Strömungsforschung für eine verbesserte Effizienz von Windkraftanlagen

Mi, 17.12.2025 — Andreas Merian

Andreas Merian

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Windräder können sich gegenseitig den Wind klauen. Denn direkt hinter einem Windrad ist die Luftströmung turbulent und enthält weniger Energie. Das wird bei der Planung von Windparks zwar bereits berücksichtigt, doch neue Erkenntnisse wie die von Claudia Brunners Team am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen könnten helfen, die Verluste weiter zu minimieren. Die Untersuchungen knüpfen an die Anfänge der Strömungsforschung in Göttingen an, die zur Gründung des Instituts vor 100 Jahren führten.*

An der Strömungsforschung kommt man in Göttingen kaum vorbei. Geht man vom Bahnhof aus Richtung Innenstadt stößt man vor dem Michaelishaus auf ein Hinweisschild: „Hier startete 1904 Ludwig Prandtl, der, Vater der Aerodynamik‘, seine wissenschaftliche Tätigkeit in Göttingen“. Mit seinen Arbeiten an der Schnittstelle zwischen Mathematik, Physik und den Ingenieurswissenschaften prägt Prandtl die Strömungs- und Turbulenzforschung bis heute. In seiner Forschung gingen grundlegende Untersuchungen Hand in Hand mit technischen Anwendungen: Wie verhält sich Luft, die ein Hindernis umströmt? Was lässt sich daraus für die Konstruktion eines Flugzeugs lernen? Die Erkenntnisse stießen spätestens im Ersten Weltkrieg auf großes Interesse. Damals spielten Flugzeuge zum ersten Mal eine militärisch wichtige Rolle. Prandtl erforschte zusammen mit seinen Mitarbeitern bereitwillig, wie Flugzeugflügel oder auch Bomben strömungsmechanisch verbessert werden können.

Seine wissenschaftliche Prominenz nutzte Prandtl, sodass er bald ein großes Forschungsinstitut führte: die „Aerodynamische Versuchsanstalt“ und später das 1925 eingeweihte „Kaiser-Wilhelm-Institut für Strömungsforschung verbunden mit der Aerodynamischen Versuchsanstalt“. An diesen Instituten schuf Prandtl mit mehreren Windkanälen auch die experimentellen Voraussetzungen für hervorragende Forschung. Nachdem er und seine Forschung während des NS-Regimes und des Zweiten Weltkriegs wieder eine wichtige Rolle spielten, wurde das Institut 1945 von der britischen Militärregierung geschlossen und überprüft. Als Einrichtung der Grundlagenforschung durfte das Kaiser-Wilhelm-Institut für Strömungsforschung weiterbestehen.

Nach der Gründung der Max-Planck-Gesellschaft als Nachfolge-Organisation der Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft setzte es ab 1948 seine Arbeit als „Max-Planck-Institut für Strömungsforschung“ fort. Auch personell gab es nach dem Zweiten Weltkrieg keinen Bruch: Bis 1946 führte Ludwig Prandtl das Institut und übergab anschließend an seinen ehemaligen Doktoranden Albert Betz, der bereits jahrelang die Aerodynamische Versuchsanstalt geleitet hatte. Ab 1969 verlor die Strömungsforschung am Institut immer mehr an Bedeutung, bis sie 1993 gänzlich eingestellt wurde. Erst mit der Berufung der Direktoren Stephan Herminghaus und Eberhard Bodenschatz 2003 kam die Strömungsforschung ans Institut zurück, wurde aber in den größeren Zusammenhang nicht-linearer und selbstorganisierter Phänomene gestellt. Dies spiegelt auch der neue Name des Instituts wider, das seitdem Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation heißt. Bodenschatz erforscht mit seiner Abteilung unter anderem die Physik von Wolken und Turbulenz. Mit Claudia Brunner und ihrer 2023 etablierten Forschungsgruppe Turbulenz und Windenergie kehrt das Institut einerseits zurück zu seinen Anfängen und leistet andererseits Grundlagenforschung für die Zukunft. „Wir erforschen die Strömung an Windrädern und in Windparks, und das vom Millimeterbereich an der Kante der Rotorblätter bis hin zum Nachlauf, der sich über Hunderte Meter bis zu einigen Kilometern zieht“, sagt Claudia Brunner. Ziel ist es, die Strömungsmechanik von Windkraftanlagen besser zu verstehen und diese letztlich effizienter zu machen.

