Forschung
Image Windfarm Sunset

Der Windpark BARD Offshore 1 in der Nordsee. Foto: HZG/Matthias Krüger

Der weitere Ausbau von Offshore Windparks - ein Fall für die Küstenforschung

Während der letzten zehn Jahre hat die Nordsee einen beträchtlichen Anstieg der Entwicklung von Offshore-Windparks (OWF) erfahren. Ende 2016 wurde in der Nordsee eine Gesamtkapazität von 9,1 GW mit 44 Windparks und über 2700 Einzelpfählen erreicht. Bis zum Jahr 2020 wird die gesamte Offshore-Windkapazität voraussichtlich 24,6 GW betragen.
Diese schnelle Umwandlung der südlichen Nordsee in eine von Energieerzeugung geprägte Umgebung kann die durch nationale und internationale Gesetzgebung festgelegten Ziele für die Umweltentwicklung beeinträchtigen und birgt Konfliktpotenzial mit anderen Nutzern der natürlichen Ressourcen wie der Fischerei.
Das Helmholtz-Zentrum Geesthacht untersucht daher die physikalischen und biogeochemischen Auswirkungen von OWFs auf die Nordsee sowie soziale und planerische Aspekte - insbesondere in der Deutschen Ausschließlichen Wirtschaftszone der Nordsee.

Image Coastdat Planned Wind Farms G

Positionen von geplanten Windparks (rote Punkte) in der Nord- und Ostsee in der ausschließlichen Wirtschaftszone (AWZ) Deutschlands (blau), für deren Planungen Daten aus coastDat herangezogen wurden.

Es gibt umfangreiche Wechselwirkungen zwischen Offshore Windparks und der Umwelt, welche Herausforderungen mit sich bringen und zu Begrenzungen ihrer Nutzbarkeit führen.
Letzteres ist in verschiedenen HZG-Studien benannt worden, welche die coastDat Datenbasis nutzten. Zum Beispiel wurde eine Klimatologie der Windenergie über der Nordsee erstellt, welche auch potentielle Synergien verschiedener Windpark-Anordnungen betrachtet. Im Speziellen werden bei fast allen geplanten und bereits in Betrieb befindlichen Offshore Windparks innerhalb der Deutschen Ausschließlichen Wirtschaftszone met-ocean-Daten aus coastDat zur Optimierung des Designs und der Logistik genutzt.

Weitere Informationen können der coastDat-Broschüre entnommen werden.


B. Geyer, R. Weisse, P. Bisling, and J. Winterfeldt: Climatology of North Sea Wind Energy Derived from a Model Hindcast for 1958-2012, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 147, S. 18–29. doi:10.1016/j.jweia.2015.09.005, 2015.

R. Weisse, P. Bisling, L. Gaslikova, B. Geyer, N. Groll, M. Hortamani, et al.: Climate Services for Marine Applications in Europe, Earth Perspectives, 2(3), doi: 0.1186/s40322-015-0029-0, 2015.

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Per Oberflächenradar erkannte Windböen, die sich auf die Nordseeplattform Fino-3 zubewegen. -Bild: HZG-

Für ein verbesserte Steuerung von Offshore Windparks auf Basis von Vorhersagen hat das HZG ein Kurzfristvorhersagesystem (30 bis 60 Sekunden) für Windgeschwindigkeit und Böen entwickelt.
Dafür werden Windfelder von Marinem Radar erfasst. Anhand von Bildsequenzen lassen sich dann Windböen, ihre Größe sowie Ausbreitungsrichtung und -geschwindigkeit identifizieren.

Weitere Informationen finden Sie unter Wind vor Dan Tysk

Image Surface Sediment Concentration

Momentaufnahme für Sedimentkonzentrationen von Schwebstoffen an der Oberfläche in einem Modell-Basin von 21,6m Tiefe. -Bild: HZG-

Zur Untersuchung der von Masten von Offshore-Windkraftanlagen erzeugten Wirbel wurde ein unstrukturiertes Gitterozeanmodell (SCHISM) verwendet.
Es konnte gezeigt werden, dass das Modell die tatsächlichen Sedimentkonzentrationen an der Oberfläche, welche zuvor durch Optische Satellitenbilder bestimmt wurde, reproduzieren konnte.

Durch die Erzeugung von Turbulenz im Wasser können Offshore-Windparks einen wesentlichen Einfluss auf die Sedimentdynamik haben. Eine höhere Turbulenzenergie hinter den Pfählen verursacht eine erhöhte vertikale Vermischung und kann daher zu höheren Konzentrationen von Sediment nahe der Meeresoberfläche führen. Dieser Effekt wurde mit dem unstrukturierten Gittermodell SCHISM der HZG erfolgreich simuliert. Das Modell ist für diese Anwendung gut geeignet, da es kleinskalige Prozesse in der Nähe der Pfähle unter Verwendung eines feineren Berechnungsnetzes in dieser Region auflösen kann. Die im Bild gezeigten Wirbel erhöhter Sedimentkonzentrationen werden von für die Deutsche Bucht typischen Gezeitenströmungen angetrieben.


