Meteorologische Rahmenbedingungen im Offshore-Bereich III

In diesem Artikel sollen die Höhenabhängigkeit der Windgeschwindigkeit im Offshore-Bereich sowie in diesem Zusammenhang auch der im vorigen Beitrag „Meteorologische Rahmenbedingungen im Offshore-Bereich II“ angesprochene Potenzansatz nach Hellmann vorgestellt werden.

Einer der bedeutendsten Aspekte für die Windenergienutzung auf See ist die Zunahme der Windgeschwindigkeit mit der Höhe über dem Meeresspiegel. Durch die Reibung der bewegten Luftmassen an der Meeresoberfläche („Bodenreibung“) wird die Windgeschwindigkeit von einem ungestörten Wert in größerer troposphärischer Höhe auf nahezu Null unmittelbar an der Erdoberfläche abgebremst. Der Bereich bis zur unbeeinflussten, sogenannten geostrophischen Windgeschwindigkeit beträgt je nach Wetterlage bis zu 2.000 m über Normalhöhennull (NHN, früher Normalnull, NN) und wird als planetare oder atmosphärische Grenzschicht (Peplosphäre) bezeichnet.

Die funktionale Zunahme der Windgeschwindigkeit mit der Höhe hängt insbesondere im Offshore-Bereich von einer Reihe meteorologischer Faktoren wie zum Beispiel der Temperaturschichtung oder der Feuchtigkeit ab. Der längerfristig statistisch zu erwartende Mittelwert in einer gewissen Höhe ü. NHN wird dagegen weitgehend von den bereits angesprochenen Aspekten in Form der Rauigkeit und der Windscherung über der Meeresoberfläche bestimmt.

Eine quantitative Beschreibung dieses Erwartungswertes wird in der Meteorologie im Allgemeinen mit Hilfe von Potenzgesetzen vorgenommen, wobei im Folgenden der Potenzansatz nach Hellmann zur Beschreibung der Zunahme der Windgeschwindigkeit mit der Höhe vorgestellt sei. Bezeichne vH die mittlere Windgeschwindigkeit, v* die Bezugsgeschwindigkeit in einer gegebenen Referenzhöhe H* und α den standortspezifischen Höhenwindexponenten, so kann das statistische Höhenprofil der Windgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Höhe H und dem grundlegenden Hellmann-Exponenten gemäß der Formel

vH = v* ∙ (H / H*)α

ermittelt werden.

Die Schwierigkeit bei dieser Methodik liegt allerdings in der richtigen Einschätzung des Höhenexponenten, wobei gemäß Angaben in der einschlägigen Literatur (s. u.) für die einzelnen Geländeformen mit zunehmender Bodenreibung annähernde Hellmann-Exponenten von α ≈ 0,1 (vgl. Artikel „Meteorologische Rahmenbedingungen im Offshore-Bereich II“) für den Offshore-Bereich (offene See), ca. 0,16 für flaches, offenes Gelände, etwa 0,28 für Waldgelände und rund 0,4 für städtische Siedlungsgebiete angenommen werden können.

Weiterführende Informationen zum Thema finden sich unter anderem im Buch „Windkraftanlagen: Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit“ von Erich Hau (Springer-Verlag, Berlin, 4. Auflage, 2008).