Verschattung

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In der Windenergie bezeichnet Verschattung den Effekt, bei dem ein Windkraftanlagenrotor oder ein Teil davon durch benachbarte Objekte – insbesondere andere Windenergieanlagen – zeitweise im Windschatten liegt. Dieser physikalische Vorgang führt zu einer lokalen Reduktion der Windgeschwindigkeit und Turbulenzerhöhung, was die Energieausbeute und die mechanische Belastung der Anlagen beeinflusst. Verschattungseffekte sind ein zentraler Planungsparameter in Windparks und erfordern präzise Modellierungen, um Ertragsverluste und strukturelle Schäden zu minimieren.

Allgemeine Beschreibung

Verschattung im Kontext der Windkraft beschreibt die teilweise oder vollständige Abschattung einer Windenergieanlage durch vor- oder seitlich gelegene Hindernisse, die den ungestörten Windstrom unterbrechen. Der Begriff bezieht sich primär auf die Wechselwirkung zwischen mehreren Anlagen innerhalb eines Windparks, kann jedoch auch durch natürliche Geländestrukturen wie Hügel, Wälder oder Gebäude verursacht werden. Die Auswirkungen sind zweidimensional: Zum einen reduziert sich die kinetische Energie des Windes im Nachlaufbereich der abschattenden Anlage, zum anderen erhöht sich die Turbulenzintensität, was zu ungleichmäßigen Lasten auf den Rotorblättern führt.

Die Verschattungswirkung ist abhängig von der Windrichtung, der Anlagenanordnung und der atmosphärischen Stabilität. Bei stabilen Schichtungen, wie sie häufig nachts auftreten, bleibt der Nachlauf einer Anlage länger erhalten und breitet sich weiter aus, während bei labilen Bedingungen die Turbulenz die Verschattung schneller auflöst. Moderne Windparks nutzen daher numerische Strömungsmodelle (Computational Fluid Dynamics, CFD), um die Verschattungseffekte bereits in der Planungsphase zu simulieren und die Anlagenabstände sowie die Ausrichtung der Rotoren zu optimieren. Die DIN EN 61400-1 (Windenergieanlagen – Teil 1: Auslegungsanforderungen) definiert grundlegende Anforderungen an die Lastberechnung unter Berücksichtigung von Verschattungseffekten.

Ein weiterer Aspekt ist die dynamische Verschattung, die durch die Rotation der Rotorblätter entsteht. Bei bestimmten Windrichtungen kann ein Rotorblatt einer Anlage zeitweise in den Nachlauf einer benachbarten Anlage eintauchen, was zu zyklischen Lastwechseln führt. Diese sogenannten "Wake-Effekte" (Nachlaufeffekte) sind besonders kritisch, da sie Materialermüdung begünstigen und die Lebensdauer der Komponenten verkürzen können. Die internationale Norm IEC 61400-12-1 (Leistungsmessung von Windenergieanlagen) berücksichtigt Verschattungseffekte bei der Ertragsprognose und verlangt eine Korrektur der Messdaten, wenn benachbarte Anlagen die Windverhältnisse beeinflussen.

Technische Details

Die Modellierung von Verschattungseffekten basiert auf physikalischen Prinzipien der Strömungsmechanik und Turbulenztheorie. Ein zentrales Konzept ist der "Nachlauf" (Wake), der sich hinter einer Windenergieanlage ausbildet und durch zwei Parameter charakterisiert wird: die Geschwindigkeitsdefizit-Zone und die Turbulenzzone. Das Geschwindigkeitsdefizit beschreibt die Reduktion der mittleren Windgeschwindigkeit im Nachlauf, während die Turbulenzzone durch erhöhte Schwankungen der Windgeschwindigkeit gekennzeichnet ist. Die Ausdehnung des Nachlaufs hängt von der Anlagenleistung, der Rotordurchmesser und der atmosphärischen Schichtung ab. Typische Werte für das Geschwindigkeitsdefizit liegen bei 20 bis 40 % der ungestörten Windgeschwindigkeit in einem Abstand von 5 bis 10 Rotordurchmessern hinter der Anlage.

Zur Quantifizierung der Verschattungsverluste wird häufig der "Parkwirkungsgrad" herangezogen, der das Verhältnis der tatsächlichen Energieproduktion eines Windparks zur Summe der Einzelproduktionen aller Anlagen angibt. In dicht bebauten Windparks können die Verluste durch Verschattung 5 bis 15 % betragen, wobei die genauen Werte von der Anlagenkonfiguration und den lokalen Windverhältnissen abhängen. Die Berechnung erfolgt mithilfe von Softwaretools wie "WindPRO" oder "OpenWind", die auf empirischen Modellen (z. B. dem Jensen-Modell oder dem Ainslie-Modell) basieren. Diese Modelle berücksichtigen die Windrichtungshäufigkeit, die Anlagenabstände und die Topografie des Standorts.

