windverhältnisse gezeigt. Es ist davon auszugehen, dass die mit Hilfe dieses Projektes gewonnenen Daten für die wissenschaftliche Erforschung des Windklimas und der Strömungsverhältnisse an Standorten geplanter deutscher Offshore-Windparks eine große Bedeutung haben werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Im Rahmen dieses Projektes wurde eine Diplomarbeit angefertigt. Erste Ergebnisse wurden auf der Konferenz 1st General Assembly of the European Geophysical Union im April 2004 in Nizza vorgestellt. Auf der Deutschen Windenergie Konferenz DEWEK 2004 im Oktober 2004 wurden die Ergebnisse des Projektes im zwei Vorträgen und Artikeln vorgestellt.
Tautz, S.: Thermal Effects in the Atmospheric Boundary Layer above the North Sea, Diplomarbeit an der Universität Oldenburg, ForWind Report 2004-01, Oldenburg, 2004
Tautz, S., B. Lange, D. Heinemann: On the importance of flow distortion correction of ultrasonic anemometers for flux measurements in the marine surface layer., Geophys. Res. Abstr. 6 (2004) published on CD
Tautz, S., B. Lange, D. Heinemann: Correction of the heat and momentum flux measurements with the ultrasonic anemometers at the FINO I offshore meteorological mast for flow distortion and mounting effects. DEWEK 2004 (accepted for oral presentation)
Lange, B.: Comparison of wind conditions of offshore wind farm sites in the Baltic and North Sea. DEWEK 2004 (accepted for oral presentation)


Fazit

Das Messprogramm der FINO 1 Plattform wurde erfolgreich um Flussmessungen erweitert. Die erste Auswertung der Messdaten zeigte sowohl beim vertikalen Windprofil als auch beim Vergleich mit der Monin-Obukhov-Theorie unerwartete Ergebnisse, die für die Windenergienutzung relevant sind. Sie ent-sprechen nur zum Teil den in der Ostsee gefundenen Effekten. Die Ergebnisse zeigen deutliche Defizite im heutigen Verständnis der Strömung in der marinen Grenzschicht auf. Gleichzeitig ist in dem Projekt durch hochwertige Messdaten von Impuls- und Wärmefluss die Voraussetzung für weitere wissenschaftliche Forschung geschaffen worden.