Meteorologin Dr. Astrid Ziemann von der TU Dresden arbeitet zusammen mit „QuWind100“-Projektpartnern an einem neuen Windatlas für Deutschland. Weil Windkraftanlagen immer höher wachsen, soll dieser Atlas die besonderen Wetterverhältnisse für Höhen zwischen 100 und 200 Meter für die nächsten Jahrzehnte voraussagen. Sie zeigt in ihrem Tharandter Büro auf einen Vorgänger-Atlas für Höhen bis etwa 80 Meter. Foto: Heiko Weckbrodt
TU Dresden und Wetterdienst arbeiten an einem neuen Windatlas für Deutschland
Dresden/Tharandt, 14. August 2017. Um die Wende in Deutschland hin zu erneuerbaren Energien zu unterstützen, arbeiten Meteorologen der Technischen Universität Dresden gemeinsam mit dem Deutschen Wetterdienst und den Stadtwerken in Offenbach am Projekt „QuWind100“: Bis Ende 2018 wollen sie gemeinsam einen neuen Atlas erstellen, der genau vorhersagt, wo der Wind in Höhen zwischen 100 und 200 Metern in Deutschland richtig stark weht. „Wir wollen damit Betreibern von Windkraftanlagen sowie den Genehmigungsbehörden ein Hilfsmittel zur Verfügung stellen, damit sie abschätzen können, wo es sich lohnt, Windkraftanlagen aufzustellen, oder wo starke Winde die Standsicherheit solcher Anlagen gefährden“, erklärt Meteorologin Dr. Astrid Ziemann, die am TUD-Standort in Tharandt das Projekt betreut.
Nabenhöhe auf 127 Meter gewachsen
Nötig geworden ist das neue computergestützte Klimamodell, weil bisherige Atlanten nur typische Windstärken bis in 100 Metern Höhe über dem Boden verzeichnen – die Windspargel aber immer größer werden. Heute liegt die durchschnittliche Nabenhöhe deutscher Windkraft-Anlagen laut dem „Bundesverband Windenergie“ bei 127 Meter – und damit in einer atmosphärischen Zone, in der andere Windgesetze gelten als darunter.
Windenergie ist besonders im Norden Deutschlanbds ein etragreiches Geschäft. Quelle: Bundesverband Windenergie
„Low Level Jet“ entsteht in jeder 5. Nacht
„In etwa 20 Prozent aller Nächte kommt es in Deutschland zu einem Low Level Jet“, erläutert Astrid Ziemann die meteorologischen Hintergründe der „magischen“ Grenze. Häufigste Ursache ist eine sogenannte Inversion. Dann liegt auf dem Boden eine dicke Schicht aus dichter kalter Luft, deren Temperatur bis zu einer Höhe von 100 Metern zunimmt statt abnimmt.Deshalb heißen diese Wetterlagen auch „invers“ (umgedreht), da hier die warme Luft oben statt unten zu finden ist. Beide Schichten sind entkoppelt, vermischen sich also nicht. Dadurch können oberhalb der Schichtgrenze sogenannte „Low Level Jets“ entstehen. Und die strömen weit schneller, als man in dieser Höhe nach dem Standardrechenmodell erwarten würde.
Wachstum jenseits der 100-m-Grenze macht neue Standorte lukrativ
„Die Meteorologen kennen diese Phänomene schon lange“, betont Astrid Ziemann. „Aber bisher gibt es für deren Berechnung noch keine einfach verwendbare Praxisformel.“ Und gerade die könnten Planungsbehörden und Unternehmen gut gebrauchen. Denn lässt man Windräder in diese turbulenten Schichten jenseits der 100 Meter ragen, liegen darin Risiken wie auch Chancen für die Betreiber: Die starken Strömungen und Turbulenzen können Masten und Turbinen extrem beanspruchen. Sie können andererseits aber auch Standorte für die Energie-Erzeugung plötzlich lukrativ machen, an denen unterhalb der 100-Meter-Grenze nur ein laues Lüftchen weht. Und nicht zuletzt kommen nun auch Aufstellorte in Frage, die früher als völlig für Windkraftanlagen untauglich galten: Dass sich richtig große und hohe Propeller über Wirtschaftswäldern oder an Gebirgshängen drehen, wird in naher Zukunft ein immer vertrauterer Anblick werden.
Die Hauptachsen heutiger Windkraftanlagen drehen sich heuet oft schon in Höhen deutlich über 100 Metern – wo oft andere Strömungen herrschen als in Bodennähe. Weil Turbinen auf höheren Masten einen deutlich höheren Energieertrag bringen, ersetzen viele Betreiber derzeit durch Repowering-Programme alte Anlagen durch größere. Foto: Bundesverband Windenergie
Nach Repowering bleiben in Sachsen wahrscheinlich weniger Standorte übrig
Doch nur ein Teil dieser langen Spargel wird wirklich an neuen Standorten aufgestellt: Weltweit und auch hierzulande ersetzen immer mehr Betreiber alte Masten durch längere Windkraftanlagen der Generation „100 plus“ und zwar am gleichen Standort. Dieser Prozess wird „Repowering“ genannt. Durch politische Vorgaben (insbesondere die vorgeschriebenen Abstände zu Häusern) wird dieses Repowering in Sachsen und Bayern voraussichtlich dazu führen, dass am Ende nur noch halb so viele Standorte wie bisher übrig bleiben – bei aber dreimal so hoher Energieausbeute.
So mögen „Ufo-Sichtungen“ zustande kommen: Meteorologen der TU Dresden lassen einen Messballon für Winde oberhalb von 100 Metern steigen. Foto: Manuela Starke, TUD
In Windatlas fließen Klimaprognosen bis 2050 ein
Um genau dies planbar zu machen und letztlich auch die Energiewende mit anzukurbeln, haben die Meteorologen, Klimaforscher und Ingenieure der TU Dresden, des Deutschen Wetterdienstes (DWD) sowie der Energieversorgung (EVO) AG in Offenbach das erwähnte Projekt mit dem langen Namen „Quantitative Windklimatologie für Windenergieapplikationen in Höhen über 100 m“ gestartet, für das es mit „QuWind100“ glücklicherweise eine Abkürzung gibt. Der Wetterdienst rastert dabei ganz Deutschland in Planquadrate mit 2,8 Kilometern Kantenlänge und berechnet dafür die durchschnittlichen Windstärken. Außerdem liefert der DWD eine Klimaprojektion für Deutschland bis 2050, damit der Windatlas nicht schon nach wenigen Jahren wieder veraltet ist. Die TU-Meteorologen verfeinern dann auf ihren Rechnern in Tharandt das Windstärkenmodell bis auf 100 Meter genau für jeden Flecken in der Bundesrepublik. Außerdem starten sie Testballons in Höhen jenseits der 100 Meter, um die die in der Computersimulation berechneten Windstärken mit Praxis-Messwerten stetig zu vergleichen, bis das Modell stimmt. Weitere Partnerinstitute seien stets willkommen bei „QuWind100“, unterstrich Meteorologin Astrid Ziemann.
Das Projekt ist Teil eines Bundesprogramms „Forschung für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung“. Das Wirtschaftsministerium unterstützt „QuWind100“ mit einer halben Million Euro.
Autor: Heiko Weckbrodt
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