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


Die wirtschaftliche Situation einer Windkraftanlage steht und fällt mit dem am Standort verfügbaren Windangebot. Technische Fortschritte in der Entwicklung von WEA gestatten die Nutzung variabler Windbedingungen in einem zunehmend breiter werdenden Spektrum sowohl an Höhenbereichen als auch minimalen Ein- und maximalen Ausschaltwindgeschwindigkeiten.

Da die Windgeschwindigkeit mit der dritten Potenz in den rechnerischen Energieertrag eingeht, folgt daraus, dass selbst eine konstante mittlere Jahreswindgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der reellen, zeitlichen Verteilung der Geschwindigkeiten zu stark abweichenden Energieausbeuten führen kann. Aus diesem Grunde sind Messverfahren erforderlich, die präzisen Aufschluss über die Streuung, Dauer und Zeitpunkte unterschiedlicher Windgeschwindigkeiten geben, wozu idealerweise langfristige Untersuchungen über Zeiträume von bis zu 10 Jahren vorgenommen werden, da sich lokale Windverhältnisse nicht nur stündlich, sondern auch jahresweise beträchtlich verändern können. Solche Langzeitanalysen sind bei einer auf Rentabilität abzielenden Windkraftnutzung allerdings ausgeschlossen. 

In der Praxis der Anlagenplanung werden kurzfristige, lokale Messungen im Umfang von ca. bis zu einem Jahr durchgeführt, welche zusätzlich um Daten möglichst nahegelegener Wettermessstationen des Deutschen Wetterdienstes sowie Wetterbeobachtungen und ggf. den Werten benachbarter Referenzanlagen ergänzt und korrigiert werden. Daraus können sich Abweichungen zu den tatsächlichen Windverhältnissen am Standort ergeben. Folgende Messgeräte und -methoden kommen hierbei zum Einsatz: 

 

Mastgestützte Messungen

 

Schalen- und Propelleranemometer

Die zuverlässigste Form der Windmessung stützt sich auf sogenannte Schalen- und Propelleranemometer. Diese Anemometer besitzen auf Achsen gelagerte Rotoren und werden zum Zwecke der Messung auf Stangen oder Masten in der geplanten Nabenhöhe installiert. Diese Methode liefert zwar eine sichere Datengrundlage, wird jedoch speziell bei größeren Nabenhöhen zunehmend aufwendiger und kostspieliger, da auch immer höhere Masten angebracht werden müssen. Außerdem deckt das Verfahren nur kleinteilige Ausschnitte der vom Wind durchströmten Fläche ab und reagiert mit signifikanten Messfehlern auf Veränderungen der Luftdichte und Turbulenzen. Deshalb werden inzwischen vermehrt alternative Methoden aus dem Fernerkundungswesen  eingesetzt.

 

Ultraschallanemometer

Häufig werde heute Ultraschallanemometer eingesetzt. Sie bestehen zumeist aus drei einzelnen Messstrecken aus jeweils zwei Ultraschallsendern/-empfängern, die in einem fest definierten Abstand voneinander und in rechten Winkeln zu den jeweils anderen Messstrecken angeordnet sind, wodurch eine dreidimensionale Analyse des Windgeschehens ermöglicht wird, unabhängig von Luftdichte und -feuchtigkeit. Die Messung macht sich dabei den Umstand zunutze, dass bewegte Luftmassen den eingestrahlten Ultraschall aufnehmen und in einem Vektor entsprechend der herrschenden Windrichtung und -geschwindigkeit verschieben. Auf Grund der exakt justierten Positionen und Distanzen zwischen den Ultraschallsensoren können diese selbst kleinste Abweichungen in der Strömung registrieren und mittels komplexer Berechnungen auf die Windverhältnisse rückschließen. Im Vergleich zu herkömmlichen Anemometern steigen hierdurch jedoch auch die Kosten und die Fehleranfälligkeit bei länger andauernden Messreihen.

 

Mastunabhängige Messinstrumente

 

SODAR

Die Bezeichnung SODAR (Sonic Detection and Ranging) beschreibt in Anlehnung an die Technik des RADARs ein Impulsmessverfahren auf der Basis von Schallwellen oder auch elektromagnetischer Strahlung. SODAR-Geräte unterteilen sich in mono- und bistatische Geräte, bei denen entweder eine einzelne Antenne sowohl als Sender- als auch Empfänger fungiert oder im Gegensatz dazu zwei Antennen mit getrennten Sender-/Empfänger-Funktionen zum Einsatz kommen. Beiden SODAR-Typen ist gemein, dass sie Impulse aussenden, die zu bestimmten Anteilen von Turbulenzen innerhalb der Atmosphäre zurückgestreut werden. Zur Bestimmung von Windfeldern für die Windkraftnutzung werden Micro-SODARS eingesetzt, die nach Dopplerbauweise mit drei Antennen ausgestattet sind, welche drei unabhängige Schallimpulse ausstrahlen. Durch die Intensität, Rücklaufdauer sowie Frequenzverschiebung der reflektierten Signale lassen sich Windrichtung und Windgeschwindigkeit in Höhen zwischen 10 und 1.300 Metern mit einer minimalen vertikalen Auflösung von 5 Metern ermitteln und ermöglichen die Erfassung von differenzierten Windverhältnissen wie Windscherungen und Turbulenzen selbst in großen Höhen.

Nutzungseinschränkungen ergeben sich für SODARS in Regionen mit akustischer Hintergrundbelastung oder bei Regen, da beides die Sensorik behindert. Außerdem verbrauchen sie gegenüber herkömmlichen Anemometern, für die eine Batterieversorgung ausreicht, vergleichsweise viel Strom.

 

LIDAR

Das ähnlich wie RADAR und SODAR benannte LIDAR-Verfahren (Light Detection and Ranging) beruht auf den optischen Signalen eines Lasers im Spektralbereich zwischen ultravioletter und naher Infrarotstrahlung, welche mittels eines Senderobjektivs zielgerichtet auf ein Beobachtungsobjekt gerichtet und mithilfe eines Empfängerobjektivs aufgefangen und detektiert werden, nachdem sie von der angestrahlten Oberfläche reflektiert worden sind. Im Falle von Windmessungen handelt es sich bei diesen Oberflächen um Partikel in der Luft, sogenannte Aerosole, die anhand ihrer Positionsänderungen Aufschluss über vertikale und horizontale Windrichtung sowie die Windgeschwindigkeiten erteilen. Üblicherweise werden hierfür Daten in Höhen zwischen 40 und 200 Metern und Windgeschwindigkeiten bis 70 m/s mit einer Genauigkeit von bis zu 0,1 m/s erfasst. Im Vergleich zu SODAR bietet sich LIDAR an, weil es deutlich kleiner und leichter, dadurch mobiler und mit geringem Personalaufwand einsetzbar ist. Dies ist besonders an schwer zugänglichen Standorten von Vorteil sowie zur planungsbegleitenden Windmessung im Vorfeld einer Anlagenprojektierung oder zu Nachjustierungen während des Anlagenbetriebs. Außerdem wird LIDAR nicht von Hintergrundlärm beeinträchtigt, weshalb es bereits auch im Offshore-Bereich eingesetzt wird.


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