Forschung
Das Reallabor 70 GW Offshore Wind – Bedarfsorientierte Forschung für die Energiewende
Das Reallabor spannt, im Verbund des TEN.efzn, ein einzigartiges Forschungs- und Innovationsökosystem auf, in dem ein bedarfsorientiertes Themenfeld mit großem wissenschaftlichen Potenzial erstmals eine gesamtheitliche Betrachtung des bis 2045 vorgesehenen Ausbaus der Windenergie in der deutschen Nordsee adressiert.
Bedarfsorientierte Forschung zeichnet sich aus durch:
- Praxisnähe: Unsere Forschungsfragen zum Ausbau der Offshore-Windenergie sind direkt aus den realen Bedürfnissen und Herausforderungen von Wirtschaft, Gesellschaft, Politik und Umwelt abgeleitet.
- Anwendungsorientierung: Unsere Ergebnisse werden praktisch nutzbar sein, z. B. in Form von Tools, Technologien, Verfahren oder Handlungsempfehlungen.
- Interdisziplinarität: Im Rahmen des TEN.efzn und durch die Einbindung unterschiedlicher Forschungsdisziplinen widmen wir uns den komplexen Herausforderungen mit einer großen Bandbreite an Herangehensweisen.
- Stakeholder-Beteiligung: Die Zielgruppen unserer Forschung, z. B. Unternehmen, Bürger, Verbände Kommunen, werden in die Ausgestaltung der Forschungsfragen und die Entwicklung der Lösungen eingebunden.
- Problemorientierung: Es geht um die Identifikation, Analyse und Lösung spezifischer Herausforderungen beim Ausbau der Offshore-Windenergie, wie in den einzelnen Innovationsbereichen definiert.
Ansätze der fünf Innovationsbereiche im Reallabor
Innovationsbereich I analysiert gesellschaftliche Konflikte, Chancen und Erfolgsfaktoren des Offshore-Ausbaus, entwickelt Beteiligungsprozesse und bewertet die Ausbauziele unter verschiedenen Szenarien.
Innovationsbereich II nutzt Modelle, um nachhaltige Ausbaustrategien und maritime Raumordnung in der Deutschen Bucht zu planen, unter Berücksichtigung von wirtschaftlichen Aspekten, Ausschreibungen und Co-Nutzung.
Innovationsbereiche III und IV führen Messkampagnen und Simulationen durch, um die Alterung von Anlagen zu analysieren, Lebensdauern zu verbessern und neue Turbinen effizienter zu steuern. Dies dient auch der Stabilisierung der Netzeinspeisung.
Innovationsbereich V untersucht mithilfe von Forschungsschiffen die Auswirkungen der Offshore-Windenergie auf die marine Umwelt und entwickelt Strategien, um negative Effekte zu minimieren und positive Effekte zu fördern.
Innovationsbereiche und Teilprojekte
Innovationsbereich I – Gesellschaftswissenschaftliche und ökonomische Fragen des Ausbaus der Offshore-Windenergie
Motivation
Gegenstand von Innovationsbereich I sind die Analyse von Konfliktpotenzialen, Chancen und Gelingensbedingungen des Offshore- Ausbaus, die Gestaltung der notwendigen Beteiligungsprozesse sowie die Bewertung der Ausbauziele unter verschiedenen techno-ökonomischen Szenarien. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen ein gesellschaftlich und ökonomisch tragfähiges, sozial gerechtes und ökologisch verträgliches Meeres- und Küstenmanagement ermöglichen.
- Expert*inneninterviews und Befragungen der verschiedenen Stakeholder
- Konzipierung und Organisation von Dialogformaten, regionale Transferveranstaltungen
- Einbindung und Beteiligung der verschiedenen Stakeholder in die Analyse sowie die Entwicklung von Umsetzungsstrategien
Ausgangslage
Die mit hohem Zeitdruck angestrebten Ausbauziele der Offshore- Windenergie werfen ökonomische und gesellschaftliche Fragen auf, ohne deren Klärung der Erfolg dieses elementaren Transformationsprojekts der Energiewende in Frage steht.
