Wind- und Turbulenzmessungen an der Offshore-Messplatform FINO1

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1 Wind- und Turbulenzmessungen an der Offshore-Messplatform FINO1 Matthias Türk und Stefan Emeis Institut für Meteorologie und Klimaforschung Atmosphärische Umweltforschung Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Kreuzeckbahnstr. 19, Garmisch-Partenkirchen Einleitung Die regenerativen Energien gewinnen vor dem Hintergrund der aktuellen Diskussion über den anthropogen bedingten Klimawandel und die zwingend notwendigen Maßnahmen zur Gegensteuerung zunehmend an Bedeutung. Um die gesetzten Klimaschutzziele (Reduktion des CO 2 -Ausstoßes) zu erreichen, soll der Anteil der Windenergie an der Energieversorgung in Deutschland dabei nach dem Willen der Bundesregierung in den nächsten Jahren deutlich zunehmen. Der größte Teil der neu installierten Leistung soll dabei offshore realisiert werden. Für die Planung, Auslegung und den Betrieb von Offshore-Windkraftanlagen bzw. -parks in den entsprechenden Seegebieten z.b. in der Deutschen Bucht ist eine detaillierte Kenntnis des Windklimas zwingende Voraussetzung. Seit Herbst 2003 ist die mit einer Höhe von gut 0 m und einer Höhenauflösung von m zwischen 33 und 3 m Höhe bei der Windmessung die weltweit bislang einzigartige Offshore-Forschungsplattform FINO1 in der Deutschen Bucht, ca. 45 km nördlich vor Borkum, in Betrieb und soll zur Verbesserung der Datenlage und zum besseren Verständnis der maritimen Grenzschicht beitragen. Die FINO1-Messdaten werden im Rahmen des BMU-finanzierten Verbundprojektes OWID ausgewertet. Ergebnisse 1. Windprofil über See Das Windprofil zeigt über See im Vergleich zu Landoberflächen aufgrund der geringeren Oberflächenrauhigkeit deutlich geringere Vertikalgradienten der Windgeschwindigkeit. Abb. 1 zeigt Vertikalprofile der Windgeschwindigkeit für verschiedene Stabilitätsklassen der atmosphärischen Schichtung. Als Maß der atmosphärischen Stabilität wird die Bulk- Richardson-Zahl (Foken, 2003) verwendet: Ri g = T Δ θ Δz 2 (Δu) (1) Mit Ri als Bulk-Richardson-Zahl, g als Schwerebeschleunigung (m/s²), T als Temperatur (K), θ als Potentieller Temperatur (K), z als Höhe über Grund und u als horizontale Windgeschwindigkeit (m/s). Negative Richardson-Zahlen kennzeichnen instabile atmosphärische Verhältnisse (rote Linie), positive Richardson-Zahlen stabile Verhältnisse (blaue Linie) und Richardson-Zahlen um Null kennzeichnen neutrale atmosphärische Bedingungen (grüne Linien). Bei instabiler atmosphärischer Schichtung und somit guter Durchmischung tritt in den Messhöhen zwischen 33 und 3 m kein ausgeprägter Vertikalgradient mehr auf, wohingegen der Vertikalgradient bei stabiler Schichtung am stärksten ausgeprägt ist. Zur Beschreibung des Windprofils wird das für die Anwendung in der praktischen Anwendung besonders geeignete Potenzprofil verwendet (Etling, 1996): α z uz ( ) = uz ( r ) (2) zr

2 Mit z r als Referenzhöhe und α als Höhenexponent. Für die vorliegenden Untersuchungen wird α aus den beiden Windgeschwindigkeiten in der Referenzhöhe 40 m sowie der Höhe 90 m auf Basis der -Minuten Mittelwerte für jedes -Minuten Intervall im Zeitraum September 2003 bis Februar 2007 berechnet Höhe (m) Alle Klassen Ri [ ] Ri [ ] Ri [ ] Ri [ ] N = Windgeschwindigkeit (m/s) Abb. 1: Vertikalprofile der Windgeschwindigkeit in Abhängigkeit verschiedener atmosphärischer Stabilitätsklassen (rot = instabile Schichtung, blau = stabile Schichtung, grün = neutrale Schichtung, schwarz = alle Klassen). April bis Juli Abb. 2a zeigt die Abhängigkeit des Höhenexponenten α von der Windgeschwindigkeit bei instabiler atmosphärischer Schichtung im Zeitraum September 2003 bis Februar 2007, Abb. 2b zeigt die gleiche Abhängigkeit für stabile atmosphärische Bedingungen. Dargestellt sind Mittelwert, Median, absolutes Minimum und Maximum, -, 25-, 75, und 90-Perzentilwerte sowie die Anzahl der Werte innerhalb der jeweiligen Windgeschwindigkeitsklasse (1 m/s Klassenbreite). Bei stabiler Schichtung steigt der Höhenexponent mit zunehmender Windgeschwindigkeit deutlich stärker an als bei labiler Schichtung. Neben diesen beiden Situationen werden Fälle mit weiteren atmosphärischen Schichtungssituationen sowie Häufigkeitsverteilungen des Höhenexponenten α präsentiert.

