Messkampagnen im Reallabor 70GW Offshore Wind
Im Reallabor 70GW Offshore Wind wird erstmals in einem Offshore-Windpark-Cluster des Industriepartners RWE ein beispielloser Datensatz erhoben, der die Bedingungen von der Atmosphäre bis zur Schichtung der Wassersäule, von der Windphysik bis zur Ökologie gleichzeitig erfasst. Dazu werden Forschungsflugzeuge, Forschungsschiffe, Messboote, Drifter und stationäre Messeinrichtungen am Meeresboden sowie auch Lidar-Systeme und Sensoren an den Anlagen selbst über mehrere Jahre in koordinierten Messkampagnen eingesetzt. Diese weltweit einzigartige Multi-Plattform-Strategie, koordiniert über sieben Forschungsinstitute und in enger Zusammenarbeit mit dem Industriepartner RWE Offshore Wind, liefert die wissenschaftliche Grundlage für den geplanten weiteren Ausbau der Offshore-Windenergie in der Deutschen Bucht.
Laufende Messkampagnen
Messkampagnen in Offshore Windparks mit dem Forschungsschiff Heincke
Im Rahmen der Reallabor Messkampagnen fährt das 55 Meter lange Forschungsschiff FS Heincke über mehrere Jahre für jeweils zwei Wochen in das zu untersuchende Windpark-Cluster und seine Umgebung – immer zu verschiedenen Jahreszeiten, um saisonale Unterschiede zu erfassen. An Bord arbeiten Wissenschaftler:innen des Institut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM, Universität Oldenburg) und des Ludwig-Franzius-Instituts (LuFI, ForWind – Universität Hannover) gemeinsam.
Mit der Heincke fahren die Wissenschaftler:innen systematisch Messtransekte innerhalb und außerhalb des Windparks ab – im Nahfeld direkt zwischen den Anlagen und im Fernfeld in der weiteren Umgebung. Dabei messen sie kontinuierlich die relevanten Parameter im Wasser: Strömungsgeschwindigkeiten und Strömungsrichtungen in der gesamten Wassersäule (per ADCP), Wassertemperatur, Salzgehalt und Dichteschichtung (per geschleppter CTD-Sonde), Trübung und Schwebstoffkonzentration sowie Lichtverhältnisse unter Wasser (per BOP-Lichtfeldprofiler). Eine fest installierte Ferrybox erfasst zusätzlich laufend Oberflächenwasser-Parameter.
Messungen im Nah- und Fernfeld
Für Messungen, die ein großes Schiff nicht leisten kann, kommen zwei spezialisierte Schlauchboote (Rigid-Hulled Inflatable Boat), die für den Offshore-Einsatz mit Sensoren zur Vermessung der Wassersäule ausgerüstet wurde. Die Schlauchboote werden auf der Heincke mitgeführt und bei geeignetem Wetter zu Wasser gelassen. Sie können deutlich näher an die Windenergieanlagen heranfahren und messen dort, wo die Heincke nicht hinkommt: direkt im Strömungsschatten einzelner Anlagen-Fundamente.
Spezielle Messtechniken wir Side-Scan Sonar und Sub-Bottom Profiler ermöglichen Scans den Meeresboden, um Veränderungen der Bodenstruktur und Kolkbildung rund um die Fundamente sichtbar zu machen. Gleichzeitig bringen sie Sensoren am Meeresboden aus und nehmen hochaufgelöste Strömungs- und Sedimentprofile auf. An zwei Standorden im Windpark-Cluster werden damit über ca. zwei Jahre permanent Strömung, Wellen, Schallentwicklung, Temperatur und Salzgehalt aufgezeichnet, um so die zeitlichen Lücken zwischen den Schiffskampagnen zu schließen.
Seit 2026 werden mit speziellen Sensoren am Meeresboden auch langfristige Messungen zum Unterwasserschall in Windparks durchgeführt.
Messungen aus der Luft
Die TU Braunschweig (Institut für Flugführung) setzt ihr Forschungsflugzeug ein – eine speziell umgerüstete Cessna F406 – um die atmosphärischen Bedingungen in der Umgebung des Windpark-Cluster zu bestimmen. Am Nasenmast des Flugzeugs misst eine 5-Loch-Sonde den dreidimensionalen Windvektor, also die Windgeschwindigkeit in allen drei Raumrichtungen. Gleichzeitig erfassen speziell entwickelte Sensoren Temperatur, Luftfeuchte, Luftdruck und Strahlung. Eine hochauflösende Kamera dokumentiert die Flüge visuell. Hochwertige Inertialsensorik und Satellitennavigation bestimmen die exakte Position und Fluglage, sodass die meteorologischen Messungen präzise einem Ort zugeordnet werden können. Flugzeug-Messungen können dadurch immer in den Bereichen, in denen auch die Messungen der Forschungsschiffe und stationären Messtechnik stattfinden, durchgeführt werden. Ergänzend können mit Hilfe eines Doppler-Lidar komplexe Windfelder vermessen und dargestellt werden.
Das Flugzeug fliegt in verschiedenen Höhen über das Windpark-Cluster und seine Umgebung. So entsteht ein räumliches Bild der atmosphärischen Bedingungen über einem Gebiet von mehreren hundert Quadratkilometern – eine Flächenabdeckung, die vom Schiff oder mit stationären Sensoren nicht erreichbar ist.
Damit lassen sich erstmals potentielle Wechselwirkungen von der Atmosphäre bis zum Meeresboden direkt beobachten: Vom Windfeld im Windpark (gemessen vom Flugzeug und den Lidar-Systemen), über Wellen und Strömungen (gemessen von Schiff, Boot und Verankerungen) bis hin zu Sediment und Meeresbodenstruktur (gemessen von der „Seekatze“). Diese durchgängige vertikale Messkette ist eines der wissenschaftlichen Kernstücke des Reallabors.