Innovationsbereich II – Nachhaltige maritime Raumplanung und -nutzung der Deutschen Bucht
Motivation
Gemeinsam mit verschiedenen Stakeholdern aus Forschung, Industrie, Planungsbehörden, Umweltschutzverbände/-behörden und Nutzern des maritimen Raums werden verschiedene Co-Nutzungs-Szenarien entwickelt. Die Ergebnisse werden in internationalen Foren vorgestellt und verglichen, um Befunde zum großskaligen Ausbau auf die gesamte Nordsee übertragen zu können.
- Enge Verzahnung mit IB I, um gesellschaftliche und ökonomische Aspekte in die Bewertung einfließen zu lassen.
- Empfehlungen, wie sich der Ausbau besonders jenseits von 50 GW nachhaltig realisieren lässt.
Ausgangslage
Die anvisierte installierte Windleistung in der Deutschen Bucht führt auf Grund der begrenzten Fläche zu den am dichtesten mit Offshore-Windparks bebauten Meeresflächen weltweit. Es sollen daher Modelle zur nachhaltigen Raum- und Flächenplanung im Hinblick auf Co-Nutzung weiterentwickelt und validiert werden.
Innovationsbereich III – Life-Cycle-Management von Offshore-Windenergieanlagen und Windparks
Motivation
Um bei der Verwirklichung der Offshore-Ausbauziele Handlungsspielräume durch optimierte Betriebsszenarien und Wartungsstrategien zu schaffen, sind Informationen über den Lebenszustand einzelner Windenergieanlagen und Offshore- Windparks unerlässlich. Im Innovationsbereich III werden durch die umfassende Analyse von Struktur- und SCADA-Daten mit innovativen Methoden des Population-based Structural Health Monitoring die notwendigen Grundlagen für zentrale Fragestellungen geschaffen.
- Wartung und Repowering als Grundlage einer techno-ökonomischen Bewertung des erforderlichen Zubaus
- Verlängerung der Restlebensdauer durch optimierte Inspektion und Wartung von Tragstrukturen und Rotorblättern
Ausgangslage
Die kontinuierliche Verfügbarkeit von mindestens 70 GW installierter Nennleistung, auch in Phasen der Stilllegung und des Repowerings älterer Windparks, sind entscheidend mit Fragen des Betriebs und eines koordinierten Planungsprozesses verbunden.
Innovationsbereich IV – Systemdienliche Integration und Aerodynamik von Offshore Windenergieanlagen und -parks
Motivation
Die Schwerpunkte liegen auf zwei Offshore Messkampagnen in Windpark-Clustern. Auf dieser Datenbasis sollen Strömungsdynamiken auf unterschiedlichen Skalen rekonstruiert und eine Vorhersage ermöglicht werden. Höhere Windenergieanlagen werden in starke, laminare Winde hineinreichen. Der Interaktion dieser Strömungsbedingungen mit Anlagen und deren Nachläufe wird in anhand von Windkanaluntersuchungen genauer betrachtet.
- Qualitätsgesicherte in-situ Messkampagne in zwei Windparkclustern. Vernetzung mit IB III, IV und V mit Simulationen
- Betriebsoptimierung: Leistung – Netzintegration – Lasten (Betriebsdauer/ kosten)
Ausgangslage
Neben der Quantität wird zunehmend die Qualität der eingespeisten Windenergie wichtiger. Gleichzeit ergeben sich durch das rasante Größenwachstum der Windenergieanlagen und die Verdichtung der Windparkcluster stark veränderte Anströmbedingungen, die neuartige Betriebs- und Regelungsstrategien erfordern.
Innovationsbereich V – Marine Belastungsgrenzen
Motivation
Das übergreifende Ziel des Innovationsbereichs V ist es, umweltphysikalische Felddaten zu erheben, die als belastbare Grundlage für die Bewertung von Auswirkungen der Offshore-Windenergie auf die marine Umwelt dienen können, um daraus in Synergie mit anderen Forschungsvorhaben umfassende Strategien zu entwickeln, die unerwünschte Auswirkungen der Offshore-Windenergie auf die marine Umwelt erfassen und reduzieren.
