Extremereignisse von Windströmungen spielen für die Umwelt eine wichtige Rolle. In diesem Vorhaben soll spezieller Augenmerk auf die Auswirkung von Windverhältnissen auf die Windenergie gelegt werden. Die Interaktion zwischen Windkraftanlagen und dem einströmenden Windfeld ist stark abhängig von den Fluktuationen des Windfelds. Für die Arbeitsweise einer Windenergieanlage sind Windfluktuationen im Bereich von einigen Sekunden von zentraler Bedeutung, während für die Leistungsabgabe in das Netz typischerweise längere Zeiträume von Interesse sind, wobei Extremereignisse eine besondere Herausforderung darstellen. In diesem Promotionsvorhaben sollen Windverhältnisse und deren Extremereignisse in einem Bereich von Sekunden bis einigen Minuten mit neuen mathematischen Methoden erforscht werden. Ziel ist es hierzu eine neue Prognosemethode für auftretende Extremereignisse zu entwickeln.
Um dieses Ziel zu erreichen wird ein stochastischer Top-down-Ansatz verwendet, der das komplexe System des Windfelds beschreiben soll.Der Ansatz besteht darin, sowohl Strukturen innerhalb einer turbulenten Strömung, als auch die Stochastik, mittels einer Multipunktstatistik zu erfassen. Hierzu sollen multivariate Wahrscheinlichkeitsverteilungen von N mit der Zeitdifferenz τ äquidistant verteilten Punkten bestimmt werden. In der Praxis ist es unmöglich diese allgemeinen statistischen Verteilungen aus endlich vielen experimentellen Daten direkt zu bestimmen. Die zentrale Idee dieses Vorhabens ist es, die multivariate Wahrscheinlichkeitsverteilung als Verkettung von mehreren 3-Punkt-Wahrscheinlichkeitsverteilungen, die sich gut empirisch bestimmen lassen, darzustellen. Dies entspricht einer 3-Punkt-Schließung der allgemeinen N-Punkt Verteilung.Für Daten atmosphärischer Turbulenz, gemessen onshore an dem Hamburger Wettermast und offshore auf der FINO1 Plattform, wurde von mir in der laufenden Masterarbeit die Gültigkeit, einer solchen 3-Punkt-Schließung im Inkrementraum, mit statistischen Tests gezeigt.Insbesondere sei angemerkt, dass dies für Zeitabstände von Sekunden bis einigen Minuten, das heißt bis in die sogenannte graue Zone der atmosphärischen Turbulenz, gilt.
Diese Beschreibung ist die Basis für das Promotionsvorhaben. Zentral ist, dass die 3-Punkt-Schließung gleichbedeutend mit einer Markoveigenschaft und damit einem speziellen Skalenprozess ist. Dadurch eröffnet sich die Möglichkeit, die komplexe Multipunktstatistik durch Fokker-Planck Gleichungen zu beschreiben, was noch auszuarbeiten ist. Die wesentliche Herausforderung des Promotionsvorhabens stellt die numerische Bestimmung der Fokker-Planck Gleichung für die nichtstationäre atmosphärische Turbulenz dar.
Dieser ganze stochastische Ansatz ermöglicht zum einen die Kurzzeitprognose von Extremereignissen wie Windböen und Windrampen. Außerdem lassen sich gemessene Zeitserien mit gleichbleibenden stochastischen Eigenschaften fortsetzen, sodass typische Langzeituntersuchungen möglich sind.Die im Rahmen des Promotionsprojekts entwickelte Prognosemethode soll für die Vorhersage von weiteren Windstrukturen erweitert werden, wofür wir einiges an Forschungsarbeiten erwarten. Die in Frage kommenden Windstrukturen sollen zusammen mit Partnern aus der Industrie bestimmt werden, wobei das Augenmerk auf Windauswirkungen im Sekundenbereich auf eine Windkraftanlage und andererseits im Minutenbereich auf die abgegebene Leistung an das Netz liegt.
Eine verbesserte Beschreibung der atmosphärischen Windturbulenzen sollte zu einer weiteren Optimierung des Betriebs von Windenergieanlagen und zu einer sichereren Windleistungsintegration beitragen können. Durch die Zusammenarbeit mit industriellen Partnern erhoffen wir uns, dass die beiden potenziellen Anwendungsfelder auch von Nutzen für die Wirtschaftlichkeit von Windkraftanlagen sind und somit helfen einen weiteren Ausbau der Windenergie zu beschleunigen. Insofern kann das geplante Promotionsprojekt einen wesentlichen Beitrag zum Klimaschutz leisten.Sollten die Forschungsarbeiten erfolgreich sein, ist ein Bezug zu weiteren Umweltproblemen, die durch Windverhältnisse beeinflusst werden, klar gegeben.