Windenergie Meteorologie: Atmosphärenphysik Für Die Windenergieerzeugung

ISBN-13: 9783031224454 / Niemiecki / Twarda / 2023 / 270 str.

Stefan Emeis

Opis

Dieses Buch bietet eine Einführung in die meteorologischen Randbedingungen für die Stromerzeugung aus Wind - sowohl an Land als auch auf See - und liefert meteorologische Informationen für die Planung und den Betrieb dieser wichtigen erneuerbaren Energiequelle. Es umfasst die Herleitung von Windgesetzen und Beschreibungen von Windprofilen, insbesondere oberhalb der logarithmischen bodennahen Schicht, und behandelt Winde über komplexem Gelände und nächtliche Low-Level-Jets. Diese aktualisierte und erweiterte zweite Auflage enthält neue Kapitel, die sich mit der Effizienz großer Windparks und deren Nachläufen sowie mit der Offshore-Windenergie befassen.

Spis treści

1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1 Umfang des Buches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Überblick über die vorhandene Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Geschichte der Windenergieerzeugung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4 Potenzial der Windenergieerzeugung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.5 Aktueller Stand der Windenergieerzeugung . . . . . . . . . . . . . . 5

1.6 Aufbau dieses Buches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2 Windregime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1 Globale Zirkulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2 Antreibende Kräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2.1 Hydrostatische Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2.2 Impulsbilanzgleichungen für den Wind . . . . . . . . 12

2.3 Geostrophische Winde und Gradientenwinde. . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.4 Thermische Winde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.5 Winde in der Grenzschicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.6 Gewitterböen und Tornados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.7 Luftdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.8 Thermische Schichtung der Luft

2.8.1 Das geostrophische Widerstandsgesetz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3 Vertikale Profile über ebenem Gelände. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.1 Prandtl-Schicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... 25

3.1.1 Logarithmisches Windprofil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.1.2 Potenzgesetz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.1.3 Vergleich zwischen logarithmischem und Potenzgesetz . . . . . 33

3.1.4 Vertikales Windprofil bei großen Windgeschwindigkeiten . . . . . . 40

3.2 Profilgesetze oberhalb der Prandtlschicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.2.1 Gleichungen der Ekman-Schicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.2.2 Trägheitsschwingungen in der Ekman-Schicht . . . . . . . . . 42

3.2.3 Vertikale Windprofile in der Ekman-Schicht . . . . . . . . 42

3.2.4 Einheitliche Beschreibung des Windprofils für die Grenzschicht . ... 43

3.3 Spektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.4 Tageszeitliche Schwankungen des Windprofils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.4.1 Vertikale Profile der Weibull-Parameter . . . . . . . . . 51

3.4.2 Low-Level Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.5 Interne Grenzschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.6 Wind- und Turbulenzprofile über Wäldern . . . . . . . . . . . . . 61

3.7 Winde in Städten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.7.1 Merkmale der städtischen Grenzschichten . . . . . . . . . . 63

3.7.2 Vertikale Profile von Wind und Turbulenz . . . . . . . . . 65

3.7.3 Spezielle Strömungsphänomene in städtischen Bestandsschichten . . . . 67

3.8 Zusammenfassung für flaches Gelände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4 Winde in komplexem Gelände. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.1 Merkmale von Grenzschichten über komplexem Terrain . ... 76

4.1.1 Berg- und Talwinde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.1.2 Katabatische Winde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.2 Windprofile über einem Hügel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.2.1 Potentialströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.2.2 Modifizierte Potentialströmung: Hinzufügen einer inneren Schicht . . 83

