Windkraft war laut dem Statistischen Bundesamt 2022 bereits die zweitwichtigste Energiequelle für die Stromerzeugung. Um die Energiewende zu schaffen, soll sie umfassend ausgebaut werden. Das bedeutet mehr, aber auch bessere Anlagen. Ob Effizienz, Wirtschaftlichkeit oder Geräuschentwicklung – durch Forschung kann die Windkraft noch wesentliche Fortschritte machen.
In Krummendeich, einer kleinen Gemeinde an der Niederelbe zwischen Cuxhaven und Stade, stehen idyllisch zwischen Feldern und Obstbäumen gelegen seit Mai 2023 zwei Windenergieanlagen des DLR: OPUS 1 und OPUS 2 recken sich 150 Meter in den Himmel. Sie befinden sich in guter Gesellschaft, denn im vorwiegend aus Westsüdwest kommenden Wind drehen sich in der Umgebung bereits mehrere Windräder. Sie nutzen die oft steife Brise, um erneuerbaren Strom zu erzeugen. Auf den ersten Blick unterscheiden sich die beiden DLR-Anlagen nicht sehr von ihren Nachbarn. Doch aus der Nähe wird klar: Hier ist einiges anders, angefangen von den vielen schwarzen Punkten, die sich in Abschnitten über die Rotorblätter verteilen und Messmarkierungen für optische Sensoren sind. Dazu kommen Messmasten, angestrichen in leuchtendem Rot. Die dritte Windenergieanlage OPUS 3 und ein weiterer Messmast sind in Planung, die Leitwarte schon im Bau. Zusammen bilden sie ein ganz besonderes Ensemble: den DLR-Forschungspark Windenergie WiValdi.
Windenergie als Ganzes besser verstehen und optimieren
Das DLR hat den Forschungspark mit dem Forschungsverbund Windenergie (FVWE) und der Industrie geplant und umgesetzt. Der Name WiValdi steht für Wind Validation und beschreibt das Ziel der Forschenden: Sie wollen auf Basis wissenschaftlicher Methoden möglichst exakt herausfinden und bestätigen, also validieren, was mit der Luft passiert, wenn diese mit dem Wind durch die Anlagen des Forschungsparks gewirbelt wird. Dazu schauen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler über einen längeren Zeitraum ein breites Spektrum an Strömungsvorgängen an, das von der Atmosphäre bis hin zur kleinsten Verwirbelung rund um die Rotorblätter reicht.
Feldforschung – live, vor Ort und in voller Größe
„WiValdi ermöglicht uns erstmals, Wissenschaft im Originalmaßstab unter realen Umweltbedingungen zu betreiben und so die Windkraft als Ganzes mit all ihren Einflussfaktoren besser zu verstehen“, beschreibt Jan Teßmer das Projekt. Er leitet die DLR-Einrichtung Windenergieexperimente, die den Aufbau und Betrieb des Forschungsparks verantwortet. Das DLR kann so Technologien entwickeln, um die Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Akzeptanz der Windenergie weiter zu steigern – gemeinsam mit Unternehmen und weiteren Forschungseinrichtungen, denen das Testfeld in Krummendeich ebenfalls offensteht. Beim Aufbau des Forschungsparks arbeitet das DLR eng mit Enercon, einem der führenden Hersteller im Bereich Windenergie, zusammen. Von dort stammen auch die beiden großen Windenergieanlagen OPUS 1 und OPUS 2. Beide haben eine Nennleistung von 4,26 Megawatt.
Auch in Zukunft werden die großen Windenergieanlagen in kommerziellen Parks nicht fundamental anders aussehen als heute. „Trotzdem ist die Windenergie weit davon entfernt,‚ausgeforscht‘ zu sein. Im Gegenteil: Wir stehen bei vielen Fragen erst am Anfang“, ist Dr. Michaela Herr vom DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik überzeugt. Dort leitet sie die neugegründete Abteilung Windenergie und arbeitet seit Jahren vor allem im Bereich der Aeroakustik. Darunter versteht man Geräusche, die aerodynamisch erzeugt werden. Das ist der Fall, wenn Bauteile um- oder durchströmt werden – wie etwa die Rotorblätter von Windenergieanlagen.
„WiValdi ermöglicht uns erstmals, Wissenschaft im Originalmaßstab unter realen Umweltbedingungen zu betreiben und so die Windkraft als Ganzes mit all ihren Einflussfaktoren besser zu verstehen.“
Dr. Jan Teßmer, Leiter DLR-Einrichtung Windenergieexperimente
Leistungsstark, aber leise
Vermessung der Rotorblätter
Vor der Montage wurden alle sechs Rotorblätter von den Fachleuten des DLR-Instituts für Aeroelastik dynamisch vermessen. Außerdem wurde ein Blatt in Zusammenarbeit mit Fraunhofer IWES statisch getestet.