Die Grundlagen des Windstroms

Schon in den Jahren nach dem Ersten Weltkrieg wurde in Göttingen intensiv an Windrädern geforscht. Denn durch den Versailler Friedensvertrag war Luftfahrtforschung in Deutschland verboten. Albert Betz, der sich bis dahin mit Propellern beschäftigt hatte, forschte in der Folge an Windrädern. Diese Forschung gewann zusätzlich an Bedeutung, weil Kohle im Deutschen Reich knapp und teuer wurde und alternative Energiequellen gefragt waren. Mit seiner Forschung legte er wichtige Grundlagen, beispielsweise das Betzsche Gesetz. Es besagt, dass ein Windrad maximal knapp 60 Prozent der Energie ernten kann, die der Wind, der auf seine Rotorfläche trifft, mit sich bringt. Seitdem hat sich viel getan, und die Windenergie ist mit einem Anteil von etwa 30 Prozent der wichtigste Energieträger in Deutschland geworden. Doch obwohl die Nutzung der Windenergie über viele Jahre optimiert wurde, gibt es noch zahlreiche offene Forschungsfragen, die auch für den Betrieb von Windrädern und Windparks bedeutsam sind. Dies betrifft vor allem die Wirbel, die an beziehungsweise hinter Windrädern auftreten. Denn turbulente Strömungen sind äußerst komplex und können von der Physik bislang noch nicht im Detail beschrieben werden.

Turbulenz im Windpark: Hinter Windrädern bilden sich Wirbel, die den Wind bremsen. Das muss bei der Planung der Anlagen berücksichtigt werden. (Foto: Vattenfall/ Christian Steiness.© Max-Planck-Gesellschaft)

Eine turbulente, das heißt von Wirbeln geprägte Strömung bildet sich, wenn Gase oder Flüssigkeiten auf ein Hindernis treffen. Bei Schiffen, die durchs Wasser pflügen, geschieht das im Kielwasser. Der gleiche Effekt in der Luft wird als Nachlauf bezeichnet, oftmals wird aber auch das englische Wort Wake verwendet. Der Wake-Effekt tritt auch hinter Windrädern auf und spielt vor allem in Windparks eine große Rolle. Denn im Nachlauf eines Windrads trägt der Wind weniger Energie in sich. Die Windräder in den hinteren Reihen können somit weniger Strom erzeugen als die in der ersten Reihe. In großen Windparks kann das zu Verlusten von bis zu zehn Prozent führen. Erst in größerem Abstand zum Windrad nimmt die Strömung auf dessen Höhe wieder Fahrt auf. Dann schiebt die gerichtete und schnellere Strömung aus größerer Höhe die Luft in den oberflächennahen Schichten an. „Wann das genau passiert und wovon das abhängt, ist bisher noch nicht ganz klar. Denn hinter einem Windrad können ziemlich stabile Wirbel auftreten, und erst wenn diese zusammenbrechen, kann die energiegeladene Luft aus höheren Schichten einströmen“, sagt Claudia Brunner. Daher untersuchten sie und ihr Team, von welchen Bedingungen der Zusammenbruch der stabilen Wirbel abhängt.

Geschwächte Strömung: Die Wirbel, die sich an den Spitzen der Rotorblätter und hinter der Gondel im Zentrum des Rotors bilden, lösen sich hinter großen Windrädern erst nach einigen Hundert Metern auf. Wie lange das dauert, hängt auch vom Abstand der Schraubenlinien und damit vom Verhältnis der Rotor- zur Windgeschwindigkeit ab.(werGRAFIK:GCO nach Porte-Agel. et al., Wind-Turbine and Wind-Farm Flows: A Review. Boundary-Layer Meteorol.174, 1–59 (2020)).

Während es für typische Hindernisse wie Flugzeugflügel oder Autokarosserien verlässliche experimentelle Werte gibt, stellen moderne Windräder eine Herausforderung für die Forschenden dar. Denn: „Die Windräder sind in den letzten Jahren über unser grundlegendes Verständnis hinausgewachsen, gerade in den Offshore-Windparks“, erklärt Claudia Brunner. Dort erreichen die größten Windräder aktuell eine Nabenhöhe von 145 Metern, eine Rotorblattlänge von gut 115 Metern und liefern maximal 15 Megawatt elektrische Leistung. Für die Betreiber der Windräder ist die Rechnung einfach. Die Leistung, die ein Windrad produzieren kann, wächst quadratisch mit der Länge der Rotorblätter. Ein Windrad mit doppelt so langem Rotor kann also viermal so viel Strom produzieren. Das Strömungsverhalten dieser Riesen ist für die Forschenden dagegen nicht so einfach zu verstehen. Um nachzuvollziehen, warum die Anlagen nicht durch die bisherige Strömungsmechanik abgedeckt sind, hilft die Reynoldszahl. Sie beschreibt, wie sich eine Strömung von Fluiden wie Flüssigkeiten oder Gasen an einem Hindernis verhält. Die Reynoldszahl hängt von der Größe des umströmten Körpers sowie der Dichte, Viskositätund Geschwindigkeit des strömenden Fluids ab. Für Forschende wie Claudia Brunner ist entscheidend: Bei gleicher Reynoldszahl ähnelt sich das Strömungsverhalten geometrisch ähnlicher Körper. Solange also die Reynoldszahl vergleichbar bleibt, liefern Versuche im Windkanal mit einem verkleinerten Modell realistische Ergebnisse.

