Windenergienutzung im Wald Auswirkungen und Potentiale

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1 Windenergienutzung im Wald Auswirkungen und Potentiale Dipl.-Ing. (FH) Peter H. Meier, TÜV SÜD Industrie Service GmbH,

2 TÜV SÜD Industrie Service Vorstellung I TÜV SÜD Industrie Service GmbH - Wind Cert Services Typenzertifizierung Micrositing - Climatic Wind Park Zertifizierung Design Bewertung Supervision WEA Schallmessungen Abnahmeprüfungen Konformitätserklärung Produktzertifizierung Windgutachten Potentialanalysen Turbulenzgutachten Extremwindgutachten Windmessungen Schall & Schatten Fundamentprüfung Monitoring Aufbau Inspektionen Due Dilligence Vertragsprüfungen Bank`s Engineer

3 TÜV SÜD Industrie Service Vorstellung II

4 Wald weltweit Wald 33% der Landfläche > 40% Wald; h > 5 m 10% - 40% Waldfragmente Buschland, etc. Quellen:

5 Wald in Deutschland Übersicht I Waldvorkommen in Deutschland Gesamtfläche: ha Waldfläche Entspricht 31 % der Landesfläche von Deutschland Davon: 30 % Fichten 23 % Kiefern 15 % Buchen 8 % Eichen 24 % Douglasie, andere Quelle: Bundeswaldinventur 2002

6 Wald in Deutschland Übersicht II Windenergierelevante Größen durchschnittlicher Wälder: Typ Höhe [m] Tendenz Alter [a] Tendenz Wuchsdichte [1/ha] Tendenz Kronenbreite [m] Fichte Kiefer Buche Eiche Quelle: Bundeswaldinventur 2002

7 Wald in Deutschland Übersicht III Bergwald Buchenwald Kiefernwald Dichte des Waldes variert Höhe Baumbestand variert èindividuelle Betrachtung nötig! Junger Mischwald TÜV SÜD Industrie Service GmbH Peter H. Meier /Seminarreihe Go East

8 Vermessung relevanter Größen Laservermessung von: Höhen Breiten Abständen

9 Windenergienutzung im Wald - Fragen Fragestellungen: Welchen Einfluss hat der Wald auf das Windprofil? Sind höhere Nabenhöhen profitabel? Welche Turbulenzen sind über Waldgebieten zu erwarten? Sind Teil- bzw. Voll-Rodungsflächen energetisch vorteilhaft? Mit zu berücksichtigen bei Waldstandorten: Zumeist Kuppenlagen, Berglagen Saisonale Änderungen, Laubfall Borkenkäfer, Krankheiten, Rodungen, Sturmschäden

10 Windschichtung Beispiel in der Theorie I Quelle: Patton, N. The Wind in the Willows. Atmospheric Boundary Layers: Concepts, Observations, and Numerical Simulations. Les Houches Summer School 2008

11 Windschichtung Beispiel in der Theorie II Quelle: Patton, N. The Wind in the Willows. Atmospheric Boundary Layers: Concepts, Observations, and Numerical Simulations. Les Houches Summer School 2008

12 Windprofil im Wald Messung II Fallbeispiel: a) Windmessung, ohne Wald im Flachland Windmessung ist 350 hoch Insgesamt 8 Messtellen Auswertungsdauer 2 a Waldhöhe = 0 m b) Windmessung, im Wald im Mittelgebirge Windmessung ist 130 hoch Insgesamt 5 Messtellen Auswertungsdauer 6 Monate Waldhöhe = ca. 20 m

