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Wolken können den Windschatten von Offshore-Windparks abschwächen
Offshore-Windparks bremsen die Luft und hinterlassen kilometerlange Windschatten. Neue Simulationen zeigen, dass niedrige Meereswolken diese Nachläufe durch Strahlungskühlung an ihrer Oberseite deutlich schneller abbauen können. Im Modell erreichte der Wind 90 Prozent seiner Ausgangsgeschwindigkeit nach rund 17 Kilometern, ohne diesen Wolkeneffekt erst nach mehr als 32 Kilometern.
Enschede (Niederlande). Große Offshore-Windparks entziehen der Luftströmung Bewegungsenergie. Hinter den Turbinen entstehen dadurch langsamere und turbulente Nachläufe, die sich weit über die eigentliche Anlage hinaus erstrecken können. Liegen mehrere Parks dicht beieinander, können Windparks einander den Wind wegnehmen. Das erschwert die Planung künftiger Anlagen in dicht genutzten Meeresgebieten.
Wie schnell sich ein solcher Windschatten wieder mit der ungestörten Strömung vermischt, hängt von der atmosphärischen Grenzschicht ab. Bisher wird dabei oft vereinfacht zwischen stabilen und stärker durchmischten Wetterlagen unterschieden. Die Wirkung niedriger Wolken auf diese Durchmischung ist in Windparkmodellen dagegen noch vergleichsweise wenig berücksichtigt.
Forscher der University of Twente (UT) um Dr. Davide Selvatici haben nun mit hochaufgelösten Large-Eddy-Simulationen untersucht, wie tiefe Meereswolken den Nachlauf eines großen Offshore-Windparks verändern. Das Modellgebiet war 70 Kilometer lang, 15 Kilometer breit und zehn Kilometer hoch. Nach einer langen Einlaufphase verglich das Team drei atmosphärische Zustände unter ansonsten möglichst ähnlichen Bedingungen.
Im ersten Fall lag eine vollständig entwickelte Stratokumulusdecke vor, deren Oberseite Wärme durch langwellige Strahlung verlor. Im zweiten Fall blieb die Wolke erhalten, die Strahlungskühlung wurde jedoch abgeschaltet. Der dritte Fall war wolkenfrei. So ließ sich der Einfluss der Wolkenstrahlung von anderen Unterschieden zwischen bewölkter und klarer Atmosphäre trennen.
Entscheidend ist die Abkühlung direkt an der Wolkenoberseite. Dort wird die Luft dichter und sinkt ab, während von unten wärmere Luft nachströmt. Diese zusätzliche Umwälzung vertieft die turbulente Grenzschicht und transportiert schneller strömende Luft aus höheren Schichten nach unten. Dadurch kann der Geschwindigkeitsverlust hinter den Turbinen rascher ausgeglichen werden.
Der Unterschied zeigt sich vor allem hinter dem Windpark. In der Simulation mit Strahlungskühlung an der Wolkenoberseite erholte sich die mittlere Windgeschwindigkeit auf 90 Prozent des ungestörten Werts innerhalb von rund 17 Kilometern. Ohne diese Kühlung waren dafür mehr als 32 Kilometer nötig. Erste klare Abweichungen zwischen den Fällen traten bereits etwa vier Kilometer hinter dem Ende des Parks auf.
Innerhalb des simulierten Parks führte der Wolkenfall mit Strahlungskühlung allerdings nicht zu einem gleichmäßigen Leistungsbonus. Die erste Turbinenreihe erzeugte in diesem Fall etwa fünf Prozent mehr Leistung als im klaren Fall und rund sieben Prozent mehr als bei einer Wolke ohne Strahlungskühlung. Hinter der fünften Reihe näherten sich die Leistungen jedoch wieder an. Die Autoren warnen deshalb davor, diese Werte als allgemeinen Ertragsvorteil durch Bewölkung zu verstehen.
Für benachbarte Windparks ist vor allem die schnellere Erholung des fernen Nachlaufs relevant. Wenn ein stromabwärts gelegener Park weniger stark im Windschatten seines Nachbarn liegt, können sich Abstände, Ertragsprognosen und die Bewertung großer Ausbaugebiete verändern. Die Simulationen zeigen damit, dass Wolken nicht nur für Solarenergie, sondern auch für die Modellierung von Offshore-Windressourcen eine Rolle spielen können.
Die Berechnungen bilden die Atmosphäre bewusst idealisiert ab. Wechselnde Wolkenfelder, großräumige Wetteränderungen und viele weitere Prozesse der realen Meeresatmosphäre sind darin nur eingeschränkt enthalten. Vor allem fehlen bislang Messungen in Turbinenhöhe, mit denen sich die Stärke des beschriebenen Wolkeneffekts direkt auf See ü