Ein Windrad erzeugt am meisten Strom, wenn sein Rotor günstig zum Wind steht. Für einen ganzen Windpark kann trotzdem eine andere Entscheidung besser sein: Die vordere Anlage dreht sich etwas aus dem Wind und verzichtet auf einen Teil ihrer Leistung. Dadurch lenkt sie ihre windärmere Nachströmung zur Seite. Die Anlage dahinter bekommt mehr Wind und kann den Verlust vorn übertreffen.
Das Verfahren heißt Nachlaufsteuerung. Es nutzt keine zusätzliche Energiequelle und funktioniert nicht bei jeder Windrichtung gleich gut. Feldversuche zeigen aber, dass sich die Erträge einzelner Anlagen gemeinsam verbessern lassen. Ob ein Park über ein Jahr gewinnt, hängt unter anderem von seiner Anordnung, dem Wetter und den Belastungen der Maschinen ab.
Warum hinter einem Windrad weniger Wind ankommt
Der Rotor entnimmt der bewegten Luft Energie. Hinter ihm strömt sie langsamer weiter und ist stärker verwirbelt. Fachleute nennen diesen Bereich Nachlauf. Steht ein zweites Windrad darin, trifft es auf andere Bedingungen als das erste. Es kann weniger Leistung erzeugen; die wechselnde Strömung beansprucht zudem Bauteile.
Das ist ähnlich wie der Windschatten hinter einem Hindernis, aber kein feststehender dunkler Streifen. Der Nachlauf breitet sich aus, vermischt sich mit der Umgebung und bewegt sich mit dem Wind. Wie schnell er sich erholt, hängt auch von der Turbulenz der umgebenden Luft ab. Die Forschungsgruppe WiRE der EPFL hat solche Strömungen im Feld gemessen und beschreibt die geringere Geschwindigkeit und stärkere Turbulenz hinter Anlagen.
Windparks werden zwar mit Abständen zwischen den Anlagen geplant. Trotzdem kann bei manchen Windrichtungen eine Anlage direkt im Nachlauf einer anderen stehen. Dreht der Wind, verändert sich diese Reihenfolge. Aus einem Problem für ein bestimmtes Paar wird deshalb nicht automatisch ein Problem für alle Anlagen zu jeder Zeit.
Eine kleine Drehung verändert das Zusammenspiel
Für die Nachlaufsteuerung dreht der Antrieb die Gondel samt Rotor um die senkrechte Turmachse. Die Rotorfläche steht dann nicht mehr genau quer zur ankommenden Strömung. Diese Schrägstellung lenkt den Nachlauf seitlich ab. Das hintere Windrad muss dadurch nicht mehr vollständig in der langsameren Luft stehen.
Die Rechnung betrifft den ganzen Park: Die vordere Anlage verzichtet auf einen Teil ihres möglichen Ertrags. Wenn die nachfolgenden Anlagen mehr hinzugewinnen als vorne verloren geht, steigt die gemeinsame Produktion. Stehen die Anlagen dagegen schon günstig nebeneinander oder kommt der Wind aus einer anderen Richtung, kann die gleiche Drehung unnötig oder sogar nachteilig sein.
Dafür braucht die Steuerung Informationen über die Windrichtung und darüber, wo die anderen Anlagen stehen. Sensoren messen die Strömung; ein Modell hilft einzuschätzen, welcher Winkel unter den aktuellen Bedingungen nützlich ist. Die EPFL verweist bei ihrem Feldversuch darauf, wie wichtig genaue Windrichtungsmessungen für diese Entscheidung sind.
Was ein Feldversuch tatsächlich zeigte
Ein Team um Paul Fleming untersuchte die Steuerung in einem kommerziellen Windpark. Bei zwei eng beieinander stehenden Anlagen verglich es den Betrieb mit und ohne gezielte Schrägstellung. Für einen untersuchten Windrichtungsbereich von zehn Grad maß das Team bei der hinteren Anlage ungefähr 14 Prozent mehr Energie. Nachdem der Verlust der vorderen Anlage einbezogen war, lag der Gewinn des Paares bei rund vier Prozent. Die Ergebnisse stehen in Wind Energy Science.
Diese Zahlen beziehen sich auf das untersuchte Anlagenpaar und den betreffenden Windsektor. Sie sind kein Jahresertrag für den gesamten Park. Das US-Energieministerium beschreibt auf Grundlage von Simulationen ein mögliches Plus von ein bis zwei Prozent Jahresenergie für bestehende Windparks mit entsprechender Steuerung. Das ist eine Modellschätzung und keine Zusage für jeden Standort.
Der Unterschied ist entscheidend: Eine Steuerung kann bei einer passenden Windrichtung deutlich helfen und in anderen Stunden wenig verändern. Für den Jahresertrag zählt, wie oft diese Bedingungen tatsächlich auftreten. Auch die Strompreise und die Kosten der Umsetzung entscheiden darüber, ob ein zusätzlicher Ertrag wirtschaftlich interessant ist.
Der Wind wartet nicht auf die Steuerung
In der Praxis ändert sich der Wind während der Messung und während sich eine Gondel dreht. Ein Regler muss daher einen Kompromiss finden. Reagiert er auf jede kurze Schwankung, bewegt er die schwere Anlage häufig. Reagiert er zu langsam, kann der gewünschte Winkel erst erreicht sein, wenn sich der Wind bereits verändert hat.
Im Versuch von 2019 beobachtete das Forschungsteam eine solche Verzögerung. Die Glättung der Messwerte und die Bewegung der Gondel führten zusammen dazu, dass die Steuerung Änderungen der Windrichtung hinterherlief. Das Ergebnis half dem Team, spätere Regelungen dynamischer auszulegen.
Ein weiterer Feldversuch mit zwei Anlagen zeigte, wie stark auch die Windgeschwindigkeit den Nutzen verändern kann. Im untersuchten Bereich von sechs bis acht Metern pro Sekunde war die Änderung gering; zwischen acht und zwölf Metern pro Sekunde fanden die Forschenden einen deutlichen Gewinn. Bei niedrigerem Wind schwankte die Richtung stärker, während die Gondelsteuerung langsam reagierte. Die Befunde gelten für die untersuchte Anlage und ihre Bedingungen.
Mehr Strom ist nicht die einzige Zielgröße
Eine andere Anströmung verändert die Kräfte auf Rotor, Turm und Antrieb. Gleichzeitig kann weniger Nachlauf-Turbulenz einer hinteren Anlage helfen. Welche Wirkung überwiegt, hängt von der Lage im Park und den Windbedingungen ab. Für Betreiber reicht deshalb ein Blick auf die momentane Leistung nicht: Auch Verschleiß und erwartete Lebensdauer gehören zur Entscheidung.
Die Nachlaufsteuerung macht einen Windpark zu einem abgestimmten System. Sie kann vorhandene Anlagen besser zusammenarbeiten lassen, ersetzt aber weder die Standortplanung noch die Prüfung der Maschinen. Ihr Vorteil entsteht gerade dann, wenn eine einzelne Anlage zugunsten ihrer Nachbarn etwas zurücknimmt und die gemeinsame Bilanz stimmt.
Quellen
- Fleming et al.: Initial results from a field campaign of wake steering, Wind Energy Science, 20. Mai 2019.
- Simley et al.: Results from a wake-steering experiment at a commercial wind plant, Wind Energy Science, 12. November 2021.
- EPFL WiRE: Field Experiments, abgerufen am 29. Oktober 2026.
- US Department of Energy: Wake Steering Performance Evaluated at Scale, 20. Mai 2019.
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