Einführung ins Windgeschwindigkeitsmonitoring für Windräder

Dies ist der erste in einer Serie von Artikeln, die ich in den folgenden Monaten für all jene veröffentlichen möchte, die mehr über Windräder und ihre Eigenheiten erfahren wollen. Ich beginne mit Klein-Windrädern und den absoluten Grundlagen und erhöhe dann Stück für Stück Komplexität und technisches Niveau rund um die Windstandortbegutachtung, wie sie das täglich' Brot eines jeden Windenergiegutachters sind.

In diesen Artikeln versuche ich, die typischsten Fragen zusammenzutragen, die wir täglich von unseren Endanwendern gestellt bekommen, nicht jedoch, um Dienste eines professionellen Windenergiegutachters zu ersetzen.

Wer sich überlegt, ein Klein-Windrad an seinem Eigenheim oder auf seinem Bauernhof zu installieren, der sollte eine ganze Reihe von Punkten beachten, die sich jedoch in drei Schlüsselpunkte komprimieren lassen:

• Windradhöhe
• Windradausrichtung
• Windradgröße

 Windradhöhe

Ganz simpel: Je höher der Windradmast desto besser. Denn je höher desto weniger Hindernisse stehen dem Wind im Weg, desto weniger Windturbulenzen treten auf und desto höher die erreichten Windgeschwindigkeiten.

(Authentische Daten von Seiten Logic Energy Ltd)

Obenstehend ein Vergleich zwischen zwei Anemometern am selben Windmast – eines auf 40 Metern, das andere auf 30 Metern Höhe. Das 40m-Anemometer misst eine um 1m/s höhere Durchschnittswindgeschwindigkeit als das Gegenstück auf 30m.

Windradausrichtung

„Location, location, location!“ Ähnlich wie beim Immobilienmarkt ist dieser Aspekt einer der wichtigsten, wenn man die Installation eines Windrads erwägt. Zwar mag der Standort insgesamt schön windig sein, doch ein spezifischer Standpunkt könnte z.B. von lauter hohen Bäumen oder Häusern umgeben sein – und wenn erst ein paar Kilometer entfernt! Das kann unerwünschte Auswirkungen in puncto Windturbulenzaufkommen und also effektiver Windgeschwindigkeit haben.

Wie oben zu sehen, sorgen mehr Höhe und eine korrekte Ausrichtung des Windrads für eine konstantere Windströmung mit weniger Turbulenzen.

Windradgröße

Stellen Sie sich die Segel eines Schiffs vor: Je größer sie sind, desto mehr Wind können sie „auffangen“ und in Fortbewegungsenergie umwandeln. Windräder sind da nicht wesentlich anders: je größer die Rotorblätter, umso mehr Wind wird genutzt.

Natürlich gibt es diverse technische Kniffe, um die Effizienz von Windrädern zusätzlich zu steigern, jedoch gilt diese Faustregel unbenommen.

Was hinzukommt und auch mit der Ausrichtung zusammenhängt, sind unerwünschte Auswirkungen von zu unstetem Wind, starken Turbulenzen oder gar von zu hoher Windgeschwindigkeit: Hier haben kleinere Windräder wiederum einen Vorteil, denn sie sind weniger empfindlich gegen diese Effekte.

Haben Sie genügend Windmessdaten zusammen, wird es jedem Windgutachter oder entsprechenden Beratungsstellen ein Leichtes sein, Ihnen hierzu im Nu passende Hinweise zu geben.

Die Planung Ihres Windgeschwindigkeitsmonitorings

Haben Sie sich diese drei Faustregeln hinter die Ohren geschrieben, können Sie nun nach dem „perfekten“ Standort zur Installation Ihres Windrads Ausschau halten. Dazu müssen Sie zunächst über einen möglichst langen Zeitraum hinweg genaue Windmessdaten von Ihrem Standort-Kandidaten erheben. Das lässt sich auf unterschiedliche Weise angehen, doch empfohlen ist die Verwendung eines professionellen Windloggers, der nicht bloß Winddaten aufzeichnet sondern anhand dieser auch Echtzeit-Kalkulationen durchführt, um so alle relevanten Informationen für den Gutachter zusammenzustellen.

