Windkraft 12.05.2006, 19:21 Uhr

Ein Laserauge für den Wind  

VDI nachrichten, Düsseldorf, 12. 5. 06, swe – Wer einen rentablen Windpark bauen will, sollte wissen, ob am geplanten Standort im Jahresverlauf tatsächlich genügend Wind weht. Bisher müssen für entsprechende Windgutachten hohe Messmasten aufgestellt werden, an denen in verschiedenen Höhen mechanische Windmesser montiert sind. In Zukunft könnte der bauliche Aufwand vielerorts entfallen. Das britische Technologieunternehmen Qinetiq hat ein mobiles Messsystem entwickelt, das mit einem Laserstrahl vom Boden aus die Windstärke in bis zu 150 m Höhe berührungslos erfassen kann.

Zephir lief in den vergangenen Monaten in ersten Praxistests an zwei Windparks in Norddeutschland. „Das System ist sehr viel versprechend“, sagt Axel Albers, Geschäftsführer der Deutschen Windguard Consulting GmbH in Varel, die einen der Tests durchführte.

Zephir ist ein Lidargerät, ein optisches Radar, das mit Hilfe des Dopplereffektes die Windfelder in einer bestimmten Höhe messen kann (s. Kasten). Die Firma Windtest aus Kaiser-Wilhelm-Koog testete Zephir in der Nähe einer 5-MW-Windkraftanlage bei Brunsbüttel. Dort steht auch ein herkömmlicher Messmast, auf dem Schalenstern-Anemometer die Windgeschwindigkeit in 30 m, 60 m, 90 m und 120 m Höhe erfassen.

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Das Lidar wurde 70 m davon entfernt aufgebaut. Die Tester programmierten es so, dass es die Winddaten in den gleichen Höhenstufen und zusätzlich auf 150 m messen konnte – um den direkten Vergleich zu ermöglichen.

„Die Messwerte des Lidars und die der Windmesser am Mast stimmen bis auf wenige Prozent überein“, sagt Detlef Kindler, Testleiter bei Windtest. Jedoch nehme die Abweichung bei mehr als 100 m Messhöhe deutlich zu. Ähnliche Erfahrungen machte auch Wind- guard bei Versuchen mit Zephir. Qinetiq will nun auf Basis der Messreihen die Auswertungssoftware nachbessern.

Der Praxiseinsatz des Lidars steht jedoch trotz der Anfangsschwierigkeiten fest. Im Herbst sollen 30 km vor der schottischen Ostküste, in der Nähe des Beatrice-Ölfeldes, erstmals zwei große Windkraftanlagen in mehr als 40 m Wassertiefe installiert werden.

Die Beatrice-Windfarm ist ein von der EU gefördertes Projekt, um Technik und Leistungsfähigkeit von Windkraftanlagen auf hoher See zu erproben. An gleicher Stelle wird auch ein Lidar installiert, um die Windverhältnisse über dem offenen Meer genau zu erfassen. Derzeit führt Windtest die entscheidenden Eignungstests mit einem Zephir auf der Offshore-Forschungsplattform Fino in der Nordsee durch.

Bei der Planung von Offshore-Windparks werden Lidargeräte als Windmesser künftig erste Wahl sein. Im tiefen Wasser einen hohen Messmast stabil zu befestigen und darauf später die Instrumente zu warten, ist aufwändig und teuer. Qinetiq entwickelt darum eine schwimmende Variante des Laser-Anemometers. Das Sea-Zephir ist auf einer Boje montiert und wird einfach am Meeresboden verankert.

Interessant ist die Lidar-Technik freilich auch an Land – vor allem, weil die Windkraftanlagen immer größer werden. Während heutige Standard-Windräder Nabenhöhen von 80 m bis 100 m haben, fassen die Hersteller bereits Anlagen mit 150 m Nabenhöhe ins Auge.

„Bei Windmessmasten ist aber bei 130 m Höhe Schluss. Höher kann man mit herkömmlichen Komponenten nicht bauen, ohne dass die Masten viel zu teuer werden“, sagt Albers. Rein von den Kosten her lohnt sich das 150 000 € teure Lidar allerdings erst ab Messhöhen über 100 m. Darunter sind herkömmliche Messmasten günstiger.

Theoretisch gäbe es noch eine alternative Messtechnik: Seit Jahren testen Windparkdesigner so genannte Sodar-Geräte. Sie nutzen ebenfalls den Doppler-Effekt, senden aber gebündelte Schallwellen statt Laserstrahlen aus.

„Ein Sodar ist deutlich billiger, aber leider viel anfälliger als ein Lidar“, sagt Albers. Vor allem bei starkem Wind werden Sodarmessungen oft fehlerhaft oder fallen ganz aus. Denn die Elektronik kann durch laute Wind- und andere Hintergrundgeräusche irritiert werden.

Die Lidar-Technik ist noch in anderer Hinsicht für die Windkraftbranche attraktiv. In luftiger Höhe auf der Maschinengondel eines Windrades montiert, können die Geräte mit ihrem Laser das Windfeld horizontal weit vor dem Rotor auf gefährliche Windsprünge hin abtasten.

„Das ist sehr interessant, weil man anrollende Windböen früher erkennen und die Anlage im voraus darauf einstellen kann, um die Spitzenlasten zu reduzieren“, sagt Helmut Resing-Wörmer, Entwickler bei Nordex in Norderstedt. Nordex testete bereits ein Qinetiq-Lidar auf einer großen Windkraftanlage – mit sehr guten Ergebnissen.

Vorerst gibt es allerdings keine Pläne für den Serieneinsatz. Die Technik ist für diesen Zweck zu teuer. „Qinetiq will eine passende Low-Cost-Version des Lidars entwickeln“, sagt Windguard-Experte Albers. „Aber bis dahin ist es noch ein weiter Weg.“ LUCIAN HAAS

 

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