"Zeitlicher Zusammenhang von Schadenshäufigkeit und Windgeschwindigkeit"

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1 22. FGW-Workshop am 06. Mai 1997 "Einfluß der Witterung auf Windenergieanlagen" am Institut für Meteorologie, Leipzig Dipl.-Ing. Berthold Hahn, Institut für Solare Energieversorgungstechnik e.v., Kassel "Zeitlicher Zusammenhang von Schadenshäufigkeit und Windgeschwindigkeit" statistische Auswertungen der WMEP-Datenbasis 1. Datenerfassung des WMEP, Datengrundlage 2. Jahresgang witterungsabhängiger äußerer Störungsursachen 3. Langfristiger Einfluß der Windverhältnisse 4. Windgeschwindigkeiten bei Schadenseintritt 5. Fazit

2 1. Datenerfassung des WMEP, Datengrundlage Das "Wissenschaftliche Meß- und Evaluierungsprogramm" (WMEP), Begleitmaßnahme zur "250 MW - Wind" - Fördermaßnahme des BMBF, beobachtet zur Zeit über 1500 Windkraftanlagen in Deutschland. Die ersten dieser Anlagen wurden 1989 in das Programm aufgenommen, Ende 1995 lief die Antragsfrist zur Teilnahme am Förderprogramm aus, seit 1996 werden nur noch wenige Anträge bewilligt. Die Betreiber der geförderten Anlagen sind u.a. verpflichtet, über sämtliche Wartungs- und lnstandsetzungsarbeiten an ihren Anlagen zu berichten. Dazu gehören Angaben zu Störungsursachen, Störungsauswirkungen, beschädigten Baugruppen, Zeitpunkt des Schadenseintritts, Dauer des etwaigen Stillstands und Kosten. Zusätzlich zu diesen schriftlichen Informationen werden an ungefähr einem Zehntel der Anlagen Wind- und Leistungsmessungen durchgeführt, deren Ergebnisse täglich über Telefonleitung vom ISET abgefragt, verarbeitet und archiviert werden. Insgesamt gingen im Lauf der Jahre am ISET über Wartungs- und lnstandsetzungsberichte ein, von denen sich rund nicht auf regelmäßige oder geplante Wartungsarbeiten beziehen. Die vorliegenden Auswertungen beruhen sowohl auf den Angaben der Betreiber zu den Störfällen als auch auf den gemessenen Windgeschwindigkeiten. 2. Jahresgang witterungsabhängiger äußerer Störungsursachen Die Häufigkeit der durch witterungsabhängige äußere Störungen verursachten Schäden weist einen deutlichen Jahresgang auf. So werden Stillstandzeiten aufgrund von Eisansatz von Windenergieanlagen in den Wintermonaten gemeldet, wobei in einzelnen Fällen von Standorten im Gebirge solche Ausfallzeiten auch noch im Mai eintreten. Blitzschläge treten dagegen sehr viel häufiger in den Sommermonaten auf. Der weitaus größte Anteil von Schäden aufgrund dieser äußeren Störungsursachen wird durch Stürme verursacht, die naturgemäß gehäuft während der stürmischen Herbst- und Frühjahrsmonate auftreten. Insgesamt ergibt sich daher ein Jahresgang der Schadenshäufigkeiten aufgrund witterungsabhängiger Störungen mit einem signifikanten Anstieg im Winterhalbjahr. Schon aus diesen Abhängigkeiten kann ein zeitlicher Zusammenhang von hohen Windgeschwindigkeiten mit erhöhten Schadenshäufigkeiten erwartet werden.

3 3. Langfristiger Einfluß der Windverhältnisse Die Windverhältnisse an den in Deutschland verteilten Standorten unterscheiden sich zum Teil erheblich. Nicht nur die mittlere Jahreswindgeschwindigkeit und die meteorologischen Größen wie Temperatur und Dichte nehmen verschiedene Werte an, sondern auch die Schwankungen von Windgeschwindigkeit und -richtung beaufschlagen die Windkraftanlagen mit ganz unterschiedlichen Belastungen. Es könnte daher erwartet werden, daß beispielsweise Windkraftanlagen im Mittelgebirge bei niedrigeren Windgeschwindigkeiten und höheren Turbulenzen auf lange Sicht andere Schadenshäufigkeiten aufweisen als Anlagen im Küstenbereich bei höheren, aber auch gleichmäßigeren Windgeschwindigkeiten. Die in der Datenzentrale im ISET eintreffenden Meßwerte werden automatisch einigen Plausibilisierungen und prinzipiellen Auswertungen unterzogen. Unter anderem werden die täglichen Mittelwerte der Windgeschwindigkeit und der Turbulenzintensität gebildet. Die Darstellung der Störungsmeldungen pro Betriebsjahr und Anlage über der am jeweiligen Standort gemessenen mittleren Windgeschwindigkeit zeigt zum heutigen Zeitpunkt aber (noch) keinen signifikanten Zusammenhang. Dasselbe Resultat ergibt sich für die Darstellung über der am Standort gemessenen Turbulenzintensität.

