Windräder hinter Hecken effizienter

Am meisten Strom liefern Windräder an Standorten mit möglichst starkem und stetigem Wind. Auch die Geländeform und die Position der Anlagen zueinander beeinflussen die Stromausbeute – etwa, wenn sie im Windschatten voneinander stehen. Nun zeigt eine neue Analyse, dass Windbrecher wie Hecken oder Baumreihen die Effizienz von Windrädern um bis zu zehn Prozent steigern können. Diese Erkenntnis gewannen Wissenschaftler, indem sie Windströmungen in einem Windpark simulierten. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift „Physical Review Fluids“.

„Unsere Simulationen zeigen, dass große Windparks von Windbrechern profitieren können“, sagt Richard Stevens von der Universität Twente in Enschede. Dies liege daran, dass sich die Luftströmung oberhalb der Hindernisse beschleunigt. Für dieses überraschende Ergebnis entwarf Stevens gemeinsam mit seinem Kollegen Luoqin Liu einen virtuellen Windpark mit 36 Anlagen, angeordnet in sechs Reihen mit je vier Windrädern und berechnete die Windströmungen über den gesamten Park – mit und ohne zusätzliche Windbrecher.

Die Berechnungen ergaben, dass die Windbrecher einen positiven Effekt auf die Stromausbeute haben können. Doch dafür müssten vor jedem einzelnen Windrad beispielsweise Hecken oder Erdwälle errichtet werden, die ein Zehntel der Höhe des Windrads aufweisen und dabei fünfmal so breit wie hoch sind. Für ein 100 Meter hohes Windrad wäre also ein zehn Meter hoher Windbrecher mit einer Breite von 50 Metern ideal. Genau dann stieg die berechnete Stromausbeute des gesamten Windparks um zehn Prozent im Vergleich zu einem Park ohne jeden Windbrecher.

Bereits frühere Studien hatten gezeigt, dass ein vorgelagerter Windbrecher vor einem einzelnen Windrad die Windgeschwindigkeit auf der Höhe des Rotors vergrößerte und damit auch die Stromausbeute. Für einen ganzen Windpark wurde jedoch vermutet, dass sich solche Maßnahmen nachteilig auswirken. Doch die Simulation zeigt nun genau das Gegenteil. „Allerdings wissen wir nicht, ob eine Steigerung von zehn Prozent auch mit realen Windbrechern erreicht werden kann“, dämpft Liu allzu große Hoffnungen. Denn es sei eine neue Idee, die bisher noch niemand in der Praxis getestet habe.

Gleichwohl wäre eine Steigerung der Effizienz um zehn Prozent bedeutsam, weshalb das Ergebnis weitere Berechnungen und Folgestudien anderer Forschungsgruppen anstoßen könnte. Tatsächlich wird intensiv an den Windströmungen in und um Windparks geforscht. Denn sowohl Messungen als auch Simulationen belegen bereits, dass der Windschatten von Anlagen in den vorderen Reihen eines Windparks signifikant die Stromausbeute der dahinterliegenden Windräder beeinflusst. Diese Abschattungseffekte wirken sich zum Teil sogar über weite Entfernungen von bis zu 50 Kilometern – also beispielsweise zwischen verschiedenen Windparks – aus.

So untersuchen aktuell Forscher von der Technischen Universität Braunschweig im Rahmen des Projekts X-Wakes die genauen Strömungsfelder über weite Gebiete vor und hinter Offshore-Windparks zur Erzeugung von Windenergie. Da sich auf offener See jedoch keine Hecken als Windbrecher errichten lassen, kann die Stromausbeute nicht auf diese Weise erhöht werden. Als Alternative ist es dort jedoch möglich, die Standorte der einzelnen Windräder zueinander – abweichend von der derzeit meist symmetrischen Anordnung – zu optimieren.