3 Höhenexponent a, Ri < mean maximum minimum median %-quantile 25%-quantile 75%-quantile 90%-quantile number of a-values Anzahl Werte v40 (m/s) [Klassenobergrenzen] Abb. 2a: Abhängigkeit des Höhenexponenten α von der Windgeschwindigkeit bei instabiler atmosphärischer Schichtung im Zeitraum September 2003 bis Februar Höhenexponent a, Ri > mean maximum minimum median %-quantile 25%-quantile 75%-quantile 90%-quantile number of a-values Anzahl Werte v40 (m/s) [Klassenobergrenzen] Abb. 2b: Abhängigkeit des Höhenexponenten α von der Windgeschwindigkeit bei stabiler atmosphärischer Schichtung im Zeitraum September 2003 bis Februar

4 2. Turbulenzintensität und Drag Coefficient Die Rauhigkeit der Meeresoberfläche ist im Gegensatz zu Landoberflächen nicht konstant, sondern hängt stark von der Windgeschwindigkeit ab. Mit zunehmender Windgeschwindigkeit nimmt die Wellenhöhe und somit die Rauhigkeitslänge der Oberfläche zu und die Turbulenzintensität steigt an (Csanady, 2001). Aus den -Minuten- Mittelwertdaten des Schalenkreuzanemometers in 90 m Höhe dies entspricht etwa der Nabenhöhe der geplanten Offshore-Windkraftanlagen in der Nähe des Standortes von FINO1 wird die Abhängigkeit der Turbulenzintensität von der Windgeschwindigkeit auf Basis der Daten von September 2003 bis Februar 2007 Präsentiert (Abb. 3). Die Turbulenzintensität ist dabei definiert als σ u ti = u (3) mit ti als Turbulenzintensität, σ u als Standardabweichung der Windgeschwindigkeit in einem bestimmten Zeitintervall (in diesem Fall Minuten) und u der mittleren horizontalen Windgeschwindigkeit in diesem Minuten Intervall. Aufgetragen sind Mittelwert, Median, absolutes Minimum und Maximum, -, 25-, 75, und 90-Perzentilwerte sowie die Anzahl der Werte innerhalb der jeweiligen Windgeschwindigkeitsklasse (1 m/s Klassenbreite). Der Mittelwert der Turbulenzintensität in 90 m Höhe fällt mit zunehmender Windgeschwindigkeit zunächst auf ein Minimum von unter 5 % bei etwa 12 m/s Windgeschwindigkeit. Unterhalb dieser Windgeschwindigkeit, insbesondere bei instabiler Schichtung, wird die Turbulenzintensität von der thermisch induzierten Turbulenz dominiert. Ti Mittelwert Median Maximum Minimum %-Perzentil 25%-Perzentil 75%-Perzentil 90%-Perzentil Anzahl Werte je Klasse Anzahl Werte je Klasse v 90 (m/s) [Klassenobergrenzen] Abb.3: Turbulenzintensität in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit in 90m Höhe. September 2003 bis Februar Mit weiter zunehmender Windgeschwindigkeit steigt die Turbulenzintensität durch die zunehmende Wellenhöhe und Oberflächenrauhigkeit wieder an. In diesem Bereich beginnt die

5 mechanisch erzeugte Turbulenz zu dominieren, während die thermische Turbulenz kaum noch eine Rolle spielt. Abb. 4 zeigt die Abhängigkeit der Turbulenzintensität von der Windgeschwindigkeit für die Höhen 90, 70, 50 und 30 m. Die Turbulenzintensität ist in der untersten Messhöhe am höchsten und nimmt nach oben hin ab, da der Einfluss der Oberflächenrauhigkeit mit zunehmender Höhe geringer wird. Das Minimum der Turbulenzintensitäten tritt in den unteren Höhen bei niedrigeren Windgeschwindigkeiten auf und verschiebt sich mit zunehmender Höhe hin zu höheren Windgeschwindigkeiten Ti90 Ti70 Ti50 Ti30 0. Ti (%) wind speed (m/s) Abb. 4: Abhängigkeit der Turbulenzintensität (Mittelwert) von der Windgeschwindigkeit für verschiedene Höhen. September 2003 bis Februar Eine weitere Größe, die stark von der Windgeschwindigkeit abhängt, und zur Kennzeichnung der Bodenrauhigkeit verwendet werden kann, ist der Drag Coefficient (Garratt, 1977; Roedel, 2000): u CD = uz ( ) 2 * 2 (4) Mit CD als Drag Coefficient und u * als Schubspannungsgeschwindigkeit. Aus den Hz Daten der Ultraschallanemometer wird der Drag Coefficient für den Zeitraum Juni 2004 bis Dezember 2006 berechnet. In Abb. 5 ist der Drag Coefficient in Abhängigkeit der horizontalen Windgeschwindigkeit in 40 m Höhe im Zeitraum Juni 2004 bis Dezember 2006 dargestellt. Die Gliederung der Abbildung ist dabei analog zu Abb. 2 und 3. Der Drag Coefficient zeigt eine ähnliche Abhängigkeit von der horizontalen Windgeschwindigkeit wie die Turbulenzintensität. Bis zu einer Windgeschwindigkeit von etwa m/s nimmt der Mittelwert des Drag Coefficient ab und steigt dann mit weiter zunehmender Windgeschwindigkeit wieder an. Die Ursache liegt wie bei der Turbulenzintensität an der mit zunehmender Windgeschwindigkeit ansteigenden Oberflächenrauhigkeit. Aufgrund der nicht