Stationäre Messtechnik
Lidar-Systeme: Das Windfeld im Blick
An mehreren Positionen im Trident Windpark-Cluster (bestehend aus den Windparks Amrumbank, Kaskasi und Nordsee Ost) nördlich von Helgoland hat ForWind (Universität Oldenburg) gemeinsam mit dem Windpark-Betreiber RWE zahlreiche Lidar-Geräte auf Windenergieanlagen und Plattformen installiert. Lidar funktioniert ähnlich wie Radar, nur mit Laserlicht: Die Geräte senden Laserpulse aus und messen anhand der Reflexion an Partikeln in der Luft, wie schnell und wohin der Wind weht – berührungslos, über Entfernungen von einigen hundert Metern bis hin zu vielen Kilometern.
Im Einsatz für das Reallabor sind weitreichende Scanning-Lidars, die das Windfeld in großen Sektoren abtasten. Sie machen sichtbar, wie der Wind in den Park hineinströmt, wie er von den Anlagen abgebremst wird und wie sich Nachlaufschleppen (Wakes) einzelner Anlagen und ganzer Windparks über längere Distanzen erstrecken. Mit Hilfe von kurzreichweitigen Lidar-Systemen, die hinter dem Rotor auf den Gondeln montiert sind und stromaufwärts in den Wind schauen, wird der ankommenden Wind direkt vor dem Rotor vermessen. Die Anlage „sieht“ so den Wind, der tatsächlich auf den Rotor trifft – im Gegensatz zu herkömmlichen Windmessungen, die nur den Wind hinter dem Rotor erfassen. Ein Lidar-Gerät neuester Generation ergänzt das Ensemble und misst Profile der Windverhältnisse in verschiedenen Höhen.
Sensoren an den Anlagen: Den Puls der Turbine fühlen
Eine der Windenergieanlagen im untersuchten Windpark wurde als Referenzanlage mit zusätzlicher Messtechnik ausgestattet. An mehreren Positionen entlang des Turms und des Rotorblatts messen Beschleunigungssensoren, wie stark die Struktur als Reaktion auf Wind und Wellenlasten schwingt. Dehnungsmessstreifen erfassen gleichzeitig, wie das Material unter den wechselnden Lasten gedehnt und gestaucht wird. Daraus lassen sich die tatsächlichen mechanischen Belastungen und die Ermüdung des Materials über die Zeit berechnen.
Diese Messdaten bilden die Grundlage für die Entwicklung von Methoden, mit denen die Forschenden des Instituts für Statik und Dynamik (ISD) an der Leibniz Universität Hannover die Spannungsverteilung in der Tragstruktur anhand von Beschleunigungsmessungen an wenigen Messpositionen abschätzen können. Das ist besonders wichtig für die langfristige Strukturüberwachung, weil die Instrumentierung nicht an allen Stellen möglich ist und die Wartung von Sensoren herausfordernd sind.
Über Transfer Learning sollen die Erkenntnisse von der gut instrumentierten Anlage künftig auf die übrigen Turbinen im Park übertragen werden – und dabei die Anforderungen an die Instrumentierung der anderen Anlagen verringen. Langfristig unterstützen diese Methoden die kontinuierliche Bewertung der Ermüdungslebensdauer unter veränderlichen strukturellen Bedingungen.
Mit diesen Messungen und Auswertungen leistet das Reallabor einen Beitrag zu einem besseren Verständnis, wie lange Windenergieanlagen sicher betrieben und wie Betrieb und Wartung verbessert werden können. Zur Beantwortung dieser Fragen kann eine kontinuierliche Lebensdauerabschätzung auf Grundlage der tatsächlich gemessen Belastung helfen.
Messdaten als Grundlage der Forschung im Reallabor
Die Lidar-Geräte messen, welcher Wind auf die Anlage trifft. Die Sensoren an der Anlage messen, was dieser Wind an der Struktur auslöst. Zusammen mit den Betriebsdaten der Anlagen lässt sich ein lückenloses Bild vom Wind über die Anlagenreaktion bis zur Materialermüdung ableiten.
Nimmt man die Schiffs- und Flugkampagnen hinzu, schließt sich der Kreis: Das Flugzeug misst die Atmosphäre, die Lidars das Windfeld im Park, die Anlagensensoren die Strukturbelastung, Schiff und Boote die Prozesse im Wasser. Von der freien Atmosphäre über den Rotor bis zum Meeresboden – eine durchgängige Messkette, die es so bisher nirgendwo gibt.
Diese Datenbasis ermöglicht es, Fragestellungen anzugehen, die zentral für die Arbeit in den unterschiedlichen Innovationsbereichen im Reallabor sind: Wie breiten sich Nachlaufeffekte zwischen ganzen Windpark-Clustern aus, und was bedeutet das für zukünftige Layouts? Wie stark werden Anlagen im Betrieb tatsächlich belastet – und lässt sich daraus ableiten, ob sie über ihre Designlebensdauer hinaus sicher weiterbetrieben werden können? Wie verändern Windparks die Strömungen, den Sedimenttransport und die Schallbelastung unter Wasser, wenn der Ausbau auf 70 GW voranschreitet? Wie lassen sich minutengenaue Leistungsprognosen für die Netzstabilität nutzen? Und wie lässt sich eine Doppelnutzung von Flächen Offshore auf eine wertschöpfende Weise realisieren – etwa Offshore-Wind kombiniert mit Aquakultur oder Wasserstoffproduktion?
All diese Fragestellungen lassen sich nur durch eine Kombination aus Modellierungen, Simulationen und datengetriebenen Methoden beantworten, deren Ergebnisse erst anhand von umfangreichen Messdaten validiert werden können.
