Titel: Regional impacts of offshore wind farms on the North Sea hydrodynamics
Sonstige Titel: Regionale Auswirkungen von Offshore Windparks auf die Hydrodynamik der Nordsee
Sprache: Englisch
Autor*in: Christiansen, Nils
Schlagwörter: North Sea; offshore wind energy; wakes; hydrodynamics; stratification
GND-Schlagwörter: Offshore-WindparkGND
WindenergieGND
WindenergieGND
LuftwiderstandGND
StrömungswiderstandGND
Schichtung <Hydrologie>GND
Erscheinungsdatum: 2022
Tag der mündlichen Prüfung: 2023-04-21
Zusammenfassung: 
As part of the transition to more sustainable energy generation and the reduction of anthropogenic greenhouse gas emissions, offshore wind energy has developed rapidly over the past decade. As a result, the economic use of the coastal ocean is continuously increasing, and with it the interactions between anthropogenic impacts and the marine environment. In light of offshore wind development, this dissertation investigates the physical effects of offshore wind farms on the hydrodynamics of the North Sea, a global hotspot for offshore renewable energy. Offshore wind farms affect the physics in the atmosphere and ocean by extracting energy and disturbing incoming horizontal winds and currents. The associated effects occur on a variety of horizontal scales, from local mixing at turbine foundations to largescale wind speed reductions. This thesis demonstrates how these wind farm effects influence hydrodynamics on regional and seasonal scales, providing essential knowledge about the implications for ocean physics. Using three-dimensional numerical modeling, the thesis presents new and existing parameterization approaches to account for wind speed reduction and additional structure-induced mixing from offshore wind farms in regional hydrostatic models. Sectioned into three individual studies, this dissertation illustrates the physical implications of surface wind speed reduction and underwater structure drag on winddriven processes and local mixing, respectively. In this context, the so-called wind wakes are shown to associate with changes in wind-induced currents and mixing, whereas the oceanic wakes particularly influence the local turbulence and horizontal circulation. Thereby, the changes in ocean physics do not remain local, but propagate through advection and baroclinic currents into the far field of offshore wind farms. The emerging large-scale anomalies translate to current speeds, surface elevation or vertical velocities. Eventually, both wind farm effects alter the vertical density stratification and cause regional perturbations of the seasonal pycnocline of about ±5-10 % on average. This dissertation emphasizes that physical implications from wind speed reduction and underwater structure drag can emerge on similar magnitudes, although being driven by different mechanism and originating on different spatial scales. The monthly-mean wake effects in the atmosphere and ocean are shown to cause large-scale restructuring and spatiotemporal redistributions of ocean physics within natural variability. In this context, the wake effects, particularly wind wake effects, show strong variability and sensitivity to local conditions such as tidal stirring, which can disturb initial signals from wind speed reduction and attenuate wake effects by 50 % or more. While the outcomes advance the knowledge about regional implications from offshore wind energy production, changes in the physical environment indicate potential consequences for physically determined ecosystem dynamics. Questions remain open about the interaction of the wind farm effects and possible mitigation strategies or beneficial use of physical implications from offshore wind farms.

Im Zuge des Wandels zu einer nachhaltigeren Energieerzeugung und der Verringerung der anthropogenen Treibhausgasemissionen hat sich die Offshore-Windenergie in den letzten zehn Jahren rasant entwickelt. Folglich nimmt die wirtschaftliche Nutzung des Küstenmeeres kontinuierlich zu und damit auch die Wechselwirkungen zwischen anthropogenen Einflüssen und der Meeresumwelt. Vor dem Hintergrund der Entwicklung der Offshore-Windenergie untersucht diese Arbeit die physikalischen Auswirkungen von Offshore-Windparks auf die Hydrodynamik der Nordsee, einem globalen Hotspot für erneuerbare Offshore-Energie. Offshore-Windparks beeinflussen die Physik in der Atmosphäre und im Ozean, indem sie Energie entziehen und die eintreffenden horizontalen Strömungen stören. Die damit verbundenen Auswirkungen treten auf verschiedenen horizontalen Skalen auf, von der lokalen Durchmischung an den Fundamenten der Turbinen bis hin zur großräumigen Verringerung der Windgeschwindigkeit. In dieser Arbeit wird verdeutlicht, wie diese Windparkeffekte die Hydrodynamik auf regionalen und saisonalen Skalen beeinflussen, und damit wichtige Erkenntnisse über die Folgen für die Ozeanphysik geliefert. Unter Verwendung dreidimensionaler numerischer Modellierung werden in dieser Arbeit neue und bestehende Parametrisierungsansätze vorgestellt, welche die Verringerung der Windgeschwindigkeit und zusätzliche strukturbedingte Vermischung durch Offshore-Windparks in regionalen hydrodynamischen Modellen zu berücksichtigen. Aufgeteilt in drei Einzelstudien veranschaulicht diese Dissertation die physikalischen Auswirkungen der Verringerung der Windgeschwindigkeit an der Oberfläche und des Strukturwiderstands unter Wasser auf windgetriebene Prozesse bzw. die lokale Durchmischung. In diesem Zusammenhang wird gezeigt, dass die so genannten Wirbelschleppen mit Veränderungen der windinduzierten Strömungen und Vermischung einhergehen, während die ozeanischen Nachlaufeffekte insbesondere die lokale Turbulenz und die horizontale Zirkulation beeinflussen. Dabei bleiben die ozeanphysikalischen Veränderungen nicht lokal, sondern breiten sich durch Advektion und barokline Strömungen bis in das Fernfeld von Offshore-Windparks aus. Die entstehenden großräumigen Anomalien schlagen sich in Strömungsgeschwindigkeiten, Oberflächenhöhe oder vertikalen Geschwindigkeiten nieder. Letztendlich verändern beide Windparkeffekte die vertikale Dichteschichtung und verursachen regionale Störungen der saisonalen Pyknokline von durchschnittlich ±5-10 %. In dieser Dissertation wird deutlich, dass die physikalischen Auswirkungen der Verringerung der Windgeschwindigkeit und des Widerstands von Unterwasserstrukturen in ähnlicher Größenordnung auftreten können, obwohl sie durch unterschiedliche Mechanismen angetrieben werden und auf unterschiedlichen räumlichen Skalen entstehen. Es wird gezeigt, dass die Nachlaufeffekte in der Atmosphäre und im Ozean im Monatsmittel großräumige Umstrukturierungen und räumlich-zeitliche Umverteilungen der Ozeanphysik innerhalb der natürlichen Variabilität verursachen. In diesem Zusammenhang zeigen die Nachlaufeffekte, insbesondere die Wirbelschleppeneffekte, eine starke Variabilität und Empfindlichkeit gegenüber lokalen Bedingungen, wie z. B. der Gezeitendurchmischung, welche die ursprünglichen Signale der Windgeschwindigkeitsreduzierung stören kann und die Nachlaufeffekte um 50 % oder mehr abschwächt. Während die Ergebnisse das Wissen über die regionalen Auswirkungen der Offshore-Windenergieerzeugung vorantreiben, deuten Veränderungen in der physikalischen Umwelt auf potenzielle Folgen für die physikalisch geprägte Ökosystemdynamik hin. Es bleiben offene Fragen über die Wechselwirkung der Windparkeffekte und mögliche Abmilderungsstrategien oder die vorteilbringende Nutzung der physikalischen Auswirkungen von Offshore-Windparks.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/10273
URN: urn:nbn:de:gbv:18-ediss-109437
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Schrum, Corinna
Daewel, Ute
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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