11. August 2022
Erdbeobachtungsdaten mit Künstlicher Intelligenz (KI) ausgewertet

Chi­na, die EU und Groß­bri­tan­ni­en be­trei­ben die meis­ten Offs­ho­re-Wind­an­lagen

Offshore-Windanlagen in der Nordsee
Offs­ho­re-Wind­an­lagen in der Nord­see
Bild 1/5, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Offshore-Windanlagen in der Nordsee

For­schen­de am DLR ha­ben ein Neu­ro­na­les Netz dar­auf trai­niert, Offs­ho­re-Wind­an­lagen auf Sa­tel­li­ten­bil­dern der Sen­ti­nel-1-Missi­on zu er­ken­nen. Hier sind die An­la­gen in der Nord­see grün mar­kiert.
Globale Übersicht der fertiggestellten und im Bau befindlichen Offshore-Windkraftanlagen
Glo­ba­le Über­sicht der fer­tig­ge­stell­ten und im Bau be­find­li­chen Offs­ho­re-Wind­kraft­an­la­gen
Bild 2/5, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Globale Übersicht der fertiggestellten und im Bau befindlichen Offshore-Windkraftanlagen

8.885 An­la­gen sind welt­weit in Be­trieb, 852 im Bau – der Groß­teil da­von in Chi­na (Stand Mit­te 2021). Ne­ben Chi­na, der Eu­ro­päi­schen Uni­on und Groß­bri­tan­ni­en be­trei­ben zum Bei­spiel Süd­ko­rea (rechts) und Viet­nam (un­ten rechts) meh­re­re Offs­ho­re-Wind­kraft­an­la­gen. Die USA ha­ben sie­ben An­la­gen an der Ost­küs­te.
Globale Übersicht der installierten Leistung von Offshore-Windenergie
Glo­ba­le Über­sicht der in­stal­lier­ten Leis­tung von Offs­ho­re-Win­d­ener­gie
Bild 3/5, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Globale Übersicht der installierten Leistung von Offshore-Windenergie

Die Offs­ho­re-Wind­kraft­an­la­gen in der EU kom­men ins­ge­samt auf 15,2 Gi­ga­watt (GW), die chi­ne­si­schen An­la­gen auf 14,1 GW, die bri­ti­schen auf 10,7 GW in­stal­lier­te Leis­tung. Das ent­spricht zu­sam­men et­wa 98,5 Pro­zent der welt­weit in­stal­lier­ten Offs­ho­re-Wind­kraft­leis­tung von 40,6 GW (Stand: Mit­te 2021). Auch zum Bei­spiel Süd­ko­rea (rechts) und Viet­nam (un­ten rechts) ha­ben Offs­ho­re-Win­d­ener­gie. Die USA be­trei­ben An­la­gen an der Ost­küs­te.
Globale Abdeckung der Sentinel-1-Radarmission und die Offshore-Untersuchungseinheiten
Glo­ba­le Ab­de­ckung der Sen­ti­nel-1-Ra­dar­mis­si­on und die Offs­ho­re-Un­ter­su­chungs­ein­hei­ten
Bild 4/5, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Globale Abdeckung der Sentinel-1-Radarmission und die Offshore-Untersuchungseinheiten

Die grü­nen Qua­dra­te zei­gen, wo ge­nau die Künst­li­che In­tel­li­genz nach Offs­ho­re-Wind­kraft­an­la­gen ge­sucht hat. Der Sen­ti­nel-1-Ra­dar­sa­tel­lit nimmt bei sei­nen re­gel­mä­ßi­gen Über­flü­gen die ge­sam­te Erd­ober­flä­che auf.
Detektierte Offshore-Windenergie-Infrastrukturen in Sentinel-1-Daten
De­tek­tier­te Offs­ho­re-Win­d­ener­gie-In­fra­struk­tu­ren in Sen­ti­nel-1-Da­ten
Bild 5/5, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Detektierte Offshore-Windenergie-Infrastrukturen in Sentinel-1-Daten

Die blau um­ran­de­te Dar­stel­lung zeigt die Offs­ho­re-Wind­kraft­an­la­gen in Nord- und Ost­see so­wie der Iri­schen See. Die Dar­stel­lung dar­über er­klärt ei­nen Wind­park de­tail­lier­ter: Die Tur­bi­nen sind grün mar­kiert, die Tra­fo­sta­tio­nen blau. Die rot um­ran­de­te Dar­stel­lung rechts bil­det Offs­ho­re-Wind­kraft­an­la­gen vor der chi­ne­si­schen Küs­te ab. In dem gelb um­ran­de­ten De­tail ist gut zu er­ken­nen, dass zahl­rei­che An­la­gen im Bau sind.
  • Weltweit installierte Leistung von 40,6 Gigawatt – davon 98,5 Prozent von Anlagen der EU, Chinas und Großbritanniens.
  • Eine KI detektiert weltweit alle Offshore-Windkraftanlagen aus Satellitenbildern.
  • Neuronale Netze lernen mit virtuellen Beispielen, wie sie echte Bilder interpretieren.
  • Schwerpunkte: Raumfahrt, Digitalisierung, Energie, Erdbeobachtung, Künstliche Intelligenz

China, die Europäische Union (EU) und Großbritannien betreiben weltweit die meisten Offshore-Windkraftanlagen. Das hat eine Auswertung von Satellitendaten durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ergeben. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben mit einer Künstlichen Intelligenz (KI) nicht nur die Anzahl und die Standorte der Anlagen ermittelt, sondern auch die Entwicklung der vergangenen Jahre, die Leistung und die Entstehung neuer Anlagen.