Ein weiteres technisches Detail ist die "partielle Verschattung", bei der nur ein Teil des Rotors einer Anlage im Nachlauf einer anderen liegt. Dies führt zu asymmetrischen Lasten auf den Rotorblättern, die zu Biege- und Torsionsmomenten führen. Die resultierenden mechanischen Spannungen können zu Rissen in den Rotorblättern oder zu Schäden an den Lagern und Getrieben führen. Um diese Effekte zu minimieren, werden in modernen Windparks "Wake-Steering"-Strategien eingesetzt, bei denen die Rotoren benachbarter Anlagen gezielt aus der Hauptwindrichtung gedreht werden, um den Nachlauf umzulenken. Diese Methode kann die Ertragsverluste um bis zu 5 % reduzieren, erfordert jedoch eine präzise Steuerung der Anlagen und eine kontinuierliche Überwachung der Windbedingungen.

Normen und Standards

Die Berücksichtigung von Verschattungseffekten in der Windenergie ist durch mehrere internationale und nationale Normen geregelt. Die bereits erwähnte IEC 61400-1 legt die Auslegungsanforderungen für Windenergieanlagen fest und verlangt, dass Verschattungseffekte bei der Lastberechnung berücksichtigt werden. Die Norm definiert dabei verschiedene Lastfälle, darunter den "Nachlauf-Lastfall", der die Auswirkungen von Verschattung auf die strukturelle Integrität der Anlage beschreibt. Ergänzend dazu gibt die IEC 61400-12-1 Richtlinien für die Leistungsmessung vor und verlangt, dass Verschattungseffekte bei der Ertragsprognose korrigiert werden, wenn benachbarte Anlagen die Messungen beeinflussen.

In Deutschland sind zudem die Richtlinien des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt) und die Vorgaben des Bundesamts für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) für Offshore-Windparks relevant. Das BSH verlangt in seinen Genehmigungsverfahren für Offshore-Windparks eine detaillierte Analyse der Verschattungseffekte, um die Umweltauswirkungen und die Wirtschaftlichkeit der Projekte zu bewerten. Die Ergebnisse dieser Analysen fließen in die Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP) ein, die gemäß der EU-Richtlinie 2014/52/EU durchgeführt wird.

Abgrenzung zu ähnlichen Begriffen

Verschattung ist von anderen strömungsmechanischen Phänomenen in der Windenergie abzugrenzen, die ähnliche Effekte hervorrufen können, jedoch unterschiedliche Ursachen haben. Ein häufig verwechselter Begriff ist die "Turbulenz", die zwar auch durch Verschattung verstärkt wird, jedoch allgemein die ungeordneten Schwankungen der Windgeschwindigkeit beschreibt. Turbulenz kann durch natürliche Hindernisse wie Bäume oder Gebäude, aber auch durch thermische Effekte wie Konvektion entstehen. Im Gegensatz zur Verschattung ist Turbulenz ein allgegenwärtiges Phänomen, das nicht zwangsläufig mit der Anwesenheit anderer Windenergieanlagen verbunden ist.

Ein weiterer verwandter Begriff ist der "Blockage-Effekt", der die Verlangsamung des Windes vor einer Windenergieanlage beschreibt. Während Verschattung den Nachlauf hinter einer Anlage betrifft, bezieht sich der Blockage-Effekt auf die Strömungsveränderung vor dem Rotor. Beide Effekte führen zu einer Reduktion der Windgeschwindigkeit, wirken jedoch in unterschiedlichen Bereichen der Strömung. Der Blockage-Effekt ist besonders in dicht bebauten Windparks relevant, da er die Energieausbeute der vorderen Anlagenreihen reduzieren kann.