Ein paar Dinge, mit denen Sie sich vertraut machen sollten:

• Durchschnitts- und Höchstgeschwindigkeit sowie die Standardabweichung: Die Messung erfolgt üblicherweise alle 10 Minuten.
  • Durchschnitt: Hierbei handelt es sich um den Mittelwert der innerhalb des zurückliegenden 10-Minuten-Intervalls aufgetretenen Windgeschwindigkeiten – meist in Metern pro Sekunde [m/s] angegeben.
  • Maximum: die höchste im zurückliegenden 10-Minuten-Intervall gemessene Windgeschwindigkeit
  • Standardabweichung: gibt Hinweis auf das Turbulenzaufkommen während des zurückliegenden 10-Minuten-Intervalls. Wichtig ist sicherzustellen, dass „das Windrad mit dem Wind arbeitet statt gegen ihn“.
• Windrichtung: Wichtig ist zu wissen, aus welcher Richtung der Wind die meiste Zeit weht und mit welcher Geschwindigkeit.
• MET-Mast oder Windmast: Profis verwenden einen solchen, um Anemometer und andere Windsensoren daran zu montieren. Solche Masten müssen vibrationsfrei sein und dürfen nicht schwanken, da das sonst die Messwerte verfälschen würde. Gewöhnlich sind an einem Windmast mehrere Sensoren auf unterschiedlichen Höhen montiert, um ein noch genaueres Bild von den Windverhältnissen am Standort zu erhalten. Faktoren wie Rauigkeitslänge und Windscherung wie auch Temperatur und Luftdruck spielen eine nicht unwesentliche Rolle.
• Windscherung: Berechnet sich aus auf unterschiedlicher Höhe gemessenen Windgeschwindigkeiten. Durch die Messung in unterschiedlichen Höhen erhalten wir Aufschluss über das Turbulenzaufkommen sowie die lokale Geschwindigkeitszunahme pro Höhe. Die so gewonnenen Daten kommen häufig für Hochrechnungen von Windgeschwindigkeiten auf solcher Windradhöhe zum Einsatz, auf der sich das Messgerät nicht direkt anbringen lässt. Des weiteren liefern Messungen auf unterschiedlicher Höhe Erkenntnisse über mögliche alternative Windrad-Konfigurationen, die sich anbieten könnten.

(Beispiel von Durchschnitts- und Höchstwindgeschwindigkeit sowie Standardabweichung beim LeSENSE– bereitgestellt von Logic Energy Ltd)

Windmonitoring Q&A

• „Über welchen Zeitraum hinweg sollte ich die Winddaten aufzeichnen?“
  • Um eine wohlinformierte Entscheidung zu treffen, benötigen Sie mehrere Monate an Daten. Empfohlen sind mindestens 6 Monate, idealerweise ein ganzes Jahr.
• „Die Daten sind alle im Kasten. Was nun tun damit?“
• Idealerweise sollte nun ein Windenergiefachmann ran. Vor allem, falls die Windgeschwindigkeiten und der Standort weiterhin vielversprechend erscheinen.
• Schicken Sie die Daten an den Windradanbieter Ihrer Wahl. Dort wird man Ihnen sicherlich gerne weitergehende Auskunft zur voraussichtlichen Energieausbeute an Ihrem Windradstandort geben.
• Berechnen Sie die Durchschnittswindgeschwindigkeit. So erhalten Sie eine grobe Vorstellung vom Windkraftpotenzial Ihres Windradstandorts.
  • Allgemein beginnen Standorte für Klein-Windräder aus privater Finanzierung ab über 4m/s interessant zu sein.
  • Bei einer Bankenfinanzierung sind hier allerdings eher erst Windgeschwindigkeiten ab über 6m/s rentabel.
• Berechnen Sie die Frequenzverteilung. Indem Sie die unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten sektionsweise ausbreiten, erhalten Sie ein genaueres Bild vom Windprofil des Standorts.
  • Wissen Sie erst, wie viele Stunden der Wind mit welcher Geschwindigkeit geblasen hat (gewöhnlich in Abstufungen bzw. Bins von 1m/s), so können Sie diese Werte mit den vom Windradanbieter ausgegebenen Leistungskurvendaten multiplizieren. Die Summe daraus wiederum stellt die Energie dar, die jenes spezifische Windradmodell am Standort Ihrer Wahl voraussichtlich erzeugt hätte.
• Sollten Sie gar nicht weiterkommen, kontaktieren Sie uns bitte, und wir vermitteln Ihnen gerne einen Spezialisten.

(Frequensverteilungsdiagramm von LeSENSE – bereitgestellt von Logic Energy Ltd)

Equipment

• Anemometer: sollten samt rückführbarem Eichzertifikat geeicht sein. Die Genauigkeit sollte 1% bzw. 0,1m/s übertreffen. Der Einsatz mindestens zweier Anemometer ist stets angeraten.
• Wetterfahne: idealerweise mind. 1° Genauigkeit
• Windlogger bzw. -monitoringsystem:
  • sollte in der Lage zur Datenprotokollierung sein. Mindestens folgende Windgeschwindigkeitsparameter:
    • Durchschnitts- u. Höchstgeschwindigkeit sowie Standardabweichung
  • Windrichtung
  • Nützlich auch die Messung von Temperatur und/oder Luftdruck sowie Luftfeuchtigkeit.
  • Zusätzliche Kanäle für weitere Anemometer oder andere Sensoren können nicht schaden.
  • Stromversorgung des Windloggers bzw. Windmonitoringsystems:
    • Über kurze Zeiträume hinweg ist der Betrieb mittels Alkali-Batterien okay, solange Sie die Daten auch in regelmäßiger Häufigkeit abfragen.
    • Andernfalls sei dringend empfohlen, die Daten per Fernsteuerung abzurufen (also via GSM oder GPRS) und das Gerät mittels eines Photovoltaik-Kit zu betreiben.

