Höhenprofile Messung und Modellierung. Waldeinfluss

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1 Höhenprofile Messung und Modellierung Waldeinfluss Dr. Gabriela Ohl anemos-jacob GmbH Oldershausener Hauptstraße Oldershausen

2 Themen: Höhenprofil Messtechnik Modellierung Waldeinfluss 2

3 Höhenprofil Höhenprofile Messmast- und Sodarmessung 3

4 Höhenprofil Höhenprofil und Höhenexponent Höhenexponent: Dimensionslose Zahl, die das Verhältnis zwischen den Windgeschwindigkeiten in zwei verschiedenen Höhen charakterisiert: α = ln (v 1 /v 2 ) / ln (h 1 /h 2 ) Je größer α, desto größer ist die Steigerung der Windgeschwindigkeit mit der Höhe. 4

5 Höhenprofil Höhenprofil und Höhenexponent α 5

6 Höhenprofil Höhenprofile in Europa Gemessenes α : Nordeuropa ca. < 0,2 > 0,5 Mitteleuropa ca. 0,2 0,3 Südeuropa ca. 0,1 Oberes und unteres Ende wird von WAsP nicht erfasst. Auf Freiflächen und Kuppen eher niedrigeres, in Wald und flachem Gelände höheres α. 6

7 Messtechnik Messmast Möglichst viele Messhöhen in äquidistanten Abständen Masteinfluss beachten Kalibrierte Messgeräte mit gleichem Messverhalten Masttop Überströmung beachten Sodar, Lidar Viele Messhöhen in meist äquidistanten Abständen Kurzzeitmessungen möglich, je nach Mess-Strategie 7

8 Germany - development

9 Messtechnik Höhe über Grund (m) Masteinfluss beachten! Mehr Messhöhen! Differenzierte Auswertung! Höhenexponent 9

10 Germany - development

11 Messtechnik Höhe über Grund (m) Messhöhen mit je 2 Anemometern: Welches Höhenprofil? mittlere Windgeschwindigkeit (m/s) 11

12 Modellierung Wie gut passt die Berechnung zur Messung? waldreiches Flachland berechnet gemessen Kuppe in bewaldetem Mittelgebirge berechnet gemessen Kuppe in offener Hügellandschaft berechnet gemessen Höhe (m) Höhe (m) Höhe (m) Windgeschwindigkeit (m/s) Windgeschwindigkeit (m/s) Windgeschwindigkeit (m/s) Die hier gezeigten Profile sind als Beispiele zu verstehen, die absoluten Werte variieren von Standort zu Standort 12

13 Modellierung Inkonsistenz des WAsP-Höhenprofils Höhe über Grund (m) alpha aus WAsP-Berechnung Höhenexponent alpha 13

14 Modellierung Höhe über Grund (m) gemessen Alle Informationen aus der Messung verwenden! (Gilt entsprechend bei mehreren Masten am Standort) Modellrechnung anpassen! 20 extrapoliert mittlere Windgeschwindigkeit (m/s) 14

15 Modellierung Häufigkeitsverteilung 15

16 Modellierung Häufigkeitsverteilung 16

17 Modellierung Berechnete / tatsächliche Häufigkeitsverteilung Folge: falscher Energieinhalt bei richtig berechneter mittlerer Windgeschwindigkeit 17

18 Modellierung Berechnete / tatsächliche Häufigkeitsverteilung relative Häufigkeit in 98 m Höhe gemessen WAsP-Berechnung aus der Messung in 9 m Höhe WAsP-Berechnung aus der Messung in 98 m Höhe Windgeschwindigkeit (m/s) Die Häufigkeitsverteilung wird in der Höhe mit WAsP häufig zu flach berechnet 18

19 Modellierung Folge: Fehler bei Vergleichen zwischen Anlagentypen Leistung (kw) Enercon E-70 / 2.3 MW NEG Micon NM 82/ Windgeschwindigkeit (m/s) 19

20 Modellierung Berechnungsfehler hängt vom Anlagentyp ab Berechnungsfehler (%) aus 98 m Höhe berechnete Verteilung Enercon E-70 / 2.3 MW NEG Micon NM 82/1500 aus 9 m Höhe berechnete Verteilung 20

21 Germany - development

22 Waldeinfluss Der Wald als Rauigkeitselement Viele neu geplante Standorte in der Nähe von Waldgebieten Beispiele für die Erfassung des Waldes durch die Rechenmodelle und Auswirkung auf die Berechnungsergebnisse 22

23 Waldeinfluss Beispiel 1 Windmessung vor und hinter einem Waldstück, gesehen in Hauptwindrichtung Sanft ansteigendes Gelände 23

24 Waldeinfluss Beispiel 1 2 Messmaste Differenz in 50 m Höhe (an Mast 1 mehr Wind als an Mast 2): Realität: 0,6 m/s Berechnung WAsP: 0,3 m/s Berechnung CFD: tendenziell höhere Differenz als WAsP 24

25 Waldeinfluss Beispiele 2 und 3 Sanft geformtes, fast flaches, teilweise leicht ansteigendes Gelände WKAs auf Freiflächen, an Waldrändern und zum Teil auch im Wald 25

26 Waldeinfluss Beispiel 2 10 baugleiche Anlagen 90 m Nabenhöhe 76 m Rotordurchmesser Relativ niedrige Bäume, ca. 15 m Abweichung der Berechnung von den realen Erträgen: - 7 % bis + 11 % 26

27 Waldeinfluss Beispiel 3 16 baugleiche Anlagen 100 m Nabenhöhe 77 m Rotordurchmesser Bäume ca. 15 bis 20 m Abweichung der Berechnung von den realen Erträgen: - 6 % bis + 7 % 27

28 Nicht nur Waldeinfluss Orografie Beispiel Ertragsdifferenz berechnet: 4 % real: 17 % 28

29 Waldeinfluss Die Rauigkeit im Gesamtbild der Berechnung Meist Einfluss im Prozentbereich Größter Einfluss der Rauigkeit in flachem Gelände Je strukturierter das Gelände, desto schwieriger die Vorhersage In hügeligem Gelände komplexe Zusammenhänge zwischen Orografie und Rauigkeit 29

30 Waldeinfluss Schlussfolgerungen Hoher Einfluss von Wald auf die Berechnungsergebnisse der Energieerträge, auch bei großer Nabenhöhe Der Waldeinfluss wird von den Rechenmodellen noch nicht korrekt erfasst Energieerträge von WKA auf Freiflächen und in Waldnähe / im Wald können mit derselben Methode nicht gleichzeitig reproduziert werden 30

31 Schlussfolgerungen Internationaler Konsens: Es gibt noch keine Berechnungsmodelle, bei denen nachgewiesen wurde, dass sie die Windströmung in komplexem Gelände zuverlässig beschreiben. Es gibt nicht einmal ausreichend Messdaten, um Berechnungsmodelle in diesen Situationen validieren zu können. 1) Der quantitative Einfluss von Wald auf die Windströmung ist noch weitgehend unbekannt. 1) 1) European Wind Energy Technology Platform (TP Wind): Strategic Research Agenda, Annex B: State-of-the-art and current insufficiencies 31

32 Schlussfolgerungen Beim Vergleich von Messmastposition bzw. bestehenden Anlagen und geplanten Standorten unbedingt auch deren Rauigkeitsunterschiede beachten Die verwendeten Programme sind eine unverzichtbare Hilfe. Die Ergebnisse können jedoch nicht einfach übernommen werden, sondern müssen geprüft und standortabhängig adjustiert, begutachtet werden! 32

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