Offshore-Windparks – Messboje spart Kosten

Forschung Kompakt / 1.12.2015

Der Bau und Betrieb von Offshore-Windparks ist mit hohen Kosten verbunden. Um die Rentabilität der Anlagen abschätzen zu können, muss das Windpotenzial ermittelt werden. Eine Windmessboje mit ausgeklügelter, präziser Messtechnik von Fraunhofer-Forschern liefert die erforderlichen Daten und sorgt für Planungssicherheit.

Wer Offshore-Windanlagen plant, muss wissen, wie der Wind weht. Denn die Wirtschaftlichkeit der Anlagen hängt von der Windgeschwindigkeit ab. »Kontinuierlich höhere Windgeschwindigkeiten auf See können die enormen Investitionen für die Errichtung und Netzanbindung wieder ausgleichen. Die Rentabilität der Windparks ergibt sich aus der Differenz zwischen den Erträgen aus der Einspeisevergütung und den Kosten für den Bau und die Wartung«, sagt Dipl.-Met. Claudia Rudolph, Wissenschaftlerin am Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES in Bremerhaven. Mit einer speziellen Windmessboje wollen die Meteorologin und ihr Team das Windpotenzial und damit zu erwartende Energieerträge ermitteln, um Windparkplaner zu unterstützen. Dabei setzen die Forscher auf die LiDAR-Technologie. LiDAR steht für Light Detection and Ranging.

Die Messboje wird zu Wasser gelassen.

LiDAR-Boje
© Foto Fraunhofer IWES

Mit einem Gewicht von 4,9 Tonnen ist die LiDAR-Boje ein Schwergewicht.

Windmessboje mit ausgeklügelter, präziser Messtechnik in der Nordsee vor dem Messmast FINO 1.
© Foto Fraunhofer IWES

Windmessboje mit ausgeklügelter, präziser Messtechnik in der Nordsee vor dem Messmast FINO 1.

Alternative zu Windmessmasten

 

Der Fraunhofer IWES-LiDAR-Boje liegt das Design einer Leuchttonne zugrunde, wie sie bereits seit über dreißig Jahren in der Nordsee im Einsatz ist. Die Wissenschaftler passten sie für das Messen des Windpotenzials an. Sie ist ein Schwergewicht mit einer Länge von über acht Meter, einem Durchmesser von 2,55 Meter und einem Gewicht von 4,9 Tonnen. Mit an Bord ist ein LiDAR-Messgerät, das Windgeschwindigkeiten in Höhen von 40 bis 200 Metern misst. »LiDAR-Systeme senden gepulste Laserstrahlen in die Atmosphäre. Diese werden an Partikeln in der Luft, den Aerosolen, reflektiert. Aus der Frequenzverschiebung des zurückgestreuten Signals wird die Windgeschwindigkeit und -richtung in den entsprechenden Messhöhen errechnet«, erläutert die Meteorologin die Funktionsweise des Systems.

Die Technologie wird bereits an Land genutzt. Für Messungen auf Bojen und schwimmenden Plattformen kam sie bisher nicht in Frage, da sie zu ungenau war. Die Eigenbewegung der Boje, die die Messwerte verfälscht, verhinderte den zuverlässigen Einsatz eines LiDAR-Geräts. Um diese Messungen dennoch auf beweglichen Untergründen zu ermöglichen, entwickelten die Forscher vom IWES einen Korrekturalgorithmus, der die Eigenbewegung der Boje aus den Messwerten herausrechnet. Das neue Floating-LiDAR-System garantiert eine hohe Messgenauigkeit, die mit fest installierten Offshore-Windmessmasten vergleichbar ist. Zu diesem Ergebnis führten Validierungsmessungen in der Nordsee: Dort wurde die Boje in 30 Metern Wassertiefe 45 Kilometer vor Borkum beim Offshorepark Alpha Ventus in der Nähe des Messmasts FINO 1 installiert. Die Werte von Messmast und Boje stimmten dabei zu 99,7 Prozent überein.

»Auf hoher See ist die LiDAR-Boje eine echte Alternative zu Windmessmasten, die Windgeschwindigkeiten nur in einer Höhe von 100 Metern ermitteln«, sagt Rudolph. Weitere Vorteile des Systems: Die flexibel, überall auf See einsetzbare Boje lässt sich schnell installieren. Die Kosten dafür fallen fünf bis zehn Mal geringer aus. Auch die Wartung ist längst nicht so aufwändig wie die eines Messmasts. Je nach Anforderung lassen sich parallel weitere Parameter wie Wellen, Strömung und Temperatur ermitteln.

Eine weitere Besonderheit der Boje: Das LiDAR-Messgerät wurde in ein Aluminium-gehäuse mit einem Spezialglas eingekapselt, um es vor Salzwasser und den extremen Umweltbedingungen auf See zu schützen. Durch das Spezialglas gelangt der Laserstrahl ungehindert in die Atmosphäre und wird nicht gebrochen. Ein autonomes Stromversorgungssystem komplettiert die Ausstattung: Drei kleine Windgeneratoren mit jeweils 400 Watt sowie drei Solarpanels à 70 Watt erzeugen den Strom, drei Gel-Akkus speichern ihn. Somit ist eine Speicherreserve für eine Woche ohne Wind und Sonne gewährleistet. Im Inneren der schwimmenden Plattform befindet sich der Rechner für die Datenkommunikation. Status- und Messdaten werden per WLAN oder Satellit an den Empfänger übertragen.

Projekte in der Nordsee

 

Derzeit ist eine LiDAR-Boje in einem Forschungsprojekt vor der dänischen Küste im Einsatz. Eine weitere Boje wird für Demonstrationsmessungen in der Nordsee eingesetzt. Mit diesem Projekt wollen die Wissenschaftler ihre Entwicklung dem Offshore-Firmen-Konsortium Carbon Trust Offshore Wind Accelerator (OWA) präsentieren – einer gemeinnützigen Gesellschaft mit dem Auftrag, die Umstellung auf eine klimafreundliche Wirtschaft voranzutreiben. »Werden die Kriterien der OWA erfüllt, erhält man einen Pre-Commercial-Status. Das ist ein wichtiges Signal an unsere potentiellen Kunden. Es zeigt, dass unser System voll einsatzfähig ist. Es versetzt uns in die Lage, Windparkplanern und -betreibern verschiedene Angebote wie etwa Langzeitmessungen zur Ertragsprognose aber auch Online-Windmessungen bei der Installation zu unterbreiten«, so die Forscherin.