Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk e.V.


Für den erfolgreichen Betrieb einer Windenergieanlage ist die Windgeschwindigkeit die alles entscheidende Größe. Die Schwierigkeit besteht allerdings darin, verlässliche Vorhersagen für Zeiträume von 20 Jahren und mehr zu treffen. Weil der Wind eine indirekte Form der Nutzung der Sonnenenergie darstellt, schwankt er in Abhängigkeit von dieser. Im Hinblick auf den Energieertrag der Windkraft sind hierbei vor allem die langfristigen Schwankungen von Belang.

 

Relevante Kriterien zur Erfassung der Windverhältnisse

Wegen des exponentiellen Zusammenhangs zwischen Windgeschwindigkeit und Energieertrag sind bereits geringfügige Ungenauigkeiten mitunter verheerend. Mehrere Faktoren der Windverhältnisse fallen dabei ins Gewicht:

  • Die mittlere Jahreswindgeschwindigkeit, die dem Durchschnitt aller zusammengerechneten einzelnen Windgeschwindigkeiten im Jahresverlauf entspricht.
  • Die relative Häufigkeitsverteilung, welche Aufschluss darüber gibt, mit welcher Häufigkeit eine einzelne bestimmte Windgeschwindigkeit im Jahresverlauf auftritt.
  • Die Windrichtungsverteilung gibt darüber hinaus an, mit welcher prozentualen Häufigkeit Winde aus einer bestimmten Himmelsrichtung wehten.

Wenn keine Messwerte vorliegen, die umfänglich über obige Faktoren Aufschluss geben, werden zur Bestimmung oftmals mathematische Modelle herangezogen. In der Praxis erprobt und populär ist dabei die mathematische Verteilungsfunktion nach bei Weibull bzw. bei einer angenommenen "Standardverteilung" des Windes die Rayleigh-Verteilung.

Zyklische Schwankungen der Windgeschwindigkeit

Tageszeitliche Fluktuationen, der sogenannte Tagesgang, treten vor allem dort in Erscheinung, wo unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheit oder orographische Höhenunterschiede zu erheblichen thermischen Wechselwirkungen führen. Für die üblichen Windverhältnisse in Nord- und Mitteleuropa fallen solche Effekte selten ins Gewicht. Jahreszeitliche Schwankungen dagegen sind auch in unseren Breiten sehr häufig anzutreffen. So wie die Fotovoltaik im Sommer ihr Leistungsmaximum erzielt, fallen die höchsten Energieerträge aus Windkraft im Winter an.  Die Anlagenrentabilität hängt gleichwohl vor allem anderen von den langfristigen Variationen der mittleren Jahresdurchschnittsgeschwindigkeit ab. Insbesondere in den Anfangsjahren der Windenergie ist deren Einfluss aufgrund unzureichender Datengrundlagen und fehlender Erfahrungen gravierend unterschätzt worden. Statistisch verlässliche Jahresmittelwerte sind nur durch langfristige Messungen empirisch erfassbar, wofür in der Meteorologie Zeiträume von ca. 30 Jahren als ausreichend angesehen werden. Langfristige Abweichungen von den statistischen Mittelwerten um 20%–30 % sind keine Seltenheit, häufig folgen auf mehrere windstarke, eine Reihe windschwacher Jahre.

Prognosemodelle

Für Anlagenbetreiber ist daher wichtig zu wissen, in welchem Zeitraum ihre Windmessungen fallen und ob sie ihre Ertragsprognosen in Abhängigkeit davon nach oben oder unten korrigieren müssen. Als aussagekräftige Methode hat sich die Kombination aus Messdaten am potentiellen Anlagenstandort und Langzeitmessdaten benachbarten Messstationen bzw. Langzeitberechnungsmodellen bewährt. In den selten Fällen können angehende Anlagenbetreiber auf Messdaten zurückgreifen, die eine ausreichend lange Vorlaufzeit aufweisen.
Als hierfür geeignete Datengrundlage hat sich u. a. der europäische Windatlas durchgesetzt, der umfangreiche Messdaten von über 220 Messstationen mit modernsten Analyse- und Berechnungsmethoden, um anhand regionaler Winddaten präzise Aussagen über lokale Windverhältnisse abzuleiten. Die geschätzte Ungenauigkeit dabei bei ungefähr 5 % für die zugrunde liegenden Winddaten, was einer etwaigen Abweichung von 10 % auf Seiten des Energieertrags gleichkommt. Diese simulierten Werte haben sich vor allem in Einsatzgebieten an der Küste oder im Flachland mit geringen Höhenunterschieden und niedriger Oberflächenrauigkeit als sehr belastbar erwiesen, stoßen aber in komplexen topographischen Verhältnissen, wie etwa Gebirgsregionen, und bei Höhen über 100 m an ihre Grenzen.

An diesem Punkt setzen moderne numerische Simulationsmodelle an, die aus der Meteorologie entlehnt sind und, obwohl komplizierter und somit auch kostspieliger, speziell für die neueren Einsatzzwecke der Windkraft im Binnenland hervorragend geeignet sind.

Weitere landes- oder regionalspezifische Simulationsmodelle sind darüber hinaus hinzugekommen und haben die Datengrundlage kontinuierlich erweitert und verbessert. Eine große Hilfe waren hierbei die realen Ertragswerte bereits errichteter Windkraftanlagen, welche die Lücken in der Erfassung sukzessive auffüllten und mit nachprüfbaren Daten unterfütterten.


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