Wake-Verluste in Windparks

Was sind Wake-Verluste?

Jede Windenergieanlage (WEA) entzieht der Stroemung kinetische Energie und erzeugt hinter dem Rotor eine Nachlauffahne (Wake) mit reduzierter Windgeschwindigkeit und erhoehter Turbulenz. Nachgelagerte Anlagen im selben Windpark arbeiten daher in einem verschlechterten Windfeld: Sie produzieren weniger Strom und sind gleichzeitig hoeheren mechanischen Lasten ausgesetzt.

Die Summe dieser Effekte ueber alle Anlagen eines Parks ergibt die Wake-Verluste – die Differenz zwischen dem theoretischen Brutto-Ertrag (jede Anlage in freier Anstroemung) und dem tatsaechlichen Netto-Parkertrag. Im Ertragsgutachten nach FGW TR6 werden Wake-Verluste als prozentualer Abzug auf den Brutto-Ertrag ausgewiesen.

Physik der Nachlaufstroemung

Hinter dem Rotor bildet sich ein Gebiet mit drei charakteristischen Eigenschaften:

• Windgeschwindigkeitsdefizit: Direkt hinter der Rotorflaeche sinkt die Windgeschwindigkeit um 40–60 % gegenueber der freien Anstroemung. Das Defizit nimmt stromabwaerts durch turbulente Durchmischung mit der umgebenden Stroemung ab (Bastankhah & Porté-Agel, 2014).
• Turbulenzintensitaet: Die Scherschichten am Rand der Nachlauffahne erzeugen zusaetzliche Turbulenz (sogenannte Wake-Turbulenz). Diese ergibt sich aus der Ueberlagerung der Umgebungsturbulenz mit der nachlaufinduzierten Turbulenz – quantifiziert nach dem Frandsen-Modell (Frandsen, DTU Risoe, 2007).
• Erholungslaenge: Die Strecke, bis die Stroemung annaehernd wieder Freifeld-Niveau erreicht, betraegt typischerweise 10–20 Rotordurchmesser (D). In grossen Offshore-Windparks mit niedriger Umgebungsturbulenz kann die Erholung noch laenger dauern (NREL, 2022).

Typische Groessenordnung

Die Wake-Verluste haengen stark von Parkgroesse, Layout und Standortbedingungen ab:

• Onshore-Windparks (5–30 WEA): typischerweise 5–15 % des Brutto-Parkertrags. Bei gut optimierten Layouts mit ausreichend Abstand liegen die Verluste am unteren Ende (Barthelmie & Jensen, Wind Energy Science, 2022).
• Grosse Offshore-Windparks (50–200+ WEA): Wake-Verluste von 20–30 % sind dokumentiert. Messungen am Offshore-Park Horns Rev (80 Vestas V80) zeigten Leistungsverluste der letzten Reihe von ueber 40 % bei Windrichtungen entlang der Reihenachse (Barthelmie et al., DTU, 2009).
• Parkwirkungsgrad: Als Kenngroeße gibt der Parkwirkungsgrad das Verhaeltnis von Netto- zu Brutto-Ertrag an. Werte unter 80 % deuten auf ein suboptimales Layout hin.

Wake-Modelle im Ueberblick

Zur Berechnung der Wake-Verluste im Ertragsgutachten haben sich mehrere Modellkategorien etabliert:

Analytische Modelle

• Jensen/PARK-Modell (N.O. Jensen, DTU Risoe, 1983): Einfachstes und am weitesten verbreitetes Modell. Nimmt eine lineare Aufweitung der Nachlauffahne an (Tophat-Profil). Standardmodell in WAsP und WindPRO. Schnell, aber konservativ – ueberschaetzt Wake-Verluste tendenziell (Jensen, DTU Risoe-M-2411, 1983).
• Bastankhah & Porté-Agel (2014): Nimmt ein Gauss-foermiges Geschwindigkeitsprofil im Nachlauf an (statt Tophat). Physikalisch realistischer und heute in vielen modernen Tools (FLORIS/NREL) implementiert (Bastankhah & Porté-Agel, 2014).
• Frandsen-Modell: Fokussiert auf die Wake-induzierte Turbulenz. In der IEC 61400-1 (Ed. 4) als Referenzmodell fuer die Bestimmung der effektiven Turbulenzintensitaet im Windpark vorgeschrieben (Frandsen, 2007).

Dynamische Modelle

• Dynamic Wake Meandering (DWM): Bildet die natuerliche Maeandrierung (seitliches Schwanken) der Nachlauffahne durch atmosphaerische Turbulenz ab. Liefert statistisch realistischere Ergebnisse als statische Modelle, insbesondere bei grossen Abstaenden. Rechenintensiver, daher primaer in der Forschung und bei detaillierten Standortbewertungen eingesetzt (NREL, 2022).

CFD-basierte Modelle

Large-Eddy-Simulationen (LES) bilden die Nachlaufphysik mit hoechster Genauigkeit ab, sind aber fuer kommerzielle Ertragsgutachten aufgrund des Rechenaufwands noch nicht Standard. Sie dienen primaer der Modellvalidierung und Forschung.