S. Grashorn, and E. V. Stanev: Kármán Vortex and Turbulent Wake Generation by Wind Park Piles, Ocean Dynamics, 66:1543–1557, 2016, doi:10.1007/s10236-016-0995-2

Image Turbulent velocity field

Turbulentes Geschwindigkeitsfeld im Schatten einer zylindrischen Struktur einer Windkraftanlage (schwarzer Kreis). Das Bild zeigt einen einzelnen Moment einer Large Eddy Simulation (LES). Man schaut von oben auf die Wasseroberfläche, die momentane Bewegung geht von links nach rechts, Blau zeigt starke Strömung, rot schwache Strömung an. -Bild: J. Carpenter, HZG-

Turbulenz im Ozean wird durch die Wechselwirkung von Gezeitenströmungen und OWF-Strukturen verursacht. Sie erzeugt ein zusätzliches Potenzial für die Vermischung der saisonalen Schichtung, die sich in weiten Teilen der deutschen AWZ ausbildet. Auf diese Weise ist es möglich, dass großräumige OWF-Konstruktionen erhebliche Auswirkungen auf die Nordseeschichtung haben.
Unsere aktuelle Arbeit fokussiert sich auf Verständnis und Quantifizierung der lokalen Vermischungsprozesse an einer einzelnen Windkraftanlage mit Large Eddy Simulationen und In-situ-Messungen. Erste Resultate deuten darauf hin, dass die schwache Thermoklinen-Turbulenz durch Windparks verstärkt werden dürfte.


L.K.P. Schultze, L. Merckelbach, and J.R. Carpenter: Turbulence and Mixing in a Shallow Stratified Shelf Sea from Underwater Gliders, Journal of Geophysical Research -- Oceans, 122, doi:10.1002/2017JC012872, 2017.

J. Floeter, J.E.E. van Beusekom, D. Auch, U. Callies, J.R. Carpenter et al.: Pelagic Effects of Offshore Wind Farm Foundations in the Stratified North Sea, Progress in Oceanography, 156, 154–173, doi:10.1016/j.pocean.2017.07.003, 2017.

J.R. Carpenter, L. Merckelbach, U. Callies, S. Clark, L. Gaslikova, and B. Baschek: Potential Impacts of Offshore Wind Farms on North Sea Stratification, PLOS ONE, 11(8), e0160830, doi:10.1371/journal.pone.0160830, 2016.

Image Radar IR Windfarm

Das Bild des Radarsatelliten Sentinel-1 zeigt die großräumige Windschleppe des Windparks DanTysk (links) und ein vom Marinen Radar des HZG aufgezeichneten Windfelds in dem Gebiet (markiert per kleinem Kreis). -Bild: HZG-

Windräder entziehen einem Windfeld Dynamik und fügen gleichzeitig Turbulenzen hinzu. Diese Windströme sind in Radarfernerkundungsdaten sichtbar und zeigen die Abhängigkeiten der Ströme von der Größe und Höhe der Windkraftanlage und der Größe des Windparks. Die Windströme sind bis zu hundert und mehr Kilometer groß.
Durch den Vergleich der von den SENTINEL-1- und TerraSAR-X-Satelliten erfassten Daten mit Daten aus SAR-Radaren und Profilmessungen auf der FINO-1-Forschungsplattform wurde gezeigt, dass die Wirbeltiefe mit atmosphärischer Stabilität zunimmt.
Die Beobachtungen zeigen zudem, dass die Länge der Strömungen mit atmosphärischer Stabilität, hervorgerufen durch reduzierte vertikale Impulsflüsse, wächst.
Zusätzliche Studien wurden durchgeführt, um die Wechselwirkung von Windströmen aus verschiedenen Windparks in der Deutschen Bucht zu analysieren.
Effekte einzelner Windkraftanlagen auf Wind- und Reibungsgeschwindigkeiten werden mit Marinen Radaren des HZG in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung beobachtet. Dabei zeigen sich starke Windscherrungszonen über die individuellen Windströme.


B. Djath, J. Schulz-Stellenfleth, and B. Canadillas, Impact of Atmospheric Stability on X-Band and C-Band Synthetic Aperture Radar Imagery of Offshore Windpark Wakes, Journal of Sustainable and Renewable Energy, under submission 2017.

R. Vicen-Bueno, J. Horstmann, E. Terril, T. de Paolo, and J. Dannenberg: Real-Time Ocean Wind Vector Retrieval from Marine Radar Image Sequences Acquired at Grazing Angle, J. Atmos. Oceanic Technol., Vol. 30, p. 127–139, doi: 10.1175/JTECH-D-12-00027.1, 2013.