4.2.3 Modifizierte Potentialströmung: Berücksichtigung der thermischen Stabilität ... 86

4.3 Windprofile über Geländestufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.4 Schroffheit des Geländes

4.5 Spektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

4.6 Tageszeitliche Schwankungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

4.7 Zusammenfassung für komplexes Terrain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

5 Winde über See . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

5.1 Merkmale der marinen Grenzschichten . . . . . . . . . . . . . 96

5.1.1 Rauheit der Meeresoberfläche und Widerstandskoeffizient . . . . . . . . . 96

5.1.2 Fetch- und stabilitätsabhängige Wellenbildung . . . . . . 101

5.1.3 Extreme Wellenhöhen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

5.1.4 Wellenalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

5.1.5 Auswirkungen des vertikalen Feuchteprofils . . . . . . . . . . . . . 109

5.1.6 Jährliche und tageszeitliche Schwankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

5.2 Vertikale Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

5.3 Extreme Windgeschwindigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

5.4 Turbulenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

5.4.1 Turbulenzintensität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

5.4.2 Varianzen der Windgeschwindigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

5.4.3 Turbulenzlängenskalen und Neigungswinkel . . . . . . 122

5.4.4 Gust-Ereignisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

5.5 Weibull-Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

5.6 Küsteneffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

5.6.1 Land- und Seewinde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

5.6.2 Low-Level Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

5.7 Zusammenfassung für marine Grenzschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

6 Physik der Windparks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

6.1 Turbinennachläufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

6.2 Windparknachläufe

6.2.1 Beobachtungen

6.2.2 Analytisches Modell für die mittlere Windgeschwindigkeit in Windparks . . . . . . 138

6.2.3 Analytisches Modell für Windparknachläufe . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

6.2.4 Anwendung des analytischen Modells mit FINO1-Stabilitätsdaten . . . . . 146

6.3 Das Risiko, dass ein Tornado einen Windpark trifft . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

6.4 Zusammenfassung für Windparks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

6.5 Beobachtete Windpark-Nachläufe 172

6.6 Auswirkungen des Überschreitens der Grenzwindgeschwindigkeit 173

6.7 Das Risiko, dass ein Tornado einen Windpark trifft 177

6.8 Zusammenfassung für Windparks 179

7 Quellen für Winddaten

7.1 Messungen

7.1.1 In-situ-Messungen

7.1.2 Bodengestützte Fernerkundung

7.1.3 Bestimmung der Mischungsschichthöhe

7.1.4 Satellitendaten

7.1.5 Repräsentativität und Qualität der gemessenen Winddaten

7.2 Modelle

7.2.1 Analytische Modelle

7.2.2 Numerische Modelle

7.2.2.1 Prognosemodelle

7.2.2.2 Reanalysedaten

7.2.2.3 Large-Eddy-Simulationen

7.2.2.4 CFD-Modelle

7.2.2.5 Das Problem der Lücke zwischen der Meso- und der Mikroskala

7.3 Statistische Werkzeuge

7.3.1 Zeitreihenanalyse

7.3.2 Mittleres Windgeschwindigkeitsspektrum und die Weibull-Verteilung

7.3.3 Extreme mittlere Windgeschwindigkeiten und die Gumbel-Verteilung

7.3.4 Extreme Böen

7.3.5 Dauer der Böen und Windbeschleunigung in Böen

7.3.6 Größe der Turbulenzelemente

7.3.7 Messen - Korrelieren - Vorhersagen (MCP)

8 Lärmerzeugung und Lärmausbreitung

8.1 Lärmerzeugung

8.2 Definition von Schallpegeln 232

8.3 Schallausbreitung 232

8.3.1 Schalldämpfung 233

8.3.2 Schallrefraktion 235

8.4 Zusammenfassung 236

9 Sonstige meteorologische Fragen

9.1 Vereisung

9.2 Blitzschlag

9.3 Aerosole, Salz, Staub

9.4 Zusammenfassung

10 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

10.1 Größe der Windturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

10.2 Größe der Offshore-Windparks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

10.3 Andere Techniken zur Umwandlung von Windenergie . . . . . . . . . . 156

10.4 Neue Mess- und Modellierungsinstrumente zur Beurteilung der Windverhältnisse . . 156

10.5 Windressourcen und Klimawandel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

10.6 Auswirkungen der großflächigen Windenergiegewinnung auf Wetter und Klima. . . .158

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

O autorze

Stefan Emeis ist Meteorologe. Er promovierte 1985 an der Universität Bonn, Deutschland, und habilitierte sich 1994 an der Universität Karlsruhe, Deutschland. Bis zu seinem Ruhestand Ende 2022 war er leitender Wissenschaftler und Forschungsgruppenleiter am Institut für Meteorologie und Klimaforschung des Karlsruher Instituts für Technologie in Garmisch-Partenkirchen und Lehrbeauftragter für Meteorologie an der Universität zu Köln. Seine Forschungsinteressen sind die Struktur und Turbulenz der atmosphärischen Grenzschichten, die oberflächenbasierte Fernerkundung der Atmosphäre, die meteorologischen Voraussetzungen für die Nutzung der Windenergie und alle Aspekte des Klimawandels.

Er war neun Jahre lang Chefredakteur der wissenschaftlichen Zeitschrift "Meteorologische Zeitschrift" und (Mit-)Autor von mehr als 80 wissenschaftlichen Artikeln und mehreren Büchern

Blurb

Dieses Buch bietet eine Einführung in die meteorologischen Randbedingungen für die Stromerzeugung aus Wind - sowohl an Land als auch auf See - und liefert meteorologische Informationen für die Planung und den Betrieb dieser wichtigen erneuerbaren Energiequelle. Es umfasst die Herleitung von Windgesetzen und Beschreibungen von Windprofilen, insbesondere oberhalb der logarithmischen bodennahen Schicht, und behandelt Winde über komplexem Gelände und nächtliche Low-Level-Jets. Diese aktualisierte und erweiterte zweite Auflage enthält neue Kapitel, die sich mit der Effizienz großer Windparks und deren Nachläufen sowie mit der Offshore-Windenergie befassen.

Dieses Buch stellt die Übersetzung einer englischsprachigen Originalausgabe dar. Die Übersetzung wurde mit Hilfe von künstlicher Intelligenz erstellt (maschinelle Übersetzung mit DeepL.com). Eine anschließende manuelle Überarbeitung erfolgte vor allem nach inhaltlichen Gesichtspunkten, so dass sich das Buch stilistisch von einer herkömmlichen Übersetzung abweicht.