Influence of Offshore Wind Farms on Atmosphere and Ocean Dynamics

Abstract

Nowadays renewable energy resources play a key role in the energy supply discussion and especially a heightened interest in wind energy induces intensified installation of wind farms. In the course of a larger demand of renewable energy, offshore wind farms (OWFs) gain increasingly in popularity, since over sea yields are larger and more reliable than over land. In this context Germany adopts the position of a pioneering nation due to its national interurban offshore wind energy program comprising an intensified construction of wind turbines in Baltic Sea and mainly North Sea. Against this background it becomes particularly urgent to enquire whether and to what extent such OWF expansion affects our oceans and local climates. OWFs excite wind speeds reduction downstream of wind farms, the so-called wake-effect, which impacts atmosphere’s boundary layer, locally disturbs the wind characteristics and in turn affects ocean dynamics. To study the whole complex in more detail investigations comprises model simulations and measurements. Used models are the atmosphere model METRAS (MEsoscale TRAnsport and Stream model) and the ocean model HAMSOM (HAMburg Shelf Ocean Model). METRAS simulations were generated in collaboration with and by courtesy of the Institute for Meteorological of the university of Hamburg. These METRAS data represent the meteorological forcing for simulations of the ocean. Measurements were taken around German test wind farm alpha ventus supported by the German Federal Maritime Service (BSH). Analysis regarding OWF effect on atmosphere and ocean comprises two main studies to determine possible OWF effects and their physical appearance in theory and to estimate possible future integrated changes of North Sea’s marine system based on the offshore construction plan for 2030. Investigation consider different amount of wind turbines, wind speeds and directions, ocean depths and forcing assumptions. Model results and measurements show a reasonable agreement supporting the principle validity of the used model approach. Main results of this study show significant dynamical changes including a wind speed reduction downstream of OWF up to 70 % over an area being 100 times larger than OWF itself, an evolving dipole structure of the sea surface elevation around OWFs and up- and downwelling cells with an horizontal extension of approximately 30 x 30 kilometer, spanning the whole ocean depth. The connected vertical velocities reach magnitudes of three to four meter per days. In turn, these vertical motions introduce changes in stratification of temperature and salinity, which results in a maximal excursion of the thermocline by possibly 10 m. Hence it can be concluded that offshore wind farms cause an intensified vertical mixing in the ocean, which may result in a fundamental change of North Sea ecosystem.

Heutzutage spielen erneuerbare Energien eine Schlüsselrolle in der Diskussion zukünftiger Energieversorgung. Besonders ein verstärktes Interesse an Windenergie bewirkt einen intensiven Ausbau von Windfarmen. Im Zuge der erhöhten Nachfrage an erneuerbaren Energien gewinnen Offshore Windfarmen (OWFs). vermehrt an Popularität, zumal auf See größere und vorallem zuverlässig Erträge erzielt werden können. In diesem Zusammenhang nimmt Deutschland, infolge des nationalen Offshore Windenergieausbauprogramm, welches eine intensive Errichtung von Windkraftanlagen in der Ostsee und besonders in der Nordsee beinhaltet, eine Vorreiterrolle ein. Vor diesem Hintergrund ist es sehr bedeutsam abschätzen zu können, ob und in welchem Ausmaß ein solcher offshore Windfarmausbau unsere Meere und lokale Klima beeinflusst. OWFs bewirken eine Reduktion der Windgeschwindigkeit in Windrichtung hinter der Windfarm. Diese Reduktion der Windgeschwindigkeit wird als Wake-Effekt bezeichnet. Der Wake-Effekt beeinflusst die atmosphärische Grenzschicht und lokal die Windeigenschaften, was wiederum Auswirkungen auf die Ozeandynamik zur Folge hat. Um den ganzen komplexen Sachverhalt der OWF Auswirkungen zu erfassen, wurden Modellsimulationen und Messungen für die Analyse herangezogen. Bei den verwendeten Modellen handelt es sich um das atmosphärische Modell METRAS (MEsoskaliges TRAnsport und Strömungsmodell) und das Ozeanmodell HAMSOM (Hamburg Schelfmeer/Ozean Modell). Simulationen mit METRAS wurden in Zusammenarbeit mit dem Meteorologischen Institut der Universität Hamburg erstellt und freundlicherweise dieser Arbeit zur Verfügung gestellt. Diese mit METRAS simulierten Daten dienen als meteorologischen Antrieb der Ozeansimulationen. Messungen wurden rund um den deutschen Testwindpark alpha ventus genommen. Die Messkampagne wurde vom Bundesamt für Schifffahrt und Hydrographie (BSH) unterstützt. Analysen des OWF-Effekts auf Atmosphäre und Ozean umfassen zwei Hauptstudien, um den möglichen OWF-Einfluss und dessen physikalisches Auftreten theoretisch zu erfassen und mögliche Änderungen des marinen Systems der Nordsee bedingt durch den geplanten Offshore Ausbauplan für 2030. Untersuchungen berücksichtigen verschiedene Mengen und Anordnungen von Windturbinen, Windgeschwindigkeiten und Modellantrieben. Modellergebnisse und Messungen zeigen eine angemessene Übereinstimmung, die den gewählten Modellansatz und prinzipielle Annahmen bestätigen. Hauptergebnisse dieser Arbeit bezeugen signifikante dynamische Änderungen, zum einen in Bezug auf das Windfeld mit einer Reduzierung der Windgeschwindigkeit über ein Gebiet, welches hundertmal größer ist als die Windfarmfläche, bis 70 % und zum anderen in Bezug auf den Ozean durch das Auftreten von Wasserstandänderung mit Dipolstruktur, Up- und Downwellingzellen mit einer horizontalen Ausdehnung von rund 30x30 Kilometer über die ganze Meerestiefe. Die damit verknüpften vertikalen Geschwindigkeiten erreichen drei bis vier Meter pro Tag und bewirken eine Änderung in der Ozeanschichtung von Temperatur und Salzgehalt mit einer Auslenkung der Thermoklinen um 10 m rund um den OWF. Daher muss man davon ausgehen, dass OWFs intensives vertikales Mischen verursachen, welches eventuell Änderungen im Ökosystem der Nordsee bewirkt.