Windkanal mit aktivem Gitter

Doch hier kommt der Haken: Die Reynoldszahl für große Windräder ist sehr hoch und liegt im Bereich von 3 und 200 Millionen (die Reynoldszahl hat keine Einheit). Um diese in einem Windkanal zu erreichen und die Strömung an einem Modellwindrad im kleineren Maßstab genau zu untersuchen, müssen die Forschenden tricksen. Denn man kann derart hohe Reynoldszahlen zwar durch Strömungsgeschwindigkeiten nahe der Schallgeschwindigkeit erreichen. Doch bei solchen Geschwindigkeiten verhalten sich Luftströmungen grundsätzlich anders als bei Windgeschwindigkeiten, die auf der Erde üblich sind. Die Lösung: Die Luft muss durch ein wesentlich dichteres Gas ersetzt werden. Bei gleicher Geschwindigkeit vervielfacht sich so die Reynoldszahl. Am Göttinger Institut nutzen die Forschenden das Gas Schwefelhexafluorid (SF6), das etwa sechsmal so dicht ist wie Luft, und setzen dieses auch noch unter Druck.

Dafür hat Eberhard Bodenschatz mit dem Variable Density Turbulence Tunnel (VDTT) am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation eine weltweit einzigartige Versuchsanlage eingerichtet. Der Windkanal erinnert an ein auf der Seite stehendes, rotes Schlauchboot. Denn der fast 20 Meter lange und zwei Meter durchmessende Kanal aus rot lackiertem, massivem Stahl ist in sich geschlossen. So lässt er sich mit SF6 bei einem Druck von bis zu 15 bar und Strömungsgeschwindigkeiten bis 5,5 Metern pro Sekunde betreiben. Eine Besonderheit der Anlage ist, dass sich die Strömung durch ein aktives Gitter kontrollieren lässt. Dieses Gitter nimmt an einer Stelle den gesamten Kanal ein und besteht aus mehr als 100 Klappen, die sich einzeln öffnen und schließen lassen. Dadurch können die Forschenden im SF6-Strom, der durch einen Ventilator angetrieben wird, gezielt Turbulenzen erzeugen. Insgesamt lassen sich damit in diesem Druckwindkanal komplexe Strömungsverhalten und Turbulenzphänomene in einem 130-fach kleineren Maßstab beobachten. Claudia Brunner nutzt diese Anlage für ihre Untersuchungen des Wake-Effekts hinter einem Windrad.

Wo brechen die Wirbel zusammen?

Dazu hat Mano Grunwald, Mitglied in Brunners Team, ein Windradmodell im Windkanal installiert. Durch die besonderen Bedingungen, die der Kanal bietet, können die Forschenden mit einem Modell, das bis zur Nabe einen halben Meter hoch ist und dessen Rotorblätter 30 Zentimeter lang sind, bei einer Reynoldszahl von drei Millionen genaue Messungen machen. Mano Grunwald hat die Windgeschwindigkeit hinter dem Windrad für unterschiedliche Windverhältnisse mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung bestimmt. Dank des aktiven Gitters konnte er mit realistischen Scherwinden und Turbulenzen im Luftstrom experimentieren, der auf das Windrad trifft. Scherwinde sind Strömungen, die nicht überall gleich schnell sind, im Fall des Windrads strömt die Luft unten langsamer als oben. Außerdem variierten die Forschenden das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit der Rotorspitzen und der Windgeschwindigkeit. Dieses Verhältnis wird Schnelllaufzahl genannt und ist eine wichtige Kennzahl für Windräder. In ihren Messdaten analysieren die Forschenden insbesondere, wo die Wirbel hinter dem Windrad zusammenbrechen.

Miniatur: In ihrem Windkanal experimentieren die Göttinger Forschenden mit kleinen Windrädern. Da sie dabei das sehr dichte Schwefelhexafluorid statt Luft verwenden, gelangen sie trotzdem zu realistischen Ergebnissen. Mit dem aktiven Gitter im Hintergrund lassen sich die Strömungen modulieren. (FOTO: Aus Video „100 Jahre Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen.)