In der Diskussion um die Windkraft sind die durch Windenergieanlagen entstehenden Geräusche oft ein kritischer Punkt, vor allem für die Anwohnenden. Laut einer Umfrage des Meinungsforschungsinstituts Forsa aus dem Jahr 2022 ist die Akzeptanz für mehr Windenergie an Land mit rund 80 Prozent bereits hoch. Angesichts des geplanten umfangreichen Ausbaus in den nächsten Jahren ist es wichtig, dass das so bleibt. Aktuell beträgt die Gesamtleistung der Windenergieanlagen an Land knapp 60 Gigawatt. Bis Ende 2030 soll sie auf 115 Gigawatt steigen.
Serrations
Diese gezackten Hinterkanten an den Rotorblättern nennt man Serrations. Sie reduzieren den Schall.
Was den Schall betrifft, gibt es bereits viele Möglichkeiten, diese Emissionen weiter zu verringern. Schon heute ist der Einsatz sogenannter Serrations Standard. Das sind gezackte Hinterkanten an den Rotorblättern – wie man sie auch bei den beiden großen Anlagen OPUS 1 und 2 des Forschungsparks WiValdi sehen kann. Diese Serrations reduzieren den Schall dort, wo er entsteht. Auch bei der Anlagenregelung gibt es einiges an Spielraum, wenn es darum geht, im Betrieb leiser und effizienter zu werden. Genau diesen Aspekten will DLR-Forscherin Michaela Herr mit ihrem Team auf die Spur gehen. Wie lästig man Lärm empfindet, hängt von der Lautstärke ab, aber auch von der Art und Charakteristik des Schalls. Zum Beispiel stört der zeitlich schwankende Schall von sich drehenden Rotorblättern mehr als ein gleichmäßiges Rauschen. „Mit WiValdi können wir unmittelbar vor Ort und über einen längeren Zeitraum untersuchen, wie sich das Wetter und andere örtliche Gegebenheiten auf die Entstehung und Ausbreitung des Schalls auswirken. Gleichzeitig erfassen wir die Leistung der Anlagen und weitere wichtige Parameter“, beschreibt Michaela Herr das Vorhaben. „So können wir bessere Modelle entwickeln und für neue Windenergiestandorte individuelle Analysen erstellen. In Zukunft können dann neue Windparks bereits in der Planungsphase so ausgelegt und Anlagen so zueinander positioniert werden, dass sie unter den gegebenen Bedingungen möglichst effizient, langlebig und leise betrieben werden können.“
Rotorblätter der Windenergieanlagen
Die Rotorblätter sind 57 Meter lang und wiegen jeweils etwa 20 Tonnen.
Willkommen im Reich der Sensoren und der Messtechnologie
Von den Fundamenten im Erdreich bis zu den Blattspitzen in 150 Meter Höhe sind alle Komponenten von WiValdi mit zahlreichen Sensoren ausgestattet. Diese messen zum Beispiel Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit, Drücke oder selbst kleinste Verformungen der Rotorblätter. Sie erzeugen so einen Datenschatz von bisher unerreichtem Detaillierungsgrad. Forschende weltweit haben sich bereits bei den Kolleginnen und Kollegen des DLR gemeldet, um Einblick in diese einmalige und ständig größer werdende Sammlung zu bekommen.
Messmarkierungen der Rotorblätter
Dr. Yves Govers vom DLR-Institut für Aeroelastik überprüft die Messmarkierungen auf einem der Rotorblätter.
Allein in den sechs Hightech-Rotorblättern sind rund 1.500 Sensoren verbaut. Sie ermöglichen es erstmals, das Schwingungs- und Belastungsverhalten einer Windenergieanlage im Realmaßstab und Praxisbetrieb umfassend wissenschaftlich zu untersuchen. „Große und leichte Blätter sind gut für die Effizienz, werden aber gleichzeitig sehr elastisch und flexibel. Sie biegen sich durch und schwingen unter Windlast. Damit sind neue technische Herausforderungen verbunden, die wir uns genau anschauen müssen“, erklärt Dr. Yves Govers vom DLR-Institut für Aeroelastik. Gemeinsam mit dem DLR-Institut für Systemleichtbau sowie der zum Zentrum für Windenergieforschung ForWind gehörenden Universität Hannover stattete sein Team die Rotorblätter bereits während der Produktion mit Sensoren aus. „Die Sensoren kann man sich wie das menschliche Nervensystem vorstellen. Sie sammeln Informationen, überwachen und geben Hinweise, wo Probleme auftauchen könnten“, sagt Dr. Lutz Beyland vom Institut für Systemleichtbau. Zum Beispiel können mechanische Belastungen und Materialermüdung frühzeitig erkannt und Konstruktionsweise wie Anlagensteuerung optimiert werden. Vor dem Anbringen der Sensoren trainierte das Team alle Handgriffe im DLR-Zentrum für Leichtbauproduktionstechnologie in Stade.
