Erneuerbare Energien Offshore-Windparks verändern Strömungsmuster in der Nordsee

Hereon-Forschende simulieren erstmals langfristige Folgen von Wind- und Gezeitenwakes durch Windkraftanlagen in der Deutschen Bucht.

Bis zum Jahr 2050 soll die Leistung von Offshore-Windkraft in der Nordsee mehr als verzehnfacht werden. Forschende des Helmholtz-Zentrums Hereon haben erstmals die langfristige Gesamtwirkung dieser vielen Windparks auf die Hydrodynamik der Nordsee analysiert.  

Das Ergebnis: Offshore-Windkraftanlagen verändern Luft- und Meeresströmungen. Die Rotoren entziehen Windenergie und beeinflussen die Oberflächenströmungen, während die Turbinenpfeiler unter Wasser Hindernisse darstellen und die Gezeitenströmungen bremsen. Diese Nachlaufstrukturen, sogenannte Wake-Effekte, interagieren miteinander und bestimmen die komplexen, physikalischen Auswirkungen von Offshore-Windparks. Eine Forschungsgruppe um den Geophysiker Dr. Nils Christiansen vom Hereon-Institut für Küstensysteme – Analyse und Modellierung hat jetzt erstmals die Auswirkungen beider Effekte zusammen analysiert und ihr Ausmaß für das Ausbauszenario bis 2050 berechnet.

Unsere Simulationen zeichnen ein neues, fein strukturiertes Strömungsbild, das sich nicht nur innerhalb der Windparks zeigt, sondern sich in der Nordsee ausbreiten kann

Dr. Nils Christiansen, Hereon-Institut für Küstensysteme – Analyse und Modellierung

Ein neues Strömungsbild und seine Folgen

Die Studie zeigt, dass das Zusammenspiel der Wake-Effekte zu Abnahmen der Spitzengeschwindigkeiten und Veränderungen von Strömungsfrequenzen in der Deutschen Bucht führt. „Unsere Simulationen zeichnen ein neues, fein strukturiertes Strömungsbild, das sich nicht nur innerhalb der Windparks zeigt, sondern sich in der Nordsee ausbreiten kann – mit bis zu 20 Prozent verlangsamten Oberflächengeschwindigkeiten bei einem Ausbauszenario für 2050“, sagt Christiansen. Dadurch kann es zu großräumigen Veränderungen im Sedimenttransport oder der Durchmischung des Meerwassers kommen. Diese Faktoren prägen auch das Meeresökosystem. 

Darüber hinaus haben die Veränderungen des Strömungsbildes auch Konsequenzen für die Genauigkeit der Strömungsvorhersage, die zum Beispiel für den Schiffsverkehr aber auch für Katastrophenmanagement, Umweltschutz und Fischerei relevant ist.

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Windpark-Designs anpassen und Risiken minimieren

Neben möglichen großräumigen Langzeitveränderungen zeigen Christiansen und seine Kollegen auch erste Ansätze, wie sich die Auswirkungen auf die Meeresumwelt verringern lassen. So deuten die Modellsimulationen darauf hin, dass der Turbinenabstand, der Standort der Windparks und die lokalen Gezeitenbedingungen entscheidend dafür sind, wie stark sich Strömungen, Temperaturen und die Durchmischung des Wassers verändern. 

Die Ergebnisse legen offen, dass ein größerer Abstand zwischen den Windrädern die Überlagerung auftretender Turbulenzen durch die Gezeitenwakes deutlich reduzieren kann und so zu weniger Durchmischung führt – ein Schlüsselfaktor, der bereits in einer vorherigen Hereon-Studie im Zusammenhang mit größeren Turbinen und den daraus entstehenden atmosphärischen Effekten gezeigt wurde. Diese Erkenntnisse können als Grundlage für nachhaltige Planung und optimierte Windpark-Designs dienen.

Wir müssen verstehen, wie unterschiedliche Arten von Offshore-Installationen und die Größe der Anlagen die Nordsee beeinflussen.

Dr. Nils Christiansen, Hereon-Institut für Küstensysteme – Analyse und Modellierung

„Offshore-Windkraft ist ein zentraler Baustein der Energiewende und der Dekarbonisierung“, sagt Christiansen. „Gleichzeitig müssen wir verstehen, wie unterschiedliche Arten von Offshore-Installationen und die Größe der Anlagen die Nordsee beeinflussen. Nur so können wir Gesellschaft und Wirtschaft fundiert informieren und Maßnahmen entwickeln, um die möglichen Risiken frühzeitig zu minimieren.“

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Spitzenforschung für eine Welt im Wandel

Das Ziel der Wissenschaft am Helmholtz-Zentrum Hereon ist der Erhalt einer lebenswerten Welt. Dafür erzeugen rund 1.000 Mitarbeiter Wissen und erforschen neue Technologien für mehr Resilienz und Nachhaltigkeit – zum Wohle von Klima, Küste und Mensch. 

Der Weg von der Idee zur Innovation führt über ein kontinuierliches Wechselspiel zwischen Experimentalstudien, Modellierungen und künstlicher Intelligenz bis hin zu Digitalen Zwillingen, die die vielfältigen Parameter von Klima und Küste oder der Biologie des Menschen im Rechner abbilden. Damit wird interdisziplinär der Bogen vom grundlegenden wissenschaftlichen Verständnis komplexer Systeme hin zu Szenarien und praxisnahen Anwendungen geschlagen. Als aktives Mitglied in nationalen und internationalen Forschungsnetzwerken und im Verbund der Helmholtz-Gemeinschaft unterstützt das Hereon mit dem Transfer der gewonnenen Expertise Politik, Wirtschaft und Gesellschaft bei der Gestaltung einer nachhaltigen Zukunft.

Die Arbeit zu den Folgen von Wind- und Gezeitenwakes durch Windkraftanlagen der Hereon-Forscher wurde kürzlich im Nature-Fachjournal Communications Earth & Environment vorgestellt.

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