Die stabilen Wirbel entstehen an den Spitzen der drei Rotorblätter. Durch die ständige Drehung des Windrads und die weiterströmende Luft bildet sich eine Helix aus drei Wirbeln, die sich im Nachlauf in Windrichtung schrauben. Abhängig von den exakten Bedingungen ist diese Helix über größere Distanzen stabil. Im Bereich direkt hinter dem Windrad, bis zum Abstand von etwa einer Rotorblattlänge, verändert sich die Helix kaum. Anschließend bricht sie zusammen, doch das zieht sich über einen Bereich von vier bis acht Rotorblattlängen. Im Fall von großen Windrädern sind das mehrere Hundert Meter bis etwa ein Kilometer. Die Experimente zeigten, dass eine größere Schnelllaufzahl den Zusammenbruch beschleunigt. Denn je schneller das Windrad im Vergleich zur Windgeschwindigkeit rotiert, desto enger liegen die Schraubenlinien der Helix zusammen. Und je dichter beieinander die Schraubenlinien der Wirbel liegen, desto stärker bringen sie sich gegenseitig durcheinander und desto schneller brechen sie zusammen. Schließlich löst sich die Turbulenz langsam ganz auf, und die eigentliche Strömung des Winds dominiert wieder. Hinter Windrädern, die sich verhältnismäßig schneller drehen, nimmt der Wind also schneller wieder Fahrt auf. Aktuell wird die Schnelllaufzahl von den Betreibern so gewählt, dass ein einzelnes Windrad die Windenergie optimal erntet und die maximal mögliche elektrische Leistung erzeugt. „Wir haben zum ersten Mal in detaillierten Experimenten gezeigt, dass die Schnelllaufzahl auch bei realistischen, turbulenten Bedingungen beeinflusst, wie schnell die Blattspitzenwirbel zusammenbrechen. In Windparks könnte es also gewinnbringend sein, die Schnelllaufzahl zu erhöhen, um den Wake-Effekt abzumildern“, sagt Claudia Brunner.

Partikel-Tracking im Feldversuch

Die hochaufgelösten Messungen der Windgeschwindigkeit lassen zwar Rückschlüsse auf die Strömungen und Turbulenzen hinter dem Windrad zu. Sie zeigen aber nicht genau, wie die entstehenden Wirbel aussehen und miteinander wechselwirken. Diese Feinheiten lassen sich in einem Fluid erst studieren, wenn man kleinste Partikel hinzufügt und genau beobachtet. In seinen Grundzügen verfolgte diesen Ansatz auch schon Ludwig Prandtl vor mehr als 100 Jahren: In seinen Wasserkanälen verwendete er beispielsweise Eisenglimmer und in seinen Windkanälen Rauch, um das Strömungsverhalten sichtbar zu machen. Heute bringt Claudia Brunners Team kleinste Glaskügelchen in den SF6-Strom ein und beleuchtet diesen Bereich mit extrem hellen LEDs. Vier moderne Hochgeschwindigkeitskameras zeichnen die Partikelbewegungen aus unterschiedlichen Blickwinkeln mit einer Bildrate von 5000 Bildern pro Sekunde auf. So können die Forschenden auch kleinste Details im Strömungsverhalten an Windrädern aufklären. Gerade haben sie auch begonnen, das Partikel-Tracking in Feldversuchen mit echten Windrädern einzusetzen. Denn so realistisch die Strömung im Göttinger Windkanal durch den Einsatz von SF6 und das aktive Gitter auch ist, die ganze Komplexität der Luftbewegungen, die in Wirklichkeit auftreten, spiegelt sie nicht wider. Deshalb tüftelt Claudia Brunner mit ihrem Team an einer ganz besonderen Drohne. Der Multikopter ist so ausgestattet, dass er in den Bereich vor dem Windrad fliegen und dort viele Seifenblasen produzieren kann. Welchen Weg diese Seifenblasen dann im Einzugsbereich und im Nachlauf des Windrads nehmen, können Kameras einfangen. Auch Ballone setzen die Forschenden ein, um Luftströmungen in Windparks über eine Länge bis zu 30 Kilometern zu untersuchen. „Durch die Kombination von Messungen im Windkanal und in Feldversuchen stellen wir sicher, dass unsere Ergebnisse realistisch und übertragbar sind“, sagt Claudia Brunner. Die Geschichte der Strömungsforschung in Göttingen geht also auch mehr als 100 Jahre nach ihren Anfängen weiter.

*Der Artikel ist unter dem Titel "Wirbel im Windschatten" im Wissenschaftsmagazin - MaxPlanck-Forschung 04/2025 https://www.mpg.de/25885564/MPF_2025_4 im Dezember 2025 erschienen und wird - mit Ausnahme des Titels und eines fehlenden Fotos - hier unverändert wiedergegeben . Die MPG-Pressestelle hat freundlicherweise der Verwendung von Magazin-Beiträgen im ScienceBlog zugestimmt. (© Max-Planck-Gesellschaft)