13 Windprofil im Wald Messung III 400 Messung im Flachland, ohne Wald 400 Messung im Mittelgebirge, mit Wald

14 Windprofil im Wald Messung IV - Aussagen a) Windmessung, ohne Wald im Flachland Windprofil ist über die ganze Höhe weitestgehend exponentiell stabiles Windprofil ist meist gegeben Berechenbarkeit ist gewährleistet Auch mit regulärer FGW-Windmessung kann belastbare Aussage bzgl. Profil getroffen werden b) Windmessung, im Wald im Mittelgebirge Windprofil ist im unteren Bereich kaum definierbar Oberhalb der Baumkronen befindet sich eine instabile Zone (Turbulenz) Weit oberhalb der Baumkronen weitestgehend exponentielles Windprofil Berechenbarkeit, ohne weiterführende Betrachtung nicht gewährleistet Hohe Windmessung in Nabenhöhe schafft belastbare Aussage

15 Windprofil im Wald Modellarische Umsetzung I Erhöhte Turbulenz Thermischer Einfluss des Waldes Abweichung vom logarithmischen Windprofil Strömungswiderstand des Waldes Verschiebung des Windprofils Quelle: Hui Shiu, Crockford Anthony: Wind profiles and forests: Technical University of Denmark, 2006

16 Windprofil im Wald Modellarische Umsetzung II Rauigkeitslänge Höhenverschiebung Model nach Garrat,Dolman Jarvis, Hicks Nach Raupach: Quelle: Hui Shiu, Crockford Anthony: Wind profiles and forests: Technical University of Denmark, 2006

17 Windprofil im Wald Modellarische Umsetzung III Drag Partitioning - Model nach Raupach: h D Stirnflächenindex b mittlere Kronenbreite h mittlere Baumhöhe D mittlerer Abstand zwischen 2 Bäumen b

18 Windprofil im Wald Modellarische Umsetzung IV Drag Partitioning - Model nach Raupach: Beispiel: Kiefernwald Höhe: 20 m Kronenbreite: 4 m Mittlerer Abstand: 5 m Höhenverschiebung: 17,1 m 85 % Rauigkeitslänge z 0,max : 0,86 m

19 Windprofil im Wald Modellarische Umsetzung V Reduzieren der Nabenhöhe auch an Waldrändern Höhenverschiebung bzw. Nabenhöhenred. als Hügel Sanfter Anstieg von 1:4 bis 1:5 berücksichtigt Randeffekte

20 Windprofil im Wald Modellarische Umsetzung VI Validierung durch Hiu und Crockford: Model: Raupach Default: d = 0 m; z = 0,4 m Measured: Langzeitmessung des Ris National Laboratory in einem dänischen Waldgebiet Überschätzen der Windgeschwindigkeit wird stark verringert Fehler bleiben bei hohen Nabenhöhen erhalten, werden jedoch reduziert Quelle: Hui Shiu, Crockford Anthony: Wind profiles and forests: Technical University of Denmark, 2006

21 Turbulenz über Wäldern I Turbulenz ist die Abweichung der momentanen Windgeschwindigkeit von der mittleren Windgeschwindigkeit in einem bestimmten Zeitintervall. Mit: V(t) = Windgeschwindigkeit V m = mittlere Windgeschwindigkeit U(t) = Turbulenzgeschwindigkeit Auslöser von Turbulenzen: Rauigkeit des Untergrundes Temperaturunterschiede Quelle:

22 Turbulenz über Wäldern IV Darstellung des Turbulenzfeldes H [m] Wald wird als Hindernis modelliert Zunehmende Höhe Intensität des Turbulenzfeldes L [m] Quelle: Gardiner B. Airflow over Forests and forest gaps. BWEA Tree Workshop Forestry Comission March 2004

23 Turbulenz über Wäldern - Beispiel Charakteristische Turbulenzintensität nach IEC Charakteristische Turbulenzintensität nach IEC % 35% Charakteristische Turbulenzintensität [-] 30% 25% 20% 15% 10% 5% Windgeschwindigkeit v [m/s] in Nabenhöhe Charakterist. Turbulenzintensität [-] 30% 25% 20% 15% 10% 5% Windgeschwindigkeit v [m/s] in Nabenhöhe Turbulenzklasse A Turbulenzklasse B Referenzpunkt Turbulenzklasse A Turbulenzklasse B Referenzpunkt Unbewaldeter Standort Waldstandort

24 Rodung - Fragen Fragestellungen: Welche Rodungsflächen sind notwendig? Wie lassen sich Rodungsflächen reduzieren? Sind Rodungsflächen energetisch vorteilhaft? Wie verändert Waldverlust durch Borkenkäfer, Krankheit, Sturm oder großflächige Rodung die Windpotentiale?

