Testzentren | Labore

IWES Windmessungen

© Foto Fraunhofer IWES

Der 200-m-Forschungsmessmast des Fraunhofer IWES bei Kassel ermöglicht es, das Windprofil bis in große Höhen genau zu bestimmen sowie neue Fernmesstechnologien wie LiDAR zu erproben und zu validieren.

Unser 200 Meter hoher Forschungsmessmast am Rödeser Berg in der Nähe von Kassel stellt eine in Deutschland einmalige Infrastruktur dar. Wir nutzen den Mast, um das Windprofil und die Windcharakteristik bis in große Höhen zu erforschen. Darüber hinaus bietet unser „vertikales Labor“ die Möglichkeit, Sensoren und Messtechnik bis in 200 m über Grund direkt am Mast anzubringen und zu testen. Ferner können Vergleichsmessungen und Validierungstests von Fernmesssystemen unter komplexen Strömungsbedingungen realisiert werden. Bislang wurden am 200-m-Mast verschiedenste Test- und Messkampagnen durchgeführt, u. a. mit LiDAR- und SoDAR-Windmessgeräten, LiDAR-Windscannern, Eissensoren und Fledermaussensoren.

Der 200-m-Mast befindet sich auf einer Kuppe an einem typischen bewaldeten Mittelgebirgsstandort mit folgenden Spezifikationen:

Windmessmast mit einer Messhöhe von 200 m

Umfangreiche Ausstattung:
über 20 Windsensoren verteilt auf 13 Messhöhen,
40 meteorologische Sensoren insgesamt,
darunter mehrere Ultraschallanemometer und ein Ceilometer

Hochgenaues Messsystem: IEC-konform, nach MEASNET-kalibrierte Windmessgeber

200m hoher Windmessmast - Aufbau mit Kran und Helikopter

200m Windmessmast Wolfhagen - Konstruktion durch Fraunhofer

Geräte-Pool

© Foto Fraunhofer IWES

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Mitarbeiter des Fraunhofer IWES bei der Inbetriebnahme des LiDAR-Systems: Kompakte und mobile lasergestützte Windmessung, die es ermöglicht, ohne Mast bis in 200 m Höhe über Grund die Windgeschwindigkeit zu messen.

Die lasergestützte LiDAR-Technologie (Light Detection And Ranging) stellt eine attraktive Alternative zur klassischen mastbasierten Windmessung dar. Die kompakten, transportablen Geräte lassen sich schnell und flexibel am Boden positionieren und ermöglichen Windmessungen bis in Nabenhöhe moderner Windenergieanlagen und darüber hinaus. Die Fördergesellschaft Windenergie und andere Erneuerbare Energien e.V. (FGW) hat im September 2014 die 9. Revision der Technischen Richtlinie Teil 6 „Bestimmung von Windpotenzial und Energieerträgen“ beschlossen. Damit sind u. a. Windpotenzialmessungen für die Erstellung von Windgutachten allein auf Basis von LiDAR-Messungen zulässig.

Wir betreiben mehrere mobile LiDAR-Windmessgeräte. Diese wurden bereits erfolgreich in wissenschaftlichen Messkampagnen und Auftragsmessungen u. a. für die Erstellung von Ertragsgutachten in ganz Deutschland eingesetzt wurden. Die LiDAR-Systeme bieten folgende Möglichkeiten:

  • Messung auf bis zu zehn frei wählbaren Messhöhen zwischen 40 m und 200 m auch an Standorten mit komplexen Strömungsbedingungen, z. B. in bewaldetem, hügeligem Gelände
  • Aufzeichnung der 10-Minuten-Mittelwerte von Windgeschwindigkeit und Windrichtung auf allen Messhöhen
  • Messung an entlegenen Standorten mittels Fernüberwachung und autarker Stromversorgung

Die LiDAR-Geräte werden von den Herstellern regelmäßig gewartet und werden von uns entsprechend dem aktuellen Stand von Wissenschaft und Technik eingesetzt.  Ebenfalls regelmäßig lassen wir Verifikationstests gemäß Norm-Entwurf IEC 61400-12-1 Ed2 CD von einem akkreditierten Messinstitut durchführen. Hierdurch wird die Bewertung und Reproduzierbarkeit der LiDAR-Windmessungen bei definierter Unsicherheit ermöglicht.

Optimierte Planung

Die Wahl des Messstandortes hat einen entscheidenden Einfluss auf das Messergebnis und die Bewertung der Messunsicherheit. Wir haben daher eine neue Methode entwickelt, mit der wir den optimalen LiDAR-Messstandort vorab identifizieren können. Damit lassen nicht nur Messunsicherheiten reduzieren, sondern auch viel Zeit und Planungsaufwand einsparen.