Lidar
Das Lidar am Boden erfasst den Wind in bis zu 2.000 Meter Höhe. Das Mikrowellenradiometer misst Temperatur und Luftfeuchte bis in 10 Kilometer Höhe.
Auch in Krummendeich starteten schon vor Beginn der Bauarbeiten erste wissenschaftliche Messkampagnen. Mit einem optischen, laser-basierten Messgerät (Lidar) ermittelte das DLR-Institut für Physik der Atmosphäre Informationen zu Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Turbulenzen vor Ort. Dieser Datensatz dient als Vergleichswert. So können etwaige Veränderungen durch die Windenergieanlagen im lokalen Wetter nachgewiesen werden. Eine ebenfalls wichtige Referenz ist die akustische Standortbewertung durch das DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik.
Mit dem Start der Bauarbeiten im Frühjahr 2021 begann eine spannende und gleichzeitig herausfordernde Zeit. In den Händen des dreiköpfigen Teams der DLR-Einrichtung für Windenergieexperimente liefen sämtliche Fäden des Großprojekts zusammen: von der Planung des Forschungsparks über die Koordination von Prozessen und Gewerken bis hin zur Kommunikation mit den Bürgerinnen und Bürgern der umliegenden Gemeinden.
Die DLR-Forschenden Dr. Jakob Klassen und Lukas Firmhofer sowie ihr Chef Jan Teßmer mussten sich dazu in teilweise neue Fachgebiete einarbeiten und die lokalen Gegebenheiten kennenlernen. Zu berücksichtigen gab es beispielsweise die besonderen Voraussetzungen des Bauens auf dem in Küstennähe vorherrschenden weichen Marschboden, oder Maßnahmen zum Schutz der umliegenden Obstplantagen vor Bodenerosion. „Für uns war das etwas ganz Besonderes, weit weg von den Aufgaben im wissenschaftlichen Alltag“, fassen der Gesamt-Projektleiter Dr. Jakob Klassen und Lukas Firmhofer vom Aufbauteam zusammen. Neben viel Begeisterung für die Windenergie forderte das Projekt auch gute Nerven: Es kam zu Verzögerungen im Bauablauf durch die Corona-Pandemie und den Fachkräftemangel. Um die Menschen vor Ort über das Projekt zu informieren und die Fortschritte erlebbar zu machen, führte das Team im Internet ein Baustellen-Tagebuch und organisierte Baustellenbesuche sowie Informationsveranstaltungen.
Messmasten-Array
Der Messmast kann einströmenden Wind vom Boden bis zur Rotorblattspitze vermessen.
Im April 2022 wuchs der erste Messmast in die Höhe. Er steht am westlichen Eingang zum Forschungspark, ist 150 Meter hoch und mit über 100 Sensoren bestückt. So kann er den einströmenden Wind vom Boden bis zur Rotorblattspitze vermessen. Ende 2022 folgte das sogenannte Messmasten-Array. Diese Konstruktion verbindet drei Messmasten: zwei 100 Meter hohe außen und einen 150 Meter hohen in der Mitte. Sie tragen vor allem Sensoren, die auf Entwicklungen der ForWind-Partner der Universität Oldenburg basieren. Sie bestimmen genau, wie der Wind durch die erste Anlage verwirbelt wird, bevor er auf die zweite trifft. „Dabei geht es ganz schön holprig zu. Man kann sich das wie ein Kopfsteinpflaster vorstellen, über das die Luft wehen muss, wobei sie ordentlich durchgeschüttelt wird“, beschreibt DLR-Forscher Jan Teßmer. Über den Jahreswechsel begannen die Arbeiten für die Fundamente der Windenergieanlagen und im Frühling 2023 erfolgte die Anlieferung weiterer Komponenten wie Turmsegmente, Gondel und Generator. In der containerförmigen Gondel befinden sich alle elektrischen Komponenten der Windenergieanlage. Auf dem Dach der Gondel ist ein Lidar-System installiert. Es vermisst den einströmenden und hinter dem Rotor wieder austretenden Wind.