4 Für die folgenden Auswertungen kann daher angenommen werden, daß die bei höheren Windgeschwindigkeiten aufgetretenen Schäden nicht durch die Häufung von Teilschädigungen aufgrund der am Standort prinzipiell höheren Belastungen verursacht wurden. Die Störungen wurden durch aktuelle hohe Windgeschwindigkeiten ausgelöst.

5 4. Windgeschwindigkeiten bei Schadenseintritt Eine Darstellung der an den WMEP-Meßstandorten festgestellten Schadenshäufigkeit über der an den Tagen der Schadenseintritte gemessenen Windgeschwindigkeit zeigt zunächst, daß die Schäden mit ähnlichen Häufigkeiten eintreten wie die Windklassen. Die Verteilung könnte mit einer Weibull-Verteilung angeglichen werden, wie sie ähnlich auch für die Darstellung der Windverhältnisse Verwendung findet. Der genauere Vergleich mit der Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeiten aller MEP-Meßstandorte ergibt aber eindeutige Unterschiede. So treten unterhalb der Windgeschwindigkeiten von etwa 2 m/s (in 10 m Höhe) nur noch sehr wenige Störungen auf, während diese Windgeschwindigkeiten anteilmäßig viel häufiger auftreten. Bei diesen niedrigen Windgeschwindigkeiten sind die meisten Anlagen nicht am Netz. Bei hohen Tagesmittelwerten der Windgeschwindigkeit (ab 9 m/s), welche anteilmäßig eher seltener gemessen werden, treten Schäden dagegen relativ häufiger auf. In absoluten Zahlen gemessen treten also aufgrund der größeren Häufigkeit die meisten Schäden bei mittleren Windgeschwindigkeiten auf. Für die etwa 200 Windenergieanlagen an WMEP-Meßstandorten zeigt sich aber eine deutliche Zunahme der relativen Schadenshäufigkeit bei höheren Windgeschwindigkeiten.

6 Um die Basis dieser Auswertungen zu vergrößern wurden im nächsten Schritt die Schadensmeldungen aller MEP-Anlagen einbezogen. Zur Gegenüberstellung wurde dabei der am Tag des Schadenseintritts gemessene Tagesmittelwert aller WMEP- Meßstationen herangezogen. Durch dieser Mittelung ergibt sich zwar ein Ausgleich bzw. ein Verschmieren vorhandener Trends, dennoch zeigt sich auch bei dieser Darstellung ein ähnlicher Sachverhalt wie für die Meßstandorte allein. Die stärkste Abhängigkeit ihrer Schadenshäufigkeit von der Windgeschwindigkeit zeigen dabei die Komponenten der Elektrik. Während an diesen Bauteilen an Tagen mit mittlerer Windgeschwindigkeit (10 m Höhe) um 4 m/s etwa zwei Schäden am Tag eintreten, steigt diese Häufigkeit auf knapp vier Schäden täglich bei über 10 m/s mittlerer Tageswindgeschwindigkeit. Bei Tagesmittelwerten dieser Größenordnung, wiederum als Mittelung über alle Windmessungen des WMEP, kann davon ausgegangen werden, daß ein Großteil der Windenergieanlagen einen sehr großen Teil des Tages mit Nennleistung gearbeitet hat. Seltenere, aber lange Perioden unter Nennleistung führen offenbar bei einigen Komponenten der Elektrik zum Ausfall und zum Abschalten der Windenergieanlage.

7 Die Abhängigkeit der Schadenshäufigkeit von der Windgeschwindigkeit ist bei den anderen Hauptkomponenten grundsätzlich ebenfalls vorhanden, allerdings deutlich schwächer ausgeprägt. Dabei muß zunächst ungeklärt bleiben, inwieweit Z.B. an diesen anderen Bauteilen Teilschädigungen eintreten, die zum Zeitpunkt der hohem Windgeschwindigkeiten noch nicht bemerkt werden.

8 5. Fazit Es handelt sich mit diesen Auswertungen um einen Überblick über den zu untersuchenden Zusammenhang. Eine Abhängigkeit der Schadenshäufigkeit von der aktuellen VVindgeschwindigkeit ist offenbar vorhanden. Bei sehr hohen Tageswindgeschwindigkeiten treten (unter Berücksichtigung der geringen Auftretenswahrscheilichkeit) dreimal häufiger Schäden ein als bei niedrigen Windgeschwindigkeiten. Ein Einfluß der langfristigen Windverhältnisse, also der mittleren Windgeschwindigkeiten und der Turbulenzen am Standort, kann dagegen als Ursache für spätere Schäden bislang noch nicht festgestellt werden. Offen bleibt, welche einzelnen Bauteile der Elektrik bei längerem Nennleistungsbetrieb ausfallen, und ob die hohen Windgeschwindigkeiten und Leistungen alleinige Auslöser sind. Generator und Stromrichter sind nicht allein Ursache für häufigere Ausfälle der Elektrik bei hohen Windgeschwindigkeiten und elektrischen Leistungen Die Darstellungen spiegeln allein Abhängigkeit der Schadenshäufigkeit von der Windgeschwindigkeit wider. Sie beinhalten keine Aussage zur Schwere der Schäden.