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Energie aus Wind und Sonne06.11.2019

­­­TEXT  | Christoph Kienemann

Welche Innovationen sind erforderlich, damit Wind zu einer der weltweit wichtigsten Quellen für kostengünstige Stromerzeugung werden kann? Mit dieser Frage befasst sich, unter Federführung des National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums, ein internationales Team von Wissenschaftler*innen. Auch das Oldenburger Zentrum für Windenergieforschung (ForWind) war an der Erstellung der Studie beteiligt, Letztere wurde im Fachmagazin Science veröffentlicht.

„Dank intensiver Forschung sind in den letzten Jahrzehnten technologisch fortschrittliche Systeme entwickelt worden, um Windenergie zu erzeugen. So konnte Wind zu einer etablierten Energiequelle werden“, sagt Dr. Stephan Barth, Geschäftsführer von ForWind. „Doch um das ganze Potenzial der Windenergie auszuschöpfen und die globale Nachfrage nach sauberer Energie decken zu können, sind weitere Innovationen erforderlich.“ Doch vor welchen Herausforderungen steht die Windenergie heute? Die insgesamt 29 Forschenden um die drei Hauptautoren, Katherine Dykes von der Technischen Universität Dänemark sowie Paul Veers und Eric Lantz von NREL, identifizierten ein besseres Verständnis der Windressourcen und –strömungen, die zur Energieerzeugung genutzt werden, die Struktur- und Systemdynamik der größten rotierenden Maschinen der Welt und die Planung sowie der Betrieb von Windenergieanlagen auf eine Weise, dass sie die Zuverlässigkeit und Resilienz des Stromnetzes unterstützen und fördern, als größte derzeitige Herausforderungen.
Da Windanlagen immer größer und höher gebaut werden, wird es in Zukunft wichtig sein, die Dynamik des Windes in diesen Höhen und Größenordnungen zu verstehen. Bisher wurden vereinfachte Modelle zur Analyse von Windströmungen genutzt, wodurch Wissenslücken über Windströmungen in komplexen Gebieten entstanden. Gelingt es der Wissenschaft, diese unterschiedlichen Bedingungen präziser zu berechnen, können Windenergieanlagen wirtschaftlich und technisch weiter optimiert und an den geeigneten Standorten installiert werden.
Windenergieanlagen sind heute die größten flexiblen, rotierenden Maschinen der Welt, mit Blattlängen von deutlich über 80 Metern und Türmen von weit über 100 Metern Höhe. Diese Dimensionen machen die Erforschung neuer Materialien notwendig, um Transport und auch ein späteres Recycling der Anlagen sicher zu stellen. Es gelte abzuschätzen, wie sich bauliche Sicherheit und effiziente Stromerzeugung gleichzeitig gewährleisten lassen.
Allgemein bekannt ist, dass höhere Einspeisungen aus Wind- und Sonnenenergie die Stromnetze der Zukunft drastisch verändern werden. Innovative Regelungskonzepte könnten die Eigenschaften von Windenergieanlagen nutzen, um den Energieertrag zu optimieren und gleichzeitig die Netzstabilität zu unterstützen. Durch Auswertung von Sensormessungen ließen sich die Energieausbeute verbessern, die Kosten senken und der Betrieb an die Netzanforderungen anpassen. Die notwendigen Techniken hierfür müssen jedoch noch erforscht werden. Hier wollen die Forscher*innen die Simulation atmosphärischer Strömungen, die individuelle Turbinendynamik und die Anlagenregelung im Zusammenspiel mit dem übergeordneten Stromsystem, in den Mittelpunkt ihrer Betrachtungen stellen.
Wichtig sei darüber hinaus eine internationale und interdisziplinäre Zusammenarbeit der Windenergieforschung. „Ich sehe mit Freuden, wie sich Forscher zusammentun, um diese komplexen Herausforderungen der Windenergie anzugehen“, sagt ForWind-Wissenschaftler Prof. Dr. Joachim Peinke. „Bestes Beispiel ist die gemeinsame Veröffentlichung in Science. Wir müssen die großen Fragestellungen mit neuen wissenschaftlichen Methoden angehen, dies erfordert zunehmend eine eigenständige Grundlagenforschung im Windenergiebereich.“