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Genaue Messungen als Grundlage für die Genehmigung von Windenergieanlagen

PTB verbessert Verfahren, um den Einfluss von Windrädern auf Navigationseinrichtungen der Luftfahrt deutlich genauer zu bestimmen

27.11.2019

Wer Windenergieanlagen errichten will, muss zahlreiche Genehmigungsschritte durchlaufen. Unter anderem muss geprüft werden, ob die Anlagen einen störenden Einfluss auf am Boden befindliche Navigationseinrichtungen der Luftfahrt haben. Begleitet durch die Deutsche Flugsicherung GmbH und das Bundesaufsichtsamt für Flugsicherung haben Wissenschaftler der PTB mit ihren Partnern im Projekt WERAN plus das bisherige Bewertungsverfahren umfassend geprüft und überarbeitet, mit dem Ziel, klare wissenschaftlich und juristisch belastbare Prognosen für die Störwirkung geplanter Windenergieanlagen zu erhalten. Es ist damit weltweit erstmals gelungen messtechnisch aufzuzeigen, wie, in welchem Maße und unter welchen Bedingungen Windenergieanlagen Einfluss auf die Arbeit von Flug-Navigationsanlagen haben. Diese Erkenntnisse machen ein Prognosewerkzeug möglich, das bei hunderten im „Genehmigungsstau“ steckenden Bauanträgen für eine schnellere Entscheidung sorgen könnte.

Die fliegende Messplattform der PTB vor einer Windenergieanlage (Foto: PTB)

Rund 60 Navigationsanlagen (sogenannte Drehfunkfeuer) betreibt die Deutsche Flugsicherung am Boden. Vergleichbar mit Leuchttürmen weisen sie Flugzeugen den Kurs und sorgen so für Sicherheit im Luftraum. Windenergieanlagen können das von Navigationsanlagen ausgehende UKW-Funksignal streuen und reflektieren und somit einen Winkelfehler erzeugen. Durch ihn kommt das Signal der Navigationsanlage leicht verfälscht im Flugzeug an. Einer Umfrage der Fachagentur Windenergie zufolge konnten im 2. Quartal 2019 mehr als 1000 Windenergieanlagen mit einer Gesamtleistung von 4800 Megawatt nicht realisiert werden, weil sie zu nah an einer Navigationsanlage stehen und ihnen daher ein möglicher Einfluss auf das Drehfunkfeuer entgegengehalten wird.

Um die Störwirkung realistisch einzuschätzen, haben PTB-Forscher 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.

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.

Die gute Übereinstimmung von Vor-Ort-Messungen in Windparks, den Vollwellensimulationen sowie den Ergebnissen der verbesserten Prognosetools stellt einen neuen Stand der Technik dar, der so bisher nicht verfügbar war.

Am Ende steht nun eine einfach zu handhabende Methode zur Prognose des Winkelfehlers zur Verfügung, die nicht mehr wie bisher die Einzelfehler summiert, sondern die einzelnen Wellen überlagert und daraus den resultierenden Winkelfehler bestimmt. Der letzte noch ausstehende Schritt ist die Überführung des neuen Stands der Technik in die Praxis.

Die 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 diese Partner beteiligt sind: Leibniz Universität Hannover, FCS Flight Calibration Services GmbH, die Jade Hochschule Wilhelmshaven, das Institut Computational Mathematics der TU Braunschweig und steep GmbH. if/ptb

Ansprechpartner

Dr. Thorsten Schrader, Leiter des PTB-Fachbereichs 2.2 „Hochfrequenz und Felder“ E-Mail: thorsten.schrader@ptb.de, Telefon: (0531) 592 2200