- Abschätzung der Wirksamkeit gezielter Verminderungskonzepte („nature inclusive design“, Analyse von „Multi-Use“ Potenzialen)
- Maßgeschneiderte „What-If“-Szenarien für Stakeholder und Entscheidungsträger
Ausgangslage
Der erhebliche Ausbau der Offshore-Windenergie-Kapazität wird aufgrund potenzieller Auswirkungen auf die Umwelt zunehmend kritisch in der gesellschaftlichen Wahrnehmung hinterfragt. Das Fehlen einer qualitätsgesicherten Datengrundlage und das fehlende Verständnis für standortspezifische Faktoren erschweren allerdings die Beurteilung von Umweltauswirkungen.
Forschungspartner
Unsere Partner im Reallabor Offshore
SFB Offshore-Megastrukturen
Für den Betrieb zukünftiger Windparks sind für jede einzelne Anlage während der gesamten Lebensdauer präzise Informationen über den Zustand und das dynamische Verhalten der Tragstruktur und der Rotorblätter sowie Kenntnisse über die Auswirkungen sich ändernder Umgebungs- und Betriebsbedingungen erforderlich. Klassische Simulationsmodelle sind in der Regel identisch für alle Anlagen in einem Windpark und fokussieren vor allem auf die Tragfähigkeit. Aspekte wie Fertigung, Installation sowie Betrieb und Rückbau werden hingegen nachrangig berücksichtigt.
Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs entwickeln die Forschenden daher mit dem digitalen Zwilling eine Methode, die alle diese Details integriert. Der digitale Zwilling ist ein gekoppeltes Gesamtmodell einer konkreten Windenergieanlage, das mit Hilfe von Messdaten an den aktuellen Zustand der realen Struktur (des realen Zwillings) angepasst wird. So ergeben sich Simulationsmodelle, die einzelne, reale Anlagen über die gesamte Lebensdauer beschreiben und immer an den aktuellen Zustand angepasst werden können.
Es haben sich für den SFB 1463 „Integrierte Entwurfs- und Betriebsmethodik für Offshore-Megastrukturen“ mehrere Forschungseinrichtungen unter der Leitung der Leibniz Universität Hannover (LUH) zusammengeschlossen: Neben der LUH sind die Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt, die Technische Universität Dresden sowie die Technische Universität Darmstadt und die Universität der Bundeswehr München beteiligt. An der Leibniz Universität sind insgesamt zehn Institute der Fakultäten für Bauingenieurwesen und Geodäsie, für Maschinenbau, für Mathematik und Physik und für Elektrotechnik und Informatik involviert. Ein Großteil der beteiligten Institute der Leibniz Universität Hannover und der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg sind bereits im Forschungsverbund ForWind vernetzt.
Deutsche Allianz Meeresforschung
Klima, Meere und Ozeane sind lebenswichtig: Sie spielen eine zentrale Rolle für globale Klimaprozesse, zählen zu den bedeutendsten Ökosystemen der Erde und sind Lebensgrundlage einer wachsenden Weltbevölkerung. Um sie auch künftig als Grundlage unseres Lebens erhalten zu können, benötigen wir Wissen für ihren Schutz und die nachhaltige Nutzung durch den Menschen.
2019 hat die deutsche Meeresforschung gemeinsam mit dem Bund und den norddeutschen Bundesländern Bremen, Hamburg, Mecklenburg-Vorpommern, Niedersachsen und Schleswig-Holstein die Deutsche Allianz Meeresforschung (DAM) gegründet – eine der größten marinen Forschungsallianzen weltweit. Ziel der DAM ist, den nachhaltigen Umgang mit den Küsten, Meeren und Ozeanen zu stärken. Mit ihren Aktivitäten in den Kernbereichen Forschung, Datenmanagement und Digitalisierung, Koordinierung der Infrastrukturen und Transfer erarbeitet die DAM gemeinsam mit ihren Mitgliedseinrichtungen und im Austausch mit Politik, Wirtschaft und Zivilgesellschaft lösungsorientiertes Wissen und Handlungsoptionen als Grundlage für nachhaltige Entscheidungen.