25 Notwendige Rodung I Fundamentfläche ca qm Montagefläche ca qm Befahrbarkeit: 6 t Achslast Stützdruck: je nach Komponente Kranfläche ca qm Befahrbarkeit: 12 t Achslast Stützdruck: N/m² Zufahrt Befahrbarkeit: 12 t Achslast

26 Notwendige Rodung III Aus Sicht des Anlagengegners (Maximalkriterien): Die Rodungsfläche je Windkraftanlage beträgt ca Quadratmeter, davon 1200 m² (25 auf 48 Meter) im Bereich des Fundaments und ca m² als Kran-Aufstellfläche. Die Montagefläche wird nach Abzug der Baumaschinen zwar wieder bepflanzt, jedoch mit einer max. Höhe von 5 m. Von dem Wald rund um den Trimm-dich-Pfad würden nur noch Restfragmente übrig bleiben. Aus Sicht der bayrischen Staatsforsten (Minimalkriterien): Die benötigte Rodungsfläche ist minimal. Die Abstandsflächen zum umliegenden Wald betragen in der Regel nur eine Baumlänge. Es entstehen kleine Freiflächen, die das Ökosystem Wald auflockern und ökologisch aufwerten.

27 Notwendige Rodung Ausweitung der Rodungsfläche Vereinfachtes Windprofil Über dem Wald 100 m innerhalb einer Lichtung 200 m innerhalb einer Lichtung Windgeschwindigkeitserhöhung nur im bodennahen Bereich Quelle: Gardiner B. Airflow over forests and forest gaps BWEA Tree Workshop Forestry Comission March 2004 Fazit: Ausweitung der Rodungsfläche bringt keinen energetischen Vorteil in Nabenhöhe

28 Potentiale im Wald Ausgedehnte Rodungen Potentialkarte 1: bewaldet Korrektur der Nabenhöhe: 15 m Rauigkeit: 0,8 m Potentialkarte 2: alle Wälder gerodet Höhenlinienkorrektur: 0 m Rauigkeit: 0,08 m (Umgebungsrauigkeit)

29 Potentiale im Wald Auswirkungen Laubabfall Potentialkarte 1: Laubwald Sommer Korrektur der Nabenhöhe: 15 m Rauigkeit: 0,8 m Potentialkarte 3: Laubwald Winter Höhenlinienkorrektur: 15 m Rauigkeit: 0,4 m (Maximalannahme)

30 Fazit Wälder bieten durch ihre Fläche und die Entfernung zu Siedlungen eine Vielzahl von Standorten Unterscheidung von Wäldern nach Wuchs und Dichte notwendig Modellierung mittels Höhenverschiebung und berechneten Rauigkeitswerten Größere Abstände von WEAzueinander im Wald, da höhere Turbulenzen entstehen Hohe Nabenhöhe wichtig: gleicht Höhenverschiebung aus schützt WEA vor starken Turbulenzen Rodung kann auf das notwendige Ausmaß beschränkt werden (E in Nabenhöhe) Laubabfall in den Wintermonaten sollte bei der Ertragsprognose berücksichtigt werden Windmessung in Walgebieten muss bestimmte Höhen abbilden können

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Site Assessment / Wind Farm Certification Peter H. Meier Tel.: +49 (0) peter-h.meier@tuev-sued.de TÜV SÜD Industrie Service GmbH Wind Cert Services Ludwig-Eckert-Strasse Regensburg (Deutschland) windenergy@tuev-sued.de