Neue Windfeldmodelle bilden Böen ab

Betreiberunternehmen von Windparks müssen schon während der Planung wissen, welche Windverhältnisse zu erwarten sind.

Foto: Panthermedia / Alfred Emmerichs

Mit einem neuen statistischen Modell ist es Forschenden der Universität Oldenburg gelungen, turbulente Schwankungen des Windes deutlich realistischer abzubilden, als es bisher möglich war. Zudem wurde eine Methode entwickelt, um aus Daten weniger Messpunkte vollständige, realitätsnahe Windfelder zu berechnen. Die Methode eignet sich nicht nur für Anwendungen im Bereich der Windenergie, sondern könnte auch bei der Berechnung von Aerosolkonzentrationen oder Schadstoffverteilungen in turbulenten Luftströmungen hilfreich sein.

Extreme Windböen treten häufig auf

Für Herstellerfirmen von Windkraftanlagen ist es wichtig, die Windverhältnisse am Rotorblatt möglichst genau beschreiben zu können, um etwa die Belastung von Bauteilen abzuschätzen. Auch Betreiberunternehmen von Windparks müssen schon während der Planung wissen, welche Windverhältnisse zu erwarten sind, etwa um die elektrische Leistung oder die Lärmentwicklung prognostizieren zu können. Zu diesem Zweck verwendet die Windindustrie mathematische Modelle, die Schwankungen der Windgeschwindigkeit anhand statistischer Gesetzmäßigkeiten beschreiben. Diese sogenannten Windfeldmodelle haben allerdings ein großes Manko: In diesen Modellen fehlen die Böen. Der Wind weht darin wesentlich gleichmäßiger als in der Realität. Dass extreme Schwankungen der Windgeschwindigkeit in der natürlichen Umwelt deutlich häufiger auftreten als in den üblicherweise verwendeten Modellen, wurde bereits 2012 nachgewiesen. Unwahrscheinliche Ereignisse – etwa Windböen, die einen Baum entwurzeln – sind in Wirklichkeit gar nicht selten. Bislang lässt sich dieses Problem nur behelfsmäßig lösen: In Anwendungen werden den Windmodellen künstlich Böen hinzugefügt – was die Wirklichkeit jedoch nur unzureichend nachbildet und zudem viel Rechenzeit beansprucht.

Dreidimensionale Windfelder inklusive Turbulenzen abbilden

Dem Team der Universität Oldenburg gelang es mit ihrem neuen Modell, realitätsnahe dreidimensionale Windfelder inklusive Turbulenzen mit relativ geringem Rechenaufwand anzufertigen. Die entscheidende Leistung ihrer Arbeit bestand darin, für jeden Raumpunkt mehrere leicht voneinander abweichende klassische Gauß-Statistiken nach dem Zufallsprinzip zu überlagern. Die statistischen Eigenschaften des daraus berechneten Windfeldes – als superstatistisches Zufallsfeld bezeichnet – kann so eingestellt werden, dass die Stärke und Häufigkeit von Turbulenzen am jeweiligen Standort der Wirklichkeit entsprechen.

Neue Windfeldmodelle auch für Berechnung von Schadstoffkonzentrationen nutzbar

In der Studie beschreibt die Forschenden zudem, wie sich ihr Modell nutzen lässt, um aus den Daten weniger Messpunkte ein vollständiges, wirklichkeitsnahes Windfeld zu errechnen: Sie können den Raum zwischen gitterartig angeordneten Messpunkten sozusagen auffüllen. Diese neue Möglichkeit ist für Anwendungen in der Windindustrie interessant, erlaubt es aber auch, wichtige Forschungsfragen mit neuen Ansätzen anzugehen. Die verwendete Methode, vollständige Felder physikalischer Messgrößen aus einer begrenzten Menge von Daten zu rekonstruieren, ist breit anwendbar. So könnte sie sich beispielsweise nutzen lassen, um die Konzentration von Schadstoffen oder die Temperaturverteilung in einer städtischen Umgebung aus Daten weniger Messpunkte hochaufgelöst zu modellieren.