Emeis, S., S. Siedersleben, A. Lampert, A. Platis, J. Bange, B. Djath, J. Schulz-Stellenfleth, and T. Neumann: Exploring the Wakes of Large Offshore Wind Farms. In /Journal of Physics: Conference Series/, 753:092014. IOP Publishing, 2016. doi:10.1088/1742-6596/753/9/092014

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Erste Ergebnisse der Kartierung von Schwermetallkonzentrationen im Sediment der Umgebung von Windparks und Vergleichsgebieten in der Deutschen Bucht. Die stabile Isotopensignatur von Schwermetallen identifieren klar die Windparks als Quelle der Verschmutzung. -Bild: HZG-

Der großflächige Bau von Offshore-Windparks kann Auswirkungen auf die Meeresumwelt haben, da weitere Quellen für Verschmutzungen auftreten. Beispiele sind die stahlverstärkten Fundamente, Ausspülschutz durch sandgefüllte Geotextilsäcke, Korrosionsschutzmaßnahmen (Beschichtungen, Anoden) an den Pfählen, oder auch ganz normale Wartungsarbeiten.
Geotextilien, die als Ausspülschutz fungieren, sind durchlässige Stoffe und basieren hauptsächlich auf Polyethylen oder Polypropylen. Diese Gewebe enthalten typischerweise Kunststoffadditive wie Weichmacher, UV-Stabilisierer und Flammschutzmittel. Da diese Zusatzstoffe nicht chemisch an das Kunststoffmaterial gebunden sind, werden sie durch das Seewasser ausgewaschen und/oder reichern sich in besiedelnden Pflanzen und Tieren an.
Aktuelle Forschungen in Kooperation mit dem Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie konzentrieren sich auf mögliche Verschmutzungen durch Opferanoden und Korrosionsschutzbeschichtungen.
Solche Untersuchungen liefern Informationen, die für die Entwurfs- und Genehmigungsverfahren für neue Windparks vom Bundesamt für Seeschifffahrt relevant sind.

Image Phytoplankton OWF

Simulierte Veränderungen der Phytoplankton Biomasse, welche durch die Miesmuschel Mytilus edulis, welche an neuen Windparks siedelt, hervorgerufen wird. -Bild: HZG-

Der Aufbau von Offshore-Windparks (OWF) bietet neue harte Oberflächen in der Wassersäule, die ein bevorzugter Lebensraum für die Blaue Muschel (Mytilus edulis) ist. Diese blauen Muscheln filtern Phytoplankton (Algen) aus dem Wasser und machen das Wasser somit klarer.
Computersimulationen der südlichen Nordsee zeigen, wie viel klarer das Wasser sein könnte, wenn alle geplanten OWP-Pfähle von diesen Miesmuscheln besiedelt würden. Schätzungsweise 10% der Algen würden durch die Filtration in oder in der Nähe der Windparks entfernt, dafür würden bis zu 10% mehr Algen auf der windabgewandten Seite der Windparks durch sekundäre Effekte (z.B. mehr Nährstoffverfügbarkeit) erwartet.


K. Slavik, C. Lemmen, W. Zhang, O. Kerimoglu, K. Klingbeil, and K.W. Wirtz: The Large Scale Impact of Offshore Windfarm Structures on Pelagic Primary Production in the Southern North Sea., Hydrobiologia, submited 2017

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Hervorgebrachte Argumente von Anwohnern, um Offshore Windkraftanlagen entlang der Wattküste Schleswig-Holsteins zu unterstützen.-Bild: HZG-

Studien an der Wattenmeerküste der Niederlande und Schleswig-Holsteins haben Argumente von Anwohnern aufgezeigt, die sich für und gegen Offshore Windkraftgewinnung einsetzen.
Kombiniert man diese Argumente mit persönlichen Wert- und Glaubensvorstellungen sowie der Wahrnehmung der benannten Gebiete durch die Befragten, zeigen sich ganz unterschiedliche Argumentationsmuster. Diese bedingen somit verschiedene Kommunikationsformen und -strategien von Plannern und Investoren in Planungs- und Genehmigungsprozessen.
Analysen der soziokulturellen Perspektiven von Offshore Windparks unterstützen somit ein tieferes Verständnis von Widerstand oder Akzeptanz bis hin zu Unterstützung von Anwohnern und einzelnen Akteursgruppen.
Die Resultate werden von HZG-Wissenschaftlern in methodische Vorschläge umgesetzt, um Plannungs- und Genehmigungsprozesse zu verbessern. So werden z.B. Konzepte zur Anerkennung kulturell bedeutender Gebiete ausformuliert, oder es werden internationale Trainings zur maritimen Raumplanung angeboten.


K. Gee: Trade-offs Between Seascape and Offshore Wind Farming Values: An Analysis of Local Opinions Based on a Cognitive Belief Framework. Phd thesis University of Goettingen, p. 245, 2013.

K. Gee, A. Kannen, R. Adlam, C. Brooks, M. Chapman, R. Cormier, C. Fischer, S. Fletcher, M. Gubbins, R. Shucksmith, and R. Shellock: Identifying Culturally Significant Areas for Marine Spatial Planning, Ocean and Coastal Management, 136, pp. 139-147, doi:10.1016/j.ocecoaman.2016.11.026, 2017