Das Verfahren: Basierend auf einer Strömungssimulation und der Berechnung von Korrekturfaktoren wird eine hochaufgelöste Karte für den Planungsbereich angefertigt. Durch die Visualisierung der LiDAR-Messfehler können dann besonders geeignete von eher ungünstigen Standorten leicht unterschieden werden. Als GIS-Layer lässt sich die Fehlerkarte zudem leicht in Planungstools wie WindPro integrieren. Hierdurch können weitere Kriterien für den Messstandort, z. B. die geplanten Standorte der Windenergieanlagen, vorhandene Zuwegungen und Lichtungen, ohne großen Aufwand mit berücksichtigt werden. Das Ergebnis: Einer oder mehrere optimale Messstandorte, werden unkompliziert identifiziert.

Basis des Verfahrens ist die Ermittlung und Anwendung von „Korrekturfaktoren“ eines konkreten Standortes für die unterschiedlichen Windrichtungen. Der Vorteil: Die Ermittlung der zu erwartenden Messfehler in der geplanten Windparkfläche erfolgt im Voraus. Auf diese Weise kann die Planung der LiDAR-Messung so konzipiert werden, dass sich ein optimaler Standort im Hinblick auf eine Reduktion der Unsicherheiten im Windgutachten ergibt.

Das Fraunhofer IWES bietet die innovative Dienstleistung LiDAR-Fehlerkarte auf Basis eigener Berechnungsverfahren an.

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LiDAR-Fehlerkarte für den Standort Rödeser Berg bei Kassel (200-m-Messmast) Rote und blaue Bereiche stehen für große messprinzipbedingte Abweichungen der LiDAR-Windmessung

Im komplexen Gelände

© Foto Fraunhofer IWES
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Der Ausbau der Windenergie im Binnenland findet insbesondere in den Mittel- und Süddeutschland oftmals an orographisch (Höhenstrukturen) „komplexen“ und bewaldeten Standorten statt. Exponierte Höhenlagen bieten in der Regel gute Windbedingungen. Die fortschreitende Erschließung von Waldstandorten ist eine Konsequenz hiervon.

Bedingt durch das Messprinzip ergeben sich für LiDAR-Windmessungen im sogenannten „komplexen Gelände“ aber zusätzliche Herausforderungen. Wir haben unsere LiDAR-Systeme bisher an unserem 200 Meter hohen Windmessmast bei Kassel sowie an verschiedenen Standorten unserer Projektpartner eingesetzt. Dabei haben wir viel Erfahrung mit der Genauigkeit aber auch mit systematischen Messfehlern gesammelt. Denn gerade hier, also im Mittelgebirge, auf Bergkuppen und im Wald, sind die Messungen durch das Messprinzip mitunter fehlerbehaftet.

Die Anwendbarkeit von LiDAR-Windmessungen im komplexen Gelände haben wir u. a. im Rahmen des vom BMWi geförderten Forschungsprojekts „Windenergienutzung im Binnenland“ intensiv untersucht. Die Messergebnisse einer Vergleichsmessung mit dem 200 Meter hohen Windmessmast und verschiedenen LiDAR-Messgeräten zeigen, dass eine Anwendung der Geräte auch an solchen Standorten sinnvoll ist.

»Die Messfehler sind geringer als zunächst erwartet und lassen sich mit Hilfe von CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) gut abschätzen. Wir können daher die Nutzung von LiDAR-Windmessungen auch an typischen Binnenlandstandorten, z. B. im bewaldeten Mittelgebirge, durchaus empfehlen« so Tobias Klaas, Projektleiter am Fraunhofer IWES. LiDAR-Windmesssysteme lassen sich demnach auch im komplexen Gelände gezielt für die Windpotenzialbestimmung einsetzen.

Zur Erstellung von Windpotenzial- und Ertragsgutachten

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Die Fördergesellschaft Windenergie und andere Erneuerbare Energien e.V. (FGW) hat im September 2014 die 9. Revision der Technischen Richtlinie Teil 6 „Bestimmung von Windpotenzial und Energieerträgen“ beschlossen.
Damit sind u. a. Windpotenzialmessungen für die Erstellung von Windgutachten allein auf Basis von LiDAR-Messungen zulässig.

Das Fraunhofer IWES betreibt einen LiDAR-Geräte-Pool, der in Forschungs- und Auftragsmessungen im gesamten Bundesgebiet eingesetzt wird.

Fraunhofer IWES betreibt seit 20 Jahren ein Messnetz zur Erfassung von Windverhältnissen an derzeit 29 Standorten in Deutschland.
Die vollautomatischen Messstationen bestehen aus Messmast, Wind-Sensoren und Datenlogger und stehen in der Regel in Hauptwindrichtung vor Windenergieanlagen oder Windparks.

  • 30 und 50 m hohe, abgespannte Rohrmastsysteme
  • Messung von Windgeschwindigkeit (10 m, 30 m und 50 m) und Windrichtung (10 m) mit kalibrierten, IEC-konformen Anemometern und Windfahnen
  • Erfassung der Messdaten mit modernen Datenloggern (Abtastrate 1 Hz; Speicherung als Fünf-Minuten-Mittelwerte, Fernzugriff via Mobilfunk)
  • Stündlicher, automatischer Online-Abfruf der Messdaten
  • Bereitstellung von historischen und Online Messdaten