Im April und Mai 2023 war es endlich so weit: Die sechs Rotorblätter waren bereit für die Montage, genauso wie alle Beteiligten vom DLR-Team über die Kranführer und Einweiser am Boden bis hin zu den Personen, die in der Rotornabe die Blätter in Empfang nahmen und sie mit jeweils mehr als 50 Bolzen festzogen. Bevor es jedoch losgehen konnte, musste einiges an Wartezeit überstanden werden. Denn das Heben und Montieren der 57 Meter langen und 20 Tonnen schweren Blätter mit einem Großkran konnte nur bei ruhigen Windverhältnissen erfolgen. Betrug die Windgeschwindigkeit mehr als sechs Kilometer pro Stunde, was an der Küste oft der Fall ist, hieß es abwarten. Fasste das Montageteam den Entschluss loszulegen, musste es fix gehen. Hing ein Blatt einmal am Haken, gab es kein Zurück mehr. Am frühen Nachmittag des 13. Mai 2023 war das Werk vollbracht und auch OPUS 2 strahlte fertig montiert im frühsommerlichen Sonnenschein.
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Video: Transport der Hightech-Rotorblätter für den DLR-Forschungspark Windenergie Krummendeich
Mit dem Forschungspark Windenergie WiValdi DLR im niedersächsischen Krummendeich eine in dieser Form einmalige Anlage auf. Sie ermöglicht es, die technologischen Aspekte der Windkraft als einer der Säulen für das Energiesystem von morgen im Realmaßstab zu erforschen – gemeinsam mit Akteuren des Forschungsverbunds Windenergie. Die zwei Windenergieanlagen des Forschungsparks verfügen dazu über spezielle Rotorblätter: Sie wurden bereits während der Herstellung beim Industrieunternehmen Enercon mit rund 1.500 Sensoren ausgestattet. Mit ihnen wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchen, wie sich Windenergieanlagen leiser, langlebiger und effizienter auslegen und betreiben lassen. WiValdi geht im Sommer 2023 in Betrieb und soll eine Laufzeit von etwa 20 Jahren haben. Die ersten drei Hightech-Rotorblätter haben sich bereits Ende März auf den Weg von Bremen nach Krummendeich gemacht. Gefördert wird der DLR-Forschungspark Windenergie Krummendeich durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und das Niedersächsische Ministerium für Wissenschaft und Kultur (MWK).
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Video: Montage der Rotorblätter des DLR-Forschungsparks Windenergie WiValdi
In den Rotorblättern der beiden Windenergieanlagen OPUS 1 und 2 ist jede Menge Hightech untergebracht. Dazu gehören auch 1.500 Sensoren, die im Betrieb einmalige Daten sammeln werden. Am 13. Mai 2023 gelang es dem Baustellen-Team des Anlagenherstellers Enercon bei schönsten Wetter gleich alle drei Blätter zu „ziehen“ und zu befestigen. Im Video gibt DLR-Forscher Lukas Firmhofer zudem einen Einblick in Aufbau und Ziele des Forschungspark Windenergie. Gefördert wird der DLR-Forschungspark Windenergie Krummendeich durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und das Niedersächsische Ministerium für Wissenschaft und Kultur (MWK).
Noch ist das WiValdi-Ensemble nicht komplett: OPUS 3, die dritte Windenergieanlage, und der fünfte Messmast werden voraussichtlich im Laufe des Jahres 2024 fertiggestellt. Die Planungsarbeiten, Ausschreibungen und Vorbereitungen dafür sind in vollem Gange. Doch schon jetzt ist gut zu erkennen, dass Aufbau und Zusammensetzung des Forschungsparks einzigartig sind: Alle Komponenten stehen in der Hauptwindrichtung hintereinander. Kommerzielle Windparks würde man heute so nicht planen, weil die zweite Anlage genau im Nachauf – also im Windschatten – der ersten steht. Sie muss dort mit schwächerem Wind und sehr verwirbelter Luft zurechtkommen. Genau das haben die Forschenden beabsichtigt: So können sie untersuchen, wie eng man Anlagen in Zukunft positionieren, vorhandenen Platz besser nutzen und trotzdem noch eine möglichst hohe Effizienz erzielen kann. Simulationen, die mithilfe der in WiValdi gesammelten Daten entstehen, können diese Fragestellungen beantworten und Kommunen als Grundlage dienen, wenn es darum geht, Flächen für die Windkraft auszuweisen. Eine wichtige Unterstützung, denn durch das „Wind-an-Land-Gesetz“ sind alle Bundesländer verpflichtet, bis 2032 zwei Prozent ihrer Fläche für Windenergie zur Verfügung zu stellen. Außer auf dem Bau neuer Anlagen soll der Fokus beim Ausbau der Windkraft auf „Repowering“-Maßnahmen liegen. Darunter versteht man, alte durch neue, leistungsstärkere und effizientere Anlagen zu ersetzen. Auch hier können neue Forschungsergebnisse und Technologien, wie sie mit WiValdi entstehen, weiterhelfen.