Im Juni 2021 waren in China 3.267 Offshore-Windkraftanlagen in Betrieb, in der Europäischen Union (EU) 3.096 und in Großbritannien 2.378. Weltweit wurden 8.885 Anlagen gezählt. Bei der Leistung lag die EU vorne: Die Offshore-Windkraftanlagen in der Nord- und Ostsee, der Irischen See sowie im Atlantik vor Portugal kamen auf 15,2 Gigawatt (GW). Die chinesischen Anlagen kamen zu dem Zeitpunkt auf 14,1 GW, die britischen auf 10,7 GW. „Zusammen sind das rund 98,5 Prozent der weltweit vorhandenen, installierten Offshore-Windkraftleistung von 40,6 GW im Juni 2021“, erklärt Thorsten Höser vom Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) in Oberpfaffenhofen. Zum Vergleich: Die drei aktuell noch laufenden Atomkraftwerke in Deutschland haben eine installierte Leistung von insgesamt 4,3 GW.

Ausbau der Offshore-Windenergie

„Ein Blick auf die zeitliche Dynamik verrät, dass vor allem der Eintritt Chinas in den Offshore-Windenergiesektor und der Bau von Offshore-Windparks in Chinesischen Gewässern die Expansionsdynamik beeinflusst hat“, sagt Thorsten Höser. Laut den ermittelten Daten waren dort Mitte des vergangenen Jahres 627 neue Anlagen im Bau. Vor den EU-Küsten waren 63 Anlagen im Bau. Vor den Küsten der USA wurden sieben bestehende Offshore-Windkraftanlagen gezählt. Die Auswertung bezog sich nicht auf landgestützte Windkraftanlagen.

„Offshore-Windkraftanlagen sind ein wichtiger Baustein für eine treibhausgasneutrale Energieerzeugung und unterstützen gleichzeitig nationale Bestrebungen einer autarken Energieproduktion unabhängig von Kohle und Erdgas. Dabei haben sie den Vorteil, an Standorten errichtet zu werden, wo hohe und stetige Windgeschwindigkeiten herrschen“, sagt Prof. Claudia Künzer, Leiterin der Abteilung Dynamik der Landoberfläche im DFD. „1991 wurde der erste Windpark der Welt an der Dänischen Küste errichtet. Seitdem nimmt die Anzahl der Offshore-Windkraftanlagen in Deutschland, Europa und weltweit stetig zu.“ Sowohl die Bundesregierung, als auch die EU und Großbritannien streben aktuell einen Ausbau der Offshore-Windenergie an.

Künstliche Intelligenz zur Auswertung globaler Satellitendaten

Die Analyse von Satellitenbildern ermöglicht erstmals, einen globalen Überblick über den Offshore-Windenergiesektor zu erhalten. Für die Auswertung wurden Zeitreihen des Radarsatelliten Sentinel-1 der Europäischen Weltraumorganisation ESA seit dem Jahr 2016 genutzt. Charakteristisch für die Sentinel-1 Mission ist eine kontinuierliche Wiederholung der Aufnahmen innerhalb weniger Tage.

Die Forschenden am DFD haben Algorithmen entwickelt, die Verfahren der KI – und hier speziell des Maschinellen Lernens – einsetzen, um Offshore-Windkraftanlagen automatisch aus dem riesigen Sentinel-1-Archiv auszulesen. Das Archiv stellte im Jahr 2021 mehr als elf Petabyte Daten bereit. Ein neuronales Netz wurde mit Beispielen darauf trainiert, Windturbinen zu erkennen. „Die Trainingsbeispiele sollten vielfältig sein, um dem neuronalen Netz eine große Möglichkeit an Szenerien während des Lernens zu präsentieren“, erklärt Thorsten Höser, der die Auswertung der Daten geleitet hat. Ein Teil der Forschungsarbeit befasste sich mit der Erstellung der Beispiele. Sie beschreiben charakteristische Eigenschaften eines Satellitenbildes. Anschließend werden die Bildeigenschaften neu zusammengesetzt, um zehntausende völlig neue virtuelle Trainingsbilder zu erzeugen. Dieser Ansatz ist auf andere Objekte übertragbar. So können in Zukunft neben Offshore-Windturbinen weitere Objekte aus globalen Satellitendaten-Archiven extrahiert werden.

Weitere Zahlen und Informationen zu diesem Thema stellt die DLR-Veröffentlichungsreihe „Daten und Fakten“ bereit.

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Unter "Künstlicher Intelligenz" (KI) werden verschiedene Methoden aus der Informatik zusammengefasst, die geeignet sind, Teilprozesse des menschlichen Denkens zu automatisieren. So wenig es die eine KI gibt, gibt es auch nicht das eine Anwendungsfeld dafür. Im DLR betrachten Wissenschaftler vieler Disziplinen Künstliche Intelligenz und deren Einsatz in den verschiedensten Bereichen: In der Erdbeobachtung werden enorme Datenmengen ausgewertet und aufbereitet, der Robotik hilft sie, immer komplexere Aufgabenstellungen zu lösen, und in der Industrie 4.0 steigert sie die Effizienz von Produktionen.