6 symmetrischen Verteilung weichen Median und Mittelwert bei den niedrigen Windgeschwindigkeitsklassen bis 11 m/s deutlich voneinander ab. ³ CD mean maximum minimum median %-quantile 25%-quantile 75%-quantile 90%-quantile number of CD-values Anzahl Werte u40 (m/s) [Klassenobergrenzen] Abb. 5: Drag Coefficient in Abhängigkeit der horizontalen Windgeschwindigkeit in 40 m Höhe im Zeitraum Juni 2004 bis Dezember Neben der Auswertung für 40 m Höhe werden auch Auswertungen für 60 und 80 m Höhe präsentiert Extremwertextrapolation Auf Basis Schalenkreuzanemometer-Daten (-Minuten-Mittelwerte und 1-Sekunden Maximum innerhalb eines -Minuten-Intervalls) der Jahre 2004 und 2005 wird mittels einer modifizierten Gumbel-Methode über eine Bestimmung von Überschreitungswahrscheinlichkeiten eine Extremwertextrapolation für das -Minuten Mittel und die maximale 1-Sekunden Bö präsentiert. Zunächst wird eine Häufigkeitsverteilung der 1-Sekunden-Bö im Beobachtungszeitraum erstellt. Es wird die Summenhäufigkeit gebildet, d.h. die relativen Häufigkeiten der Klassen werden aufsummiert, so dass die aufsummierte Häufigkeit mit zunehmender Klassennummer gegen 1 tendiert. Für die aufsummierte Häufigkeit jeder Klasse wird der doppelte negative Logarithmus gebildet und auf der Ordinate gegen die Klassenuntergrenzen der 1-Sekunden Bö aufgetragen Es ergibt sich eine Gerade, wenn die Häufigkeitsverteilung der Gumbel schen Extremwertverteilung entspricht (Schroers und Lösslein 1983). Verlängert man diese Gerade, lassen sich die zu erwartenden Windgeschwindigkeiten für verschiedene Extremereignisse (z.b. 50-Jahres Wind) grafisch oder rechnerisch extrapolieren (Abb. 6). In Abb. 7 zeigt das Höhenprofil für den extrapolierten 50-jahres Wind des -Minuten Mittelwertes und der 1- Sekunden Bö. Sowohl der 50-Jahres Wert des -Minuten Mittels als auch der 1-Sekunden Bö zeigen einen Anstieg der Windgeschwindigkeit bis in eine Höhe von m.

7 y = x R 2 = ln(-ln(p)) v90_1s-bö (m/s) 1s-Bö 50-Jahres-Wert 1-Jahres-Wert 1-Monats-Wert Linear (1s-Bö) Abb. 6: Extremwertextrapolation der Windgeschwindigkeit (maximale 1-Sekunden Bö je - Minuten Intervall) in 90m Höhe height (m) wind speed (m/s) 1s-gust min avg Abb. 7: Vertikalprofil der extrapolierten 50-Jahres Ereignisse für den -Minuten Mittelwert (gestrichelte Linie) und die 1-Sekunden Bö (durchgezogene Linie). Danksagung Wir danken dem BMU für die Finanzierung dieser Arbeit im Rahmen des Projektes Ermittlung designrelevanter Belastungsparameter für WEA in der Deutschen Bucht auf Basis der FINO-Messdaten (OWID, Förderungsnr ). Das Projekt ist Teil eines

8 BMU-Verbundprojektes gleichen Namens, das vom DEWI (Deutsches Windenergie Institut) geleitet wird. Literatur: Csanady, G. T. (2001): Air-Sea Interaction. Cambridge University Press, Cambridge, New York, 240 S. Etling, D. (2002): Theroretische Meteorologie. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 376 S. Foken, T. (2003): Angewandte Meteorologie. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 289 S. Garratt J R (1977) Review of Drag Coefficients over Oceans and Continents, Monthly Weather Review 5: Roedel, W. (2000): Physik unserer Umwelt: Die Atmosphäre. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 498 S. Schroers, H. und Lösslein, H. (1983): Extremwertextrapolation und Windprofile bei Starkwind und Sturm. Meteorol. Rdsch. 36,

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