WINSENT erforscht Windkraft in luftigen Höhen

Vom Teutoburger Wald bis in den Schwarzwald, von der Eifel bis ins Erzgebirge: Deutschland ist von mehr als 40 Mittelgebirgen durchzogen. Diese haben nicht nur landschaftlich einiges zu bieten. Auch die Bedingungen für die Stromproduktion aus Erneuerbaren Energien sind attraktiv – der Wind weht dort etwa besonders kräftig. Dennoch drehen sich die meisten Windräder derzeit im Flachland, oft in Küstennähe. In einem neuen Forschungsprojekt untersuchen Wissenschaftler daher nun auf der Schwäbischen Alb, wie Windräder unter den rauen Bedingungen in Gebirgsregionen effizient eingesetzt werden können.

Dazu hat das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Kooperation mit dem Landeswirtschaftsministerium das Testfeld WINSENT im Landkreis Göppingen eingerichtet. Dort stehen zwei Testwindräder, die vom Fundament bis zu den Rotorblättern mit Messtechnik ausgerüstet sind. Außerdem gehören vier meteorologische Messmasten sowie zahlreiche weitere Messinstrumente zum Aufbau. Im März 2023 startete der Versuch. Der Bund fördert das Projekt mit 12,7 Millionen Euro, das Land Baden-Württemberg steuert weitere 1,9 Millionen Euro dazu.

Mit einer Gesamthöhe von knapp 100 Metern und einer Kapazität von nur jeweils 750 Kilowatt sind die Testwindräder im Vergleich zu den heute eingesetzten kommerziellen Anlagen sehr klein. Die Forscher möchten die Messergebnisse aber auf Großanlagen übertragbar machen. Dazu nutzen sie Computersimulationen sowie sogenannte digitale Zwillinge der Windräder. Auf diese virtuellen Modelle können sie die Messdaten aus dem Feldversuch übertragen und weiter verarbeiten.

Laser-Messungen erfassen Besonderheiten in bergigem Terrain

Ähnliche Reallabore gibt es bereits, einige davon ebenfalls in Deutschland: Auf der Abraumhalde Frimmersdorfer Höhe im Rheinischen Revier in Nordrhein-Westfalen testet das Unternehmen windtest grevenbroich seit mehr als 25 Jahren innovative Prototypen. Im niedersächsischen Krummendeich untersucht das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) die Windströmungen innerhalb von Windparks, um intelligente Steuerungstechnologien zu entwickeln.

Der Versuch auf der Schwäbischen Alb unterscheidet sich davon sowohl aufgrund des Standorts im bergigen Gelände als auch wegen der umfassenden Messtechnik, die dort zum Einsatz kommt. Laut ZSW sei das Projekt weltweit einmalig. Die Sensoren der Messmasten können zum Beispiel Windgeschwindigkeit und -richtung, Temperatur, Luftfeuchte und Luftdruck erfassen.

Um die Windströmung in größeren Höhen zu erfassen, setzen die Forscher das Messsystem Lidar (Light detection and ranging) ein. Die Methode funktioniert so ähnlich wie Radar, nutzt statt elektromagnetischer Wellen aber Laserstrahlen, um Abstände und Geschwindigkeiten zu messen.

Darüber hinaus sind weitere Messinstrumente auf dem Gelände installiert. Sie erfassen zahlreiche weitere Daten wie Wärmestrahlung, Feuchte, Bodenbeschaffenheit oder Lufttemperatur. All diese Daten helfen den Forschern dabei zu verstehen, welchen besonderen Bedingungen Windräder in den Bergen ausgesetzt sind – und dabei, Ansätze zu entwickeln, wie diese am effizientesten genutzt werden können.

WINSENT schlägt Brücke zwischen Innovation und Naturschutz

Auch um neue Technologien zu testen, eignen sich die Forschungsanlagen. Dazu können einzelne Elemente an einem der Windräder gegen Neuentwicklungen getauscht werden. Die Daten der zweiten Anlage dienen in der Auswertung als Referenz. Außerdem planen die Forscher, in dem Freiluftlabor neue Regelungstechniken zu erproben. Dabei geht es zum Beispiel darum herauszufinden, ab welchen Windgeschwindigkeiten Windräder wie stark gedrosselt werden sollten.

Mit Blick auf den Naturschutz – ein weiterer Teilaspekt des Projekts – ist dieses Thema ebenfalls relevant. Mit Sensoren, Mikrofonen und Kameras sammeln die Wissenschaftler Daten zu Tieren rund um die Windkraftanlagen, insbesondere zu Vögeln und Fledermäusen. So wollen sie herausfinden, ob die Turbinen gedrosselt werden sollten, wenn sich beispielsweise geschützte Tiere wie der Rotmilan nähern.

Und auch Forschungsvorhaben rund um den Anlagenbetrieb sollen auf der Schwäbischen Alb umgesetzt werden. Die Forscher wollen Innovationen entlang des gesamten Lebenszyklus der Anlagen betrachten: von der Konstruktion über die mit Künstlicher Intelligenz (KI) gestützten Wartung bis zum Recycling der Rotorblätter.

Ergebnisse legen Grundlage für weitere Forschungen

Mit den Erkenntnissen aus den Messungen wollen die Forscher mindestens ein virtuelles Anlagenmodell entwickeln und es anderen Forschungseinrichtungen frei zugänglich zur Verfügung stellen. Außerdem ist geplant, die meteorologischen Messergebnisse für die Öffentlichkeit zugänglich zu machen.