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Projektinfos  – Energieforschung konkret

Kurzcharakteristik lesen

Etwa die Hälfte der für die Windenergie besonders geeigneten Flächen liegt in bewaldeten Regionen.
© Fraunhofer IWES
Langzeitmessungen am 200 Meter hohen Messmast bei Kassel
Projektinfo 12/2016

Der Messmast Rödeser Berg ist 200 m hoch und mit mehr als 40 Instrumenten bestückt.
© Fraunhofer IWES, Institutsteil Energiesystemtechnik

Während des Tages unterscheiden sich die Windverhältnisse oberhalb von 120 und unterhalb von 80 m deutlich.
© Fraunhofer IWES, Institutsteil Energiesystemtechnik
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Windpotenzial im Mittelgebirge messen

Einer der höchsten Windmessmasten Europas steht auf dem Rödeser Berg bei Kassel. Die Forschungsanlage erfasst mit ihren Messgeräten die Windbedingungen bis in 200 Meter Höhe. Ziel ist, den Einfluss von Waldflächen und Mittelgebirgslandschaft auf Windprofil und Strömungseigenschaften zu messen. Die Ergebnisse helfen, die meteorologischen Modelle zur Standortbewertung zu verbessern, die Belastungen einzelner Anlagenkomponenten genauer abzuschätzen und das laserbasierte LiDAR-Verfahren weiterzuentwickeln.

Moderne Windenergieanlagen (WEA) haben bis zu 150 m Nabenhöhe und 170 m Rotordurchmesser. Für sie sind die Windbedingungen bis 200 m Höhe bedeutsam. Der Windmessmast auf dem Rödeser Berg bei Kassel erreicht diese Höhe. Seit 2012 hat er durch kontinuierliche Windmessungen die Datenbasis für die Auslegung von Binnenlandanlagen verbessert. Ziel ist, für bewaldete Mittelgebirge eine solide Datengrundlage für die Windfeldmodellierung bereitzustellen und damit bisherige Unsicherheitsfaktoren bei der Beurteilung neuer Standorte zu verringern. Gemessen werden u. a. die horizontale und vertikale Windgeschwindigkeit sowie die Turbulenzen. Damit ist es möglich, kritische Komponenten wie Rotorblätter gezielter auf die Standortbedingungen auszulegen. Der Messmast dient weiterhin dem Vergleich mit dem laserbasierten, kostengünstigeren LiDAR-Verfahren. Die Daten erhöhen die Sicherheit, wenn die Geräte für eine Standortbewertung eingesetzt werden. Die ermittelten, standortabhängigen Fehler können künftig zur Korrektur von Messergebnissen eingesetzt werden. Das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES in Kassel hat das Forschungsprojekt geleitet.

Eine Untersuchung über die Windpotenzialflächen in Deutschland hat ergeben, dass bewaldete Mittelgebirgsstandorte etwa die Hälfte der geeigneten Flächen in Deutschland ausmachen. Dabei sind die Gebiete rausgerechnet, die aus Gründen des Naturschutzes oder des Abstands zur Wohnbebauung frei bleiben müssen. Die für die Windenergie relevanten Waldflächen befinden sich vor allem in Mittel- und Süddeutschland. Im Jahr 2015 wurden in Deutschland mehr als 30% aller neu errichteten WEA in der südlichen Landeshälfte errichtet, also in Baden-Württemberg, Bayern, Hessen, Rheinland-Pfalz, Saarland, Sachsen und Thüringen. Die dort stehenden Anlagen erzeugen ihren Strom in unmittelbarer Nachbarschaft zu Ballungsräumen und Industrieschwerpunkten mit hohem Strombedarf. Das entlastet die Überlandleitungen des Netzes.

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Hoch hinaus und gut ausgelegt

Der 200 m hohe Messmast steht auf einem typischen Binnenlandstandort auf 380 m über Meereshöhe. Die Anströmbedingungen sind durch die komplexe Geländestruktur der Mittelgebirgslage geprägt. In Hauptwindrichtung überströmt der Wind eine etwa zwei Kilometer lange Waldfläche, bevor er vor der Lichtung mit dem Mast steil ansteigen muss. Er ist der einzige Mast dieser Höhe in Deutschland, der auf die Anforderungen der Windenergie spezialisiert ist.

Der Mast ist alle zwanzig Meter mit Auslegern und über 40 Sensoren bestückt (z. B. verschiedene Anemometer). Damit lassen sich die Windgeschwindigkeiten horizontal und vertikal, hochfrequente Turbulenzen sowie Impulsflüsse ermitteln. Für jede Luftschicht einer WEA, vom Turmfuß bis zum höchsten Punkt der Blattspitzen, wird das Windprofil gemessen. Weitere Messgeräte erfassen Globalstrahlung, Luftfeuchte und -druck, Regenintensität, Temperatur, Vereisung und Wolkenhöhe. Alle Datenströme laufen in einem Messcontainer am Fuße der Anlage zusammen.

Anlagen gezielt an Standorte anpassen

Die meteorologischen Daten des Messmastes fließen in die Verbesserung und Validierung von Modellen ein, mit denen Windprofile, Turbulenzen und Ertrag im Binnenland berechnet werden. Diese können damit auch Waldgebiete und komplexe Geländeformen besser abbilden. Ein WEA-Hersteller verwendet beispielsweise inzwischen die im Projekt ermittelten Turbulenzfelder, um die Belastung einzelner Komponenten von Anlagen im bewaldeten Mittelgebirge zu berechnen. Diese Erkenntnisse tragen dazu bei, den Materialeinsatz zu optimieren.

Im Laufe der Untersuchungen konnte demonstriert werden, dass LiDAR-Messgeräte die Anforderungen für eine genaue Standortbewertung auch im komplexen Binnenland erfüllen. Die Herausforderung liegt darin, lokale Messergebnisse auf großräumige Gebiete zu übertragen. Die Erfahrungen aus den Untersuchungen flossen mittlerweile in die weiterentwickelte Technische Richtlinie für die Windpotenzialbestimmung der Fördergesellschaft Windenergie ein.

Projektinfo 12/2016:
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Merkzettel

Adressen

Projektleitung Windmessmast und LiDAR-Messungen
Fraunhofer IWES

Windatlas
anemos GmbH

BINE-Projektinfo 12/2016
(PDF, 4 Seiten, 316 kB)

Infotipp

Mit Windstrom das Netz stabilisieren
BINE-Projektinfo 08/2014

BINE-Fachbuch

Die neue, 6. Auflage des BINE-Fachbuchs "Nutzung der Windenergie" erscheint im 4. Quartal 2012.

Nutzung der Windenergie
Die Nutzung der Windenergie verzeichnet weiterhin rasante technologische Fortschritte. Neben den bewährten Küstenregionen haben sich immer mehr Gebiete im Binnenland als Standorte etabliert. Zunehmend mehr Windparks vor unseren Küsten nehmen den Betrieb auf.

Link

Fraunhofer IWES
Weitere Informationen zur Windmessung

Video
Ein vierminütiges Video über den Bau des Messmastes

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.