Anwendungsbereiche

• Windparkplanung: Verschattungseffekte sind ein zentraler Faktor bei der Anordnung von Windenergieanlagen in Onshore- und Offshore-Windparks. Durch die Optimierung der Anlagenabstände und der Ausrichtung der Rotoren können Ertragsverluste minimiert und die Lebensdauer der Anlagen verlängert werden. Moderne Planungssoftware ermöglicht die Simulation verschiedener Szenarien, um die wirtschaftlichste und technisch sinnvollste Konfiguration zu ermitteln.
• Betriebsführung und Wartung: Im laufenden Betrieb von Windparks werden Verschattungseffekte kontinuierlich überwacht, um die Anlagenleistung zu optimieren und mechanische Belastungen zu reduzieren. Durch den Einsatz von "Condition Monitoring"-Systemen können ungewöhnliche Lastmuster erkannt und Wartungsmaßnahmen gezielt geplant werden. Dies ist besonders in großen Windparks mit vielen Anlagen relevant, da Verschattungseffekte hier zu einer ungleichmäßigen Abnutzung der Komponenten führen können.
• Forschung und Entwicklung: Verschattungseffekte sind ein aktives Forschungsfeld, insbesondere im Zusammenhang mit der Entwicklung von "Wake-Steering"-Strategien und der Verbesserung von Strömungsmodellen. Durch den Einsatz von Lidar-Messsystemen (Light Detection and Ranging) können die Nachlaufeffekte in Echtzeit erfasst und mit den Simulationsergebnissen verglichen werden. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Verbesserung der Modelle und eine präzisere Vorhersage der Verschattungsverluste.
• Umweltverträglichkeitsprüfung: Bei der Genehmigung von Windparks müssen Verschattungseffekte im Rahmen der Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP) berücksichtigt werden. Dies umfasst die Bewertung der Auswirkungen auf die lokale Fauna, insbesondere auf Fledermäuse und Vögel, die durch die veränderten Windverhältnisse in ihrem Flugverhalten beeinträchtigt werden können. Zudem werden die visuellen Auswirkungen der Verschattung auf das Landschaftsbild bewertet, insbesondere in touristischen Regionen.

Bekannte Beispiele

• Offshore-Windpark Horns Rev 1 (Dänemark): Der 2002 in Betrieb genommene Windpark Horns Rev 1 war einer der ersten großen Offshore-Windparks und diente als Referenzprojekt für die Untersuchung von Verschattungseffekten. Messungen zeigten, dass die hinteren Anlagenreihen aufgrund der Verschattung durch die vorderen Reihen bis zu 20 % weniger Energie produzierten als erwartet. Die Ergebnisse führten zur Entwicklung verbesserter Planungsrichtlinien für Offshore-Windparks, die größere Anlagenabstände und eine optimierte Ausrichtung der Rotoren vorsehen.
• Windpark Gode Wind (Deutschland): Der Offshore-Windpark Gode Wind in der deutschen Nordsee nutzt eine innovative Anordnung der Anlagen, um Verschattungseffekte zu minimieren. Durch die Kombination von großen Anlagenabständen und einer gezielten Ausrichtung der Rotoren konnten die Ertragsverluste auf unter 10 % reduziert werden. Zudem wird im Park ein "Wake-Steering"-System erprobt, das die Rotoren benachbarter Anlagen dynamisch ausrichtet, um den Nachlauf umzulenken.
• Forschungsprojekt "WakeBench" (Europa): Das von der Europäischen Union geförderte Projekt "WakeBench" hat zum Ziel, die Modellierung von Verschattungseffekten in Windparks zu verbessern. Im Rahmen des Projekts wurden umfangreiche Messkampagnen in verschiedenen Windparks durchgeführt, um die Genauigkeit von Strömungsmodellen zu validieren. Die Ergebnisse flossen in die Entwicklung der Software "WindFarmer" ein, die heute weltweit für die Planung von Windparks eingesetzt wird.

Risiken und Herausforderungen

• Ertragsverluste: Verschattungseffekte führen zu einer Reduktion der Energieproduktion, insbesondere in dicht bebauten Windparks. Die Verluste können je nach Anlagenkonfiguration und Windverhältnissen zwischen 5 und 15 % betragen, was die Wirtschaftlichkeit der Projekte beeinträchtigt. Eine unzureichende Berücksichtigung der Verschattung in der Planungsphase kann zu erheblichen finanziellen Einbußen führen.
• Mechanische Belastungen: Die erhöhte Turbulenz im Nachlauf einer Anlage führt zu ungleichmäßigen Lasten auf den Rotorblättern, was die Materialermüdung beschleunigt und die Lebensdauer der Komponenten verkürzt. Besonders kritisch sind zyklische Lastwechsel, die zu Rissen in den Rotorblättern oder zu Schäden an den Lagern und Getrieben führen können. Dies erhöht die Wartungskosten und kann zu ungeplanten Stillstandszeiten führen.
• Modellierungsunsicherheiten: Die präzise Vorhersage von Verschattungseffekten ist aufgrund der Komplexität der Strömungsphänomene und der Variabilität der Windbedingungen eine Herausforderung. Aktuelle Strömungsmodelle basieren auf vereinfachten Annahmen und können die realen Bedingungen nicht immer exakt abbilden. Dies führt zu Unsicherheiten in der Ertragsprognose und kann die Finanzierung von Windparkprojekten erschweren.
• Regulatorische Hürden: Die Genehmigung von Windparks erfordert eine detaillierte Analyse der Verschattungseffekte, insbesondere im Rahmen der Umweltverträglichkeitsprüfung. Unzureichende oder fehlerhafte Modellierungen können zu Verzögerungen im Genehmigungsverfahren oder zu Auflagen führen, die die Wirtschaftlichkeit des Projekts beeinträchtigen. Zudem müssen die Auswirkungen auf die lokale Fauna und das Landschaftsbild berücksichtigt werden, was zusätzliche Anforderungen an die Planung stellt.
• Technologische Grenzen: Die Umsetzung von "Wake-Steering"-Strategien erfordert eine präzise Steuerung der Anlagen und eine kontinuierliche Überwachung der Windbedingungen. Die derzeit verfügbaren Technologien sind noch nicht ausgereift genug, um die theoretischen Vorteile dieser Strategien vollständig zu realisieren. Zudem sind die Kosten für die erforderliche Sensorik und Steuerungstechnik hoch, was die Wirtschaftlichkeit der Maßnahmen einschränkt.