Einflussfaktoren auf Wake-Verluste

Anlagenabstand (in Rotordurchmessern)

Der wichtigste Parameter. Je groesser der Abstand zwischen den Anlagen, desto mehr kann sich die Nachlauffahne erholen. Die folgende Tabelle zeigt typische Wake-Verluste einer einzelnen nachgelagerten Anlage in Abhaengigkeit vom Abstand:

Quelle: Zusammenstellung basierend auf Barthelmie et al. (DTU, 2009) und NREL (2022). Werte gelten fuer Hauptwindrichtung; bei seitlichem Versatz sinken die Verluste erheblich.

Windrose und Parkgeometrie

In Deutschland herrschen West- bis Suedwestwinde vor. Ein Windpark, dessen Reihen senkrecht zur Hauptwindrichtung stehen, hat deutlich geringere Wake-Verluste als ein Park mit Reihen in Windrichtung. Die Windrose bestimmt, wie haeufig einzelne Anlagen im Nachlauf anderer stehen.

Turbulenzintensitaet

Hoehere Umgebungsturbulenz (z. B. an Waldstandorten oder in Kuestenniederungen) fuehrt zu einer schnelleren Durchmischung und damit kuerzeren Erholungslaenge. Paradoxerweise haben turbulente Standorte oft geringere Wake-Verluste – aber hoehere Strukturlasten.

Parkgroesse

In grossen Parks akkumulieren sich die Nachlaufeffekte ueber mehrere Reihen (Deep-Array-Effekt). Die hinteren Reihen arbeiten in einem Windfeld, das bereits durch mehrere vorgelagerte Anlagen geschwaeicht wurde. Offshore-Parks mit 100+ Anlagen sind besonders betroffen (Barthelmie et al., DTU, 2009).

Strategien zur Minderung von Wake-Verlusten

• Layoutoptimierung: Bereits in der Planungsphase koennen Wake-Modelle genutzt werden, um die Anlagenpositionen iterativ zu optimieren. Moderne Tools (z. B. FLORIS/NREL) erlauben automatisierte Layout-Optimierung unter Beruecksichtigung der standortspezifischen Windrose.
• Wake Steering (Yaw-Misalignment): Die Gondel der vorgelagerten Anlage wird gezielt um einige Grad aus dem Wind gedreht, um die Nachlauffahne seitlich abzulenken. Feldversuche an mehreren Windparks zeigten Ertragsgewinne von 1–4 % auf Parkebene (Fleming et al., NREL, 2019).
• Curtailment / Derating: Gezielte Leistungsreduzierung vorgelagerter Anlagen, um nachgelagerten Anlagen mehr Wind zu ueberlassen. Sinnvoll, wenn die Gesamtparkproduktion dadurch steigt.
• Groessere Abstaende: Einfachste, aber flaechenintensivste Massnahme. In der Praxis begrenzt durch Flaeche, Grundstuecksstruktur und Genehmigungsauflagen.
• Heterogene Rotordurchmesser: Der Einsatz unterschiedlich grosser Anlagen an verschiedenen Positionen im Park kann Wake-Interaktionen reduzieren – ein Ansatz, der beim Repowering zunehmend erprobt wird.

Wake-Verluste im Ertragsgutachten

Im bankfaehigen Ertragsgutachten nach FGW TR6 sind Wake-Verluste ein separater Posten in der Verlustbilanz. Der Gutachter berechnet sie typischerweise mit dem Jensen/PARK-Modell (Industriestandard) oder einem Gauss-basierten Ansatz. Die Unsicherheit des Wake-Modells fliesst in die Gesamtunsicherheit ein und beeinflusst damit den Abstand zwischen P50- und P90-Wert.

Fuer eine erste Abschaetzung des Ertragsgewinns durch modernere, groessere Anlagen beim Repowering nutzen Sie unseren Repowering-Ertragsrechner.

Haeufige Fragen (FAQ)

Wie hoch sind typische Wake-Verluste in einem Windpark?

Onshore liegen die Verluste bei 5–15 % des Brutto-Parkertrags. Bei grossen Offshore-Windparks wurden Werte von 20–30 % gemessen. Der konkrete Wert haengt stark von Layout, Windrose und Anlagenabstand ab (Barthelmie & Jensen, Wind Energy Science, 2022).

Was ist der Unterschied zwischen dem Jensen-Modell und DWM?

Das Jensen-Modell ist ein einfaches analytisches Modell mit linearer Nachlaufaufweitung – schnell zu rechnen, aber tendenziell konservativ. Das Dynamic Wake Meandering (DWM)-Modell bildet die natuerliche seitliche Schwankung der Nachlauffahne ab und liefert realistischere Ertragsschaetzungen, ist aber rechenintensiver (NREL, 2022).

Kann man Wake-Verluste durch Wake Steering reduzieren?

Ja. Beim Wake Steering wird die Gondel der vorgelagerten Anlage gezielt aus dem Wind gedreht (Yaw-Misalignment), um die Nachlauffahne an nachgelagerten Turbinen vorbeizulenken. Feldversuche zeigen Ertragsgewinne von 1–4 % auf Parkebene (Fleming et al., NREL, 2019).

Welchen Einfluss hat der Anlagenabstand auf Wake-Verluste?

Der Abstand ist der wichtigste Einflussfaktor. Bei 4 Rotordurchmessern (4D) betragen die Verluste der nachgelagerten Anlage typischerweise 20–35 %. Bei 8D sinken sie auf 5–10 %. Als Planungsregel gilt ein Mindestabstand von 5D in Hauptwindrichtung und 3D quer dazu.

Wake-Verluste im Windpark – Physik, Modelle und Minderungsstrategien