Wenn es Windturbulenzen gibt, schwankt die Leistung von Windrädern binnen Sekunden um mehr als die Hälfte. Forscher haben jetzt die Ursache herausgefunden und zeigen Auswege auf.

 

Windturbulenzen stören den Betrieb von Windrädern empfindlich und damit die gesamte Energiewende, wenn sie auf Windkraft und der heutigen Technik basiert. Dagegen ist aber ein Kraut gewachsen − welches, das beschreiben vier Forscher an der Uni Oldenburg in einem Aufsatz, der kürzlich in der wissenschaftlichen Zeitschrift PRX Energy erschienen  ist.

Demnach kann die tatsächliche Generatorleistung von Windkraftanlagen bei Windturbulenzen binnen Sekunden um mehr als die Hälfte der Nennleistung schwanken. Das schadet nicht nur dem Antriebsstrang der Anlagen selbst, der schneller unter Materialermüdung leidet, sondern auch dem Stromsystem, das diese Schwankungen auffangen muss. Und: Innerhalb eines Windparks gleichen sich die sprunghaften Schwankungen nicht aus, im Gegenteil: Sie kumulieren sich.

Und das Problem verschärft sich mit dem Windkraft-Ausbau, schließlich soll sich die Leistung allein in Deutschland onshore in den nächsten sieben Jahren auf 115.000 MW verdoppeln. In ganz Europa soll bis dahin die gleiche elektrische Leistung hinzukommen.

Die Ursache für die spontanen Leistungssprünge war bisher unklar, weil die Messdaten vom Wind, von der Erzeugungsleistung und von der Drehgeschwindigkeit des Generators ebenfalls stark schwanken und − scheinbar − keine Kausalkette erkennen lassen. "Wir sprechen von Rauschen", erklärt Hauptautor Pyei Phyo Lin, ein Physikingenieur aus Singapur in Oldenburg.

Pyei spaltete dieses Datenrauschen mit neuen Methoden der Wahrscheinlichkeitsrechnung in zwei Anteile: Der eine ist auf den Wind selbst zurückzuführen, der andere auf die Reaktion des Kontrollsystems der Windenergieanlage. 

Und die wechselt aufgrund der erhaltenen Wind-Messdaten häufig die Kontrollstrategie − zu häufig, was zu den Leistungsschwankungen führt. Jetzt liefern die erstmals sortierten Daten nach dem Anspruch der vier Forscher erstmals die Grundlage, den Kontrollsystemen eine auf gleichmäßigere Stromausbeute ausgerichtete Reaktionsstrategie zu verpassen. Die Windturbinen-Hersteller sind also jetzt gefragt.

Die Studie „Discontinuous Jump Behavior of the Energy Conversion in Wind Energy Systems“ stammt neben Pyei als Hauptautor von Matthias Wächter, Leiter der Arbeitsgruppe Stochastische Analyse an der Uni Oldenburg, dem dortigen Turbulenzexperten Joachim Peinke und dem Iraner Mohammad Reza Rahimi Tabar, der derzeit Fellow am Hanse-Wissenschaftskolleg im nahe gelegenen Delmenhorst ist. Der 13 Seiten lange Aufsatz dazu ist in der Zeitschrift PRX Energy  frei zugänglich.