Ähnliche Begriffe

• Nachlaufeffekt (Wake-Effekt): Der Nachlaufeffekt beschreibt die Strömungsveränderung hinter einer Windenergieanlage, die durch die Entnahme von kinetischer Energie aus dem Wind entsteht. Er umfasst sowohl das Geschwindigkeitsdefizit als auch die erhöhte Turbulenz im Nachlauf und ist die primäre Ursache für Verschattungseffekte in Windparks. Der Begriff wird häufig synonym mit Verschattung verwendet, bezieht sich jedoch spezifisch auf die physikalischen Prozesse im Nachlauf einer einzelnen Anlage.
• Turbulenzintensität: Die Turbulenzintensität ist ein Maß für die Schwankungen der Windgeschwindigkeit um den Mittelwert und wird in Prozent angegeben. Sie ist ein wichtiger Parameter für die Bewertung von Verschattungseffekten, da eine erhöhte Turbulenz die mechanischen Belastungen auf die Anlagen erhöht. Die Turbulenzintensität wird durch natürliche Hindernisse, thermische Effekte und die Wechselwirkung zwischen mehreren Anlagen beeinflusst.
• Blockage-Effekt: Der Blockage-Effekt beschreibt die Verlangsamung des Windes vor einer Windenergieanlage, die durch die Anwesenheit des Rotors verursacht wird. Im Gegensatz zur Verschattung, die den Nachlauf hinter einer Anlage betrifft, wirkt der Blockage-Effekt auf die Strömung vor dem Rotor und kann die Energieausbeute der vorderen Anlagenreihen in einem Windpark reduzieren. Beide Effekte sind eng miteinander verbunden und müssen bei der Planung von Windparks gemeinsam betrachtet werden.
• Parkwirkungsgrad: Der Parkwirkungsgrad ist ein Maß für die Effizienz eines Windparks und gibt das Verhältnis der tatsächlichen Energieproduktion zur Summe der Einzelproduktionen aller Anlagen an. Er wird durch Verschattungseffekte, aber auch durch andere Faktoren wie die Anlagenverfügbarkeit und die Windverhältnisse beeinflusst. Ein niedriger Parkwirkungsgrad deutet auf hohe Verschattungsverluste oder ineffiziente Anlagenkonfigurationen hin.

Zusammenfassung

Verschattung in der Windenergie ist ein komplexes strömungsmechanisches Phänomen, das durch die Wechselwirkung zwischen mehreren Windenergieanlagen oder natürlichen Hindernissen entsteht. Sie führt zu einer Reduktion der Windgeschwindigkeit und einer Erhöhung der Turbulenz im Nachlauf der abschattenden Anlagen, was sowohl die Energieausbeute als auch die mechanische Belastung der betroffenen Anlagen beeinflusst. Die präzise Modellierung und Berücksichtigung von Verschattungseffekten ist daher ein zentraler Aspekt der Windparkplanung und -betriebsführung. Moderne Softwaretools und "Wake-Steering"-Strategien ermöglichen eine Optimierung der Anlagenanordnung und eine Reduktion der Ertragsverluste, während internationale Normen wie die IEC 61400-1 und die Richtlinien des BSH die technischen und regulatorischen Anforderungen definieren. Trotz der Fortschritte in der Modellierung bleiben Unsicherheiten und technische Herausforderungen bestehen, insbesondere im Zusammenhang mit der dynamischen Verschattung und den mechanischen Belastungen auf die Anlagenkomponenten.

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