Turbulenzen
Der Einsatz von Drohnen in Windparks bietet einige Potenziale, um Zugewinne in puncto ökonomischer sowie ökologischer Nachhaltigkeit zu realisieren. Allerdings hält dieser Use-Case auch einige Herausforderungen bereit. Denn neben großen Distanzen und zuweilen komplizierten Wetterbedingungen sind beispielsweise Turbulenzen durch Luftverwirbelungen zu beachten. Allesamt keine unüberwindbaren Hindernisse. Mit Blick auf größtmögliche Betriebseffizienz und -sicherheit sollte man diese jedoch im Blick haben.
Von Jan Schönberg
Es liegt in der Natur der Sache, dass Windkraftanlagen vor allem dort errichtet werden, wo viel Wind herrscht. Die von außen auf Flugsysteme – egal ob bemannt oder unbemannt – einwirkenden Kräfte müssen mit hinsichtlich Reichweite und Stabilität natürlich einkalkuliert werden. Insbesondere die den Küsten vorgelagerten Offshore-Windparks sind daher im Grunde kein optimales Einsatzgebiet für Drohnen. Die dort herrschenden Bedingungen haben das Potenzial, durch eine Art Kaskadeneffekt eine Aneinanderreihung von negativen Ereignissen auszulösen, die sich auf die Sicherheit und den Erfolg von UAS-Einsätzen auswirken. Doch beachtet man bei der Konzeptionierung der Missionen und der Auswahl der eingesetzten Technologien die spezifischen Anforderungsprofile, lassen sich die Vorteile von UAS im Kontext von Anlagen zur Nutzung von Windenergie extrem gewinnbringend einsetzen.
Kompensation
Während konstanter Rückenwind dazu führen kann, lange Distanzen energiesparender und gleichzeitig schneller zu überwinden, haben Seiten- und Gegenwind natürlich den genau gegenteiligen Effekt. Es wird zusätzliche Energie benötigt, um die erforderlichen Wegstrecken zu absolvieren oder die Drohne für Inspektionsaufgaben stabil in der Luft zu halten. Zudem erzeugen Windkraftanlagen erhebliche Wirbelschleppen. Diese Turbulenzen in der Luft werden durch die rotierenden Rotorblätter verursacht und erstrecken sich weiträumig hinter den Turbinen. Ein anderes Phänomen aus der Strömungslehre kann sich ebenfalls negativ auf die Flugbedingungen im Umfeld von Windkraftanlagen auswirken: die sogenannten Kármánschen Wirbelstraßen. Das nach dem ungarisch-amerikanischen Physiker und Luftfahrttechniker Theodore von Kármán benannte und Anfang des 20. Jahrhunderts nachgewiesene Phänomen tritt an von Luft umströmten Körpern auf. Dabei bilden sich „im Windschatten“ immer wieder neue, jeweils gegenläufige Wirbel, die sich ablösen und wie auf einer Perlenkette aufgereiht für Turbulenzen hinter dem umströmten Körper sorgen.
In größeren Windparks mit vielen Rotoren können sich Wirbelschleppen und -straßen zudem überlagern. Und im schlimmsten Fall zum Absturz von Flugsystemen führen. In jedem Fall müssen Drohnen, die in diesen Bereichen eingesetzt werden, durch aktives „Gegensteuern“ ihre Lage und die Flugbahn anpassen, um die Stabilität aufrechtzuerhalten und auf Kurs zu bleiben. Diese ständige Kompensation erfordert nicht nur entsprechende Sensorik und Rechenkapazität. Sie steigert auch den Energieverbrauch. Zudem verstärken schwere oder auch sperrige Zuladungen diesen Effekt, da sie sowohl das Fluggewicht als auch die Angriffsfläche für die Luftströme erhöhen.
Ausfallzeiten
Hat sich die Drohne dann einer Windkraftanlage genähert, um Material auszuliefern oder Inspektionsaufgaben zu erfüllen, müssen die Windräder in der Regel gestoppt werden. Dabei liegt es natürlich im Interesse der Betreiber, dass die Ausfallzeiten so kurz wie möglich sind. Wenn die gigantischen Rotorblätter abgebremst und arretiert werden, wirken enorme Kräfte auf die Anlage ein. Dabei kann ein Durchrutschen oder plötzliches Versagen der Bremswirkung zu einem echten Problem werden. Im schlechtesten Fall könnte eine Drohne, die zum Test des Blitzschutzsystems eingesetzt wird, mit dem Rotorblatt kollidieren und beschädigt oder gar zerstört beziehungsweise zum Absturz gebracht werden. In jedem Fall sorgt eine unplanmäßige Bewegung zu Verzögerungen im Betriebsablauf und verringert die Effizienz des UAS-Einsatzes.
Genau wie in allen Bereichen der kritischen Infrastruktur und der Energieversorgung sind auch mit Blick auf die Windkraft sichere und resiliente Kommunikations- und Navigationsstechnologien von entscheidender Bedeutung. Was bereits onshore eine echte Herausforderung darstellen kann, ist offshore noch einmal um ein Vielfaches komplexer. Signalstörungen, die durch Interferenzen oder auch gezielte Eingriffe von außen entstehen können, stellen eine erhebliche Beeinträchtigung der Echtzeit-Datenübertragung dar und erhöhen das Risiko von Navigationsfehlern oder Systemausfällen. Zuverlässige und idealerweise redundante Kommunikationstechnologien sind daher unerlässlich, um einen reibungslosen Drohnenbetrieb im Kontext von Windparks zu gewährleisten.
Integrative Konzepte
Für den künftigen Einsatz von Drohnen im Windenergiesektor gehört es daher zu den entscheidenden Zukunftsprojekten, möglichst optimale Systeme zu entwickeln, um UAS effizient und sicher in das komplexe Umfeld von Windkraftanlagen und -parks zu integrieren. Dabei ist es das eine, aerodynamische Turbulenzen auszugleichen oder diesen sogar ganz auszuweichen und sich zwischen einer Vielzahl an rotierenden Windrädern – und perspektivisch auch einer Vielzahl an unbemannten Systemen – zu bewegen. Eine weitere Herausforderung wird es sein, Technologien für die automatisierte „Kommunikation“ zwischen Drohnen und Windrädern zu schaffen. Die Idee: Nähert sich ein unbemanntes Flugsystem, wird die jeweilige Anlage zum exakt richtigen Zeitpunkt gestoppt und im Anschluss wieder in Gang gesetzt, um die Ausfallzeit zu minimieren. Denn was bei einzelnen Einsätzen vielleicht nur geringe Effizienzgewinne bedeutet, wird über einen größeren Zeitraum und bei regelmäßigen Befliegungen betriebwirtschaftlich durchaus relevant. Die Interaktion zwischen UAS und Windkraftanlage war daher beispielsweise auch ein wesentlicher Teil des Forschungsprojekts „Upcoming Drone Windfarms” vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt und dem Energieversorger EnBW und der daraus entstandenen Offshore Drone Challenge, die im vergangenen Sommer im Nationalen Erprobungszentrum für unbemannte Systeme in Cochstedt ausgestragen wurde.
Text: Akshata
Foto: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