Einmal durchatmen und weiter geht's
Robert Habeck besucht WiValdi
Von links: Prof. Dr.-Ing. Anke Kaysser-Pyzalla, DLR-Vorstandsvorsitzende, Falko Mohrs, Minister für Wissenschaft und Kultur des Landes Niedersachsen, Dr. Robert Habeck, Bundesminister für Wirtschaft und Klimaschutz, Prof. Karsten Lemmer, DLR-Vorstandsmitglied und verantwortlich für den Bereich Innovation, Transfer und wissenschaftliche Infrastrukturen, Dr. Michaela Herr, Leiterin der Abteilung Windenergie am DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in Braunschweig, und Dr. Jan Teßmer, Leiter der DLR-Einrichtung Windenergieexperimente.
Schon wenige Tage nach der Montage von OPUS 1 und OPUS 2 ging die Arbeit des Teams in Krummendeich weiter. In enger Zusammenarbeit mit dem Anlagenhersteller Enercon starteten die Vorbereitungen für die Inbetriebnahme. Das DLR-Institut für Flugsystemtechnik sorgt dafür, dass die Infrastruktur von WiValdi fit für die Forschung ist, und koordiniert, dass alle wissenschaftlichen Beiträge zusammenlaufen. Zum Beispiel arbeitet Projektleiter Dr. Henrik Oertel mit seinen Kolleginnen und Kollegen daran, dass am Ende alle Daten im synchronisierten Datenmanagement-System landen und den Nutzenden des Forschungsparks zur Verfügung stehen. Im laufenden Probebetrieb werden nun alle Anlagen und Installationen auf ihr Zusammenspiel überprüft. Zwischendurch stattete Robert Habeck, Bundesminister für Wirtschaft und Klimaschutz, dem Forschungspark einen Besuch ab, gefolgt von der offiziellen Einweihung von WiValdi am 15. August 2023 mit Partnern und Gästen aus Politik, Wirtschaft, Administration und der Anwohnerschaft. Parallel starteten erste Forschungsprojekte und die Auswertung der bisher gesammelten Messdaten. Projektanträge wurden geschrieben und eingereicht und erste Anfragen zu gemeinsamen Versuchen mit Industrieunternehmen gesichtet.
Den ersten Strom speiste die Anlage OPUS 1 probeweise Anfang August ins Netz ein. OPUS 2 folgte wenige Wochen später – ein weiterer Meilenstein für das WiValdi-Team und ein Vorgeschmack auf die kommenden rund zwanzig Jahre, in denen der Forschungspark neben einzigartigen wissenschaftlichen Erkenntnissen auch einen Beitrag zur nachhaltigen Energieversorgung leisten soll.
Windenergieanlage
Im Forschungsverbund Windenergie (FVWE) hat das DLR den Forschungspark Windenergie WiValdi aufgebaut.
Der Bereich Windenergie ist im DLR interdisziplinär aufgestellt und profitiert auch vom Know-how insbesondere der Luftfahrt und vom Austausch mit ihr. Dabei gilt, ähnlich wie in der Musik: Einzelne Instrumente klingen zwar schön, aber erst zusammen im Konzert mit anderen entfalten sie ihre volle Wirkung. Innerhalb des DLR betreibt die Einrichtung Windenergieexperimente am Standort Braunschweig den Forschungspark Windenergie WiValdi. Sie koordiniert außerdem die Windenergieforschung im DLR, zu der insbesondere die DLR Institute für Aerodynamik und Strömungstechnik, Aeroelastik, Flugsystemtechnik, Physik der Atmosphäre sowie Systemleichtbau beitragen.
Gemeinsam erfolgreich
Im Forschungsverbund Windenergie (FVWE) hat das DLR den Forschungspark entwickelt und errichtet. Der FVWE bündelt das Know-how von rund 600 Forschenden, um Impulse für die Energieversorgung der Zukunft zu geben. Er besteht aus drei am Projekt mitwirkenden Organisationen: dem DLR, dem ForWind – Zentrum für Windenergieforschung der Universitäten Oldenburg, Hannover und Bremen sowie dem Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme (IWES).
Gefördert wird WiValdi vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) sowie vom Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur. In den Aufbau des Forschungsparks fließen rund 50 Millionen Euro.