 Allgemeinere Fragen u. Antworten

„Wozu brauche ich einen Windlogger bzw. Windmessungsdaten überhaupt?“

Wer sich zum Kauf eines Windrads entscheidet ohne das genaue Windprofil des dafür vorgesehenen Standorts zu kennen, der spielt gewissermaßen Lotto. Schon Abweichungen in der Windgeschwindigkeit von nur 0,4m/s können sich bei einer Laufzeit von 20-25 Jahren in mehreren 10.000 Euros niederschlagen! Für Windenergiegutachter und die Banken sind das alles keine Geheimnisse – bloß solide Messdaten und ein bisschen Mathe.

„Ich habe meinen Standort mit einer Online-Winddatenbank verglichen und eine gute/schlechte Bewertung der Jahresdurchschnittswindgeschwindigkeit erhalten. Kann ich meine Entscheidung danach fällen?“

Das sollten Sie lieber nicht! Die optimale individuelle Positionierung eines Windrads wird massiv von dessen Umgebung beeinflusst. Hinter einer augescheinlichen guten Standortwertung in einer Online-Winddatenbank kann sich ein punktuell sehr günstig gelegener Messpunkt verbergen (z.B. am Ende eines sehr hohen Masts), und hinter einer augescheinlich schlechten Wertung ein ungeschickt gewählter Messpunkt (z.B. umgeben von hohen Bäumen oder Bauwerken).

„Was verbirgt sich hinter hochtrabenden Begriffen wie 'Weibull-Verteilung' usw.?“

Wer eine Durchschnittswindgeschwindigkeit und das Windprofil eines Standorts zur Hand hat, der kann mittels des Weibull-Verteilungsalgorithmus längerfristige Vorhersagen treffen. Vorausetzung dafür ist die Berechnung eines konstanten Parameters anhand der gewonnenen Messdaten.

Beispiel anhand eines Klein-Windrads

Schauen wir uns dieses Diagramm zu jeweils ein und demselben Standort an. Der eine Teil zeigt eine Windwahrscheinlichkeit auf Basis der Weibull-Verteilung mit k=2 an (entsprechend der allgemeinen Annahme in der Branche). Der andere zeigt das Windaufkommen auf Basis tatsächlich per LeNETmobile Winddatenmonitor gemessener Werte an. Beide Methoden kommen auf eine Durchschnittswindgeschwindigkeit von 3,5m/s.

Das obenstehende Diagramm zeigt auf der waagrechten Achse die Windgeschwindigkeit in Metern pro Sekunde und auf der senkrechten Achse die Windwahrscheinlichkeit an. Im Falle der tatsächlich gemessenen Daten gibt es hingegen keine Wahrscheinlichkeitswerte – bloß harte Fakten!

Die Hochrechnung sagt 12% Wahrscheinlichkeit für Windgeschwindigkeiten von 6m/s voraus. Die echten Messdaten zeigen jedoch lediglich ein Aufkommen von 6,5% auf! Das klingt zunächst nach einer schlechten Neuigkeit, doch schauen Sie sich mal das obere Ende der Skala an: 10m/s, 12m/s, … Das sind solche Windgeschwindigkeiten, bei denen die meisten Windräder mit optimaler Effizienz laufen!

„So weit so schön. Doch wie wirkt sich das nun auf die tatsächliche Energiegewinnung aus?“

Suchen wir für beide Varianten (echte Messdaten versus Weibull-Verteilung) diejenigen Daten zur Verteilung von Windgeschwindigkeit auf Stundenzahl heraus. Legen wir diese Daten mit der charakteristischen Leistungskurve von Seiten des Windradanbieters zusammen, so kommen wir zu stark unterschiedlichen Resultaten:

Echte Messdaten: 1.492kWh in einem Monat.

Schätzung mittels Weibull-Verteilung: 1.086kWh in einem Monat.

Erkennen Sie den Unterschied zwischen echten Messdaten und mathematischer Hochrechnung? Und in diesem Beispiel wäre man ja positiv von den Realdaten überrascht worden, da die Schätzungen darunter lagen. Doch was, wenn die Schätzungen mal zu positiv sind? Es wird hieran wohl sehr deutlich, wie wichtig es ist, echte Messdaten zur Verfügung zu haben, sodass man zu einer verlässlicheren Bewertung des Standortpotenzials kommt, ehe man sein Geld darin investiert.

„Aber… 1.500kWh im Monat sind ja nun nicht gerade viel, oder?“

Nun, das hängt wesentlich von der Größe des Windrads und der verfügbaren Windmenge am Standort ab. Diese Studie bezieht sich auf ein sehr kleines Windradmodell.