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Windkraft und Flugsicherheit: Neue Prognose-Methode kommt zum Einsatz

Ab 1. Juni 2020 stellt eine bessere Berechnungsformel die Abschätzung von möglichen Störungen auf eine wissenschaftliche Basis

13.05.2020

Seit acht Jahren erforschen Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), wie sich Störungen von Windkraftanlagen auf Einrichtungen der Flugsicherung verlässlich und realistisch abschätzen lassen. Die wissenschaftliche Aufgabe war messtechnisch komplex und das Vorgehen weltweit einmalig. Nun fließen die ermittelten Erkenntnisse in eine neue Prognose-Methode ein, welche in Zukunft die Zulassung von neuen Windenergieanlagen auf eine naturwissenschaftlich solide Basis stellt. Unterstützt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI), dem Bundesaufsichtsamt für Flugsicherung (BAF) und der DFS Deutsche Flugsicherung GmbH soll die neue Berechnungsformel ab dem 1. Juni 2020 angewandt werden.

Ein mit Messtechnik ausgestatteter Oktokopter erfasst Messdaten in verschiedenen Höhen und Entfernungen rund um eine Windkraftanlage. Foto: PTB

Dass Windenergieanlagen nur in einem Mindestabstand zu Drehfunkfeuern gebaut werden dürfen, hat einen guten Grund. Denn Drehfunkfeuer unterstützen die Navigation von Flugzeugen und arbeiten mit elektromagnetischen Signalen. Durch hohe Bauwerke, wie z. B. Windenergieanlagen können diese elektromagnetischen Signale gestört werden. Um die Stärke einer solchen Störung schon in der Planungsphase einer Windkraftanlage abzuschätzen, wurde bisher mit Hilfe einer mathematischen Näherungsformel gerechnet. Doch Berechnungen und Messungen der PTB zeigen, dass dadurch der Einfluss der Windkraftanlagen im Mittel aller Anlagen – und das kann individuell durchaus unterschiedlich sein – etwa um den Faktor 2 überschätzt wird.

In Zeiten der Energiewende, in denen intensiv nach bebaubaren Flächen gesucht wird, konkurrieren Flugnavigationsanlagen und neue Windparks zunehmend um geeignete Standorte wie z. B. Höhenlagen. Zahlreiche Genehmigungsverfahren sind in der Vergangenheit an der bisher geltenden Prüfung bis zu einem Abstand von 15 Kilometern (Anlagenschutzbereich) gescheitert. „Es war wichtig hier eine Lösung zu finden, die sowohl die Belange der Flugsicherung wahrt als auch den weiteren Ausbau der Windenergie ermöglicht“, erläutert Dr. Thorsten Schrader, Wissenschaftler an der PTB und Leiter der beiden Projekte WERAN und WERAN plus.

Um dieses Ziel zu erreichen, haben PTB-Wissenschaftler mit ihren Projektpartnern sowohl die wissenschaftlichen Grundlagen des bisherigen Bewertungsverfahrens überprüft als auch eine neue Prognosemethode entwickelt. Im Fokus standen dabei sogenannte DVOR-Navigationsanlagen (Doppler Very High Frequency Omnidirectional Radio Range), von denen es knapp 40 in Deutschland gibt. Um das gesamte elektromagnetische Feld rund um Navigations- und Windanlagen zu prüfen, haben die Wissenschaftler Drohnen mit Präzisionsnavigation entwickelt, deren acht Rotoren einen stationären Schwebeflug ermöglichen, um Vor-Ort-Messungen in bis zu mehreren hundert Metern Höhe durchzuführen. Mit speziell dafür entwickelter Hochfrequenzmesstechnik und integrierten Antennen konnte so erfasst werden, wie sich die DVOR-Funksignale ausbreiten, wie sie an den Windrädern reflektiert und gestreut werden und wie sich die reflektierten Signale mit den direkten Signalen der DVOR überlagern und zu einem Winkelfehler führen.

Vorannahmen und reale Messdaten von einzelnen Windenergieanlagen wurden dann mit einer umfassenden Vollwellensimulation am Großrechner der Universität Hannover verglichen. Hier konnte der durch Windenergieanlagen verursachte Winkelfehler auch für große Szenarien mit zahlreichen Windenergieanlagen simuliert werden. Am Ende steht nun eine einfach zu handhabende Methode zur Prognose des Winkelfehlers bei DVOR zur Verfügung, die durch drohnenbasierte Vor-Ort-Messungen sowie die numerischen Vollwellensimulationen validiert ist. Momentan konzentrieren sich die Forschungsarbeiten auf die konventionellen Drehfunkfeuer (CVOR). Aktuell besteht die Möglichkeit zur Teilnahme an einem Ringvergleich bzgl. der Störwirkung von Windkraftanlagen auf DVOR-Signale. Dabei sind Institutionen, die sich ebenfalls mit dieser Thematik beschäftigen, aufgefordert, die Forschungsergebnisse von WERAN plus nachzuvollziehen. Die Ergebnisse werden dann im Anschluss miteinander verglichen.

Die hier beschriebenen Ergebnisse wurden in den Projekten WERAN und WERAN plus erzielt, die vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wurden und an denen neben der PTB noch folgende Partner beteiligt waren: Leibniz Universität Hannover, FCS Flight Calibration Services GmbH, die Jade Hochschule Wilhelmshaven, das Institut Computational Mathematics der TU Braunschweig und die steep GmbH.

Ansprechpartner

Dr. Thorsten Schrader, bis April 2020 Leiter des PTB-Fachbereichs 2.2 „Hochfrequenz und Felder“, jetzt Leiter der Abteilung Mechanik und Akustik

E-Mail: thorsten.schrader@ptb.de, Telefon: (0531) 592 1010