Der beschleunigte Ausbau der Offshore Windenergie ist ein essenzieller Beitrag zur Steigerung des Anteils der erneuerbaren Energie an der Stromversorgung und der weiteren Dekarbonisierung der Sektoren der deutschen Energiewirtschaft. Die installierte Leistung Offshore soll von aktuell 7,8 GW auf 40 GW bis 2035 und 70 GW bis 2045 steigen. Eben so wichtig wie die aufgebaute Nennleistung und die bereitgestellte Energiemenge wird zukünftig werden, wie gut die fluktuierende Einspeisung planbar ist und zum momentanen Bedarf im Stromnetz passt.

Die bisherigen Planungen zum Offshore Ausbau und Prognosen der in den nächsten Jahrzehnten erwartenden Energielieferung basieren auf stark vereinfachten Annahmen. Einerseits entwickelt sich die Technologie rasant weiter. Anderseits ist das Verständnis der nutzbaren Windressource begrenzt, da die dynamischen Prozesse in der marinen atmosphärischen Grenzschicht und die räumlich konzentrierten, zukünftigen Offshore Windparkcluster interagieren. Wissenschaftlich stellen sich die Fragen, wie diese Prozesse genauer modelliert werden können und wie das gewonnene Verständnis für die Planung neuer Windparks und die Gestaltung der Energiewende strategisch genutzt werden kann.

Das Promotionsvorhaben soll erforschen, wie Windparkcluster mit unkonventionellen Turbinenkonzepten in der deutschen Nordsee die Einspeisung von größeren Jahresenergiemengen mit geringeren Fluktuationen ermöglichen könnten.

Dies soll in vier Schritten erfolgen. Zunächst wird durch großskalige (mesoskalige) Strömungssimulationen von Windparks in der gesamten deutschen Nordsee untersucht, wie die Energieerträge durch unterschiedliche Leistungscharakteristiken, Rotorgrößen und Rotorhöhen der Windenergieanlagen beeinflusst werden können. Dabei wird der Einfluss von zukünftigen Windenergieanlagen entsprechend der aktuell erwarteten Marktentwicklung verglichen mit neuartigen in der Forschung vorgeschlagenen Konzepten, die bei gleicher Nennleistung fast doppelt so große überstrichene Rotorflächen einsetzen würden.

Im zweiten Schritt soll auf Ebene eines fiktiven Offshore Windparks untersucht werden, wie die Abschattungsverluste durch die neuartigen Turbinenkonzepten reduziert werden können. Hierzu werden hochauflösende Grobstrukutrsimulationen eingesetzt, welche die Turbinenumströmung und -nachläufe sowie deren Interaktion mit der atmosphärischen Grenzschicht genau auflösen können.

Hieraus wird eine verfeinerte Modellierung für weitere mesoskalige Simulationen abgeleitet, indem systematisch meteorologische Situationen mit besonders niedriger atmosphärischer Grenzschicht untersucht werden, bei denen die Blattspitzen der neuartigen Windturbinen über die Grenzschichthöhe hinausreichen.

Parallel wird in zwei Schritten die Integration der Anlagenkonzepte ins deutschen bzw. europäischen Energiesystem untersucht. Die relativ gesehen höhere Einspeisung bei niedrigen und mittleren Windgeschwindigkeiten sowie die geringeren zeitlichen Fluktuationen könnten den Bedarf an Reserveleistung durch andere regenerative Energiequellen oder Energiespeicher reduzieren und das Netz stabilisieren.