ÜBERARBEITUNG DER LAI-HINWEISE Frequenzselektive Berechnung der atmospärischen Dämpfung

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1 ÜBERARBEITUNG DER LAI-HINWEISE Frequenzselektive Berechnung der atmospärischen Dämpfung

2 ZUSAMMENFASSUNG Besonderheiten von Windenergieanlagen (WEA) bedingen spezielle Anpassungen an das allgemeine Immissionsschutzrecht, die in Deutschland von Bundesland zu Bundesland im Detail unterschiedlich ausfallen. Gemeinsamer Nenner sind die Hinweise zum Schallimmissionsschutz bei Windenergieanlagen ( LAI-Hinweise ) der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft für Immissionsschutz (LAI). Die Revision dieser Hinweise (Stand der Entwurfsversion ) beinhaltet Fallunterscheidungen und eindeutige Festlegungen, die eine deutliche Verringerung von Interpretationsspielräumen bewirken und damit zur Verbesserung der Immissionsschutzsicherheit beitragen. Sachdienlich sind insbesondere fachlich begründete Klarstellungen zu Impulshaltigkeit und Infraschall. Die Einhaltung von Schallimmissionsschutzauflagen lässt sich bei WEA in der Regel nicht oder nur sehr eingeschränkt durch Immissionsmessungen belegen. Die Genauigkeit von Schallausbreitungsrechnungen ist daher von besonderer Bedeutung. Wie in einem vorangegangenen Artikel [1] bereits beschrieben, verweist der vorliegende Entwurf der überarbeiteten LAI-Hinweise auf die Dokumentation zur Schallausbreitung Interimsverfahren zur Prognose der Geräuschimmissionen von Windkraftanlagen. Anlass für die Änderung des empfohlenen Ausbreitungsmodells waren Messergebnisse eines Forschungsvorhabens, das jedoch nur für eine Quellenhöhe durchgeführt wurde und nicht den WEA-immissionsrelevanten Betrieb mit maximalem Schallleistungspegel abdeckt. Da die Datengrundlage zunächst für eine Änderung des Ausbreitungsmodells nicht als ausreichend erachtet wurde, wurden weitere Messkampagnen von Schleswig-Holstein, LEE und BWE veranlasst. Bis zur Auswertung und Beurteilung der Ergebnisse durch die Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft für Immissionsschutz wurde bisher von einer Veröffentlichung des vorbereiteten Entwurfes abgesehen. Zwischenzeitlich liegen den Fachgremien nun Auswertungen aus diesen weiteren Messkampagnen vor. In ihrer 134. Sitzung am 05. und 06. September 2017 beschloss die Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft, den Ländern die Anwendung der Hinweise zum Schallimmissionsschutz bei Windkraftanlagen mit Stand zu empfehlen, was in manchen Bundesländern auch bereits per Erlass umgesetzt wird. Seite 2

3 In [1] wurden die Auswirkungen der Anwendung des Interimsverfahrens auf die Ergebnisse von Schallausbreitungsberechnungen betrachtet. Eine weitere Änderung im Entwurf der LAI-Hinweise betrifft die Berechnung der Dämpfung aufgrund von Luftabsorption (A atm ), auf die im Folgenden näher eingegangen wird. FREQUENZABHÄNGIGKEIT DER LUFTABSORPTION Nach dem vorliegenden Entwurf der LAI-Hinweise ist die atmosphärische Dämpfung (A atm ) frequenzselektiv zu berechnen. Im Gegensatz zu Vorgaben zum Bodenmeteorologieeffekt ist die frequenzselektive A atm -Berechnung kein Novum des Interimsverfahrens. Aus Praktikabilitätsgründen wurde bisher jedoch vielfach die Option der DIN ISO genutzt, für die Dämpfung aufgrund von Luftabsorption den Wert bei 500 Hz zu verwenden. Der Unterschied zwischen dem 500 Hz-Ansatz und der frequenzselektiven Berechnung ist von der Entfernung und vom individuellen Quellspektrum abhängig. Zur besseren Einschätzung des Einflusses des Quellspektrums auf eine Ausbreitungsberechnung wurde in einer kurzen Parameterstudie die Dämpfung durch Luftabsorption für vier Beispielspektren betrachtet. Abb. 1 zeigt die betrachteten Spektren und die errechnete Differenz zwischen der Dämpfung aufgrund von Luftabsorption für den Wert bei 500 Hz und der frequenzselektiv ermittelten Luftdämpfung. Das Beispielspektrum WEA 1 NRW-Forschung wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens zur Schallausbreitung hoher WEA [3] im modifizierten Betrieb ermittelt. Anders als die meisten Spektren aktueller WEA-Typen weist dieses Spektrum große Anteile im Frequenzbereich unter 500 Hz auf. Die Beispielspektren 1 und 2 stammen aus Messberichten, die beide zum gleichen WEA-Typ vorliegen. Das Spektrum LAI-Hinweise soll gemäß dem UL DEWI vorliegenden Entwurf für WEA der Vorbelastung verwendet werden, falls für den betrachteten Anlagentyp keine messtechnisch ermittelten Oktavbanddaten vorliegen. Ein negativer Wert in dem Diagramm bedeutet, dass die Verwendung der Luftdämpfung für den Wert bei 500 Hz zu einem konservativeren Ergebnis führen würde. Das mit Vorbelastung WEA >1MW bezeichnete Spektrum verdeutlicht, dass die frequenzabhängig berechnete Luftabsorption verglichen mit dem Spektrum LAI-Hinweise auch erheblich höhere Werte erreichen kann. In einer Entfernung von ca m wurde in der Parameterstudie frequenzselektiv eine bis zu 2 db höhere Dämpfung aufgrund von Luftabsorption errechnet. Erst in großer Entfernung, in der die hohen Frequenzen einen immer geringeren Anteil am resultierenden Spektrum haben, erreicht A Atm, 500Hz - A Atm, Oktav positive Werte. Ansonsten führt die Berechnung anhand des 500 Hz-Wertes in der Regel zu konservativeren Werten als die frequenzselektive Berechnung, 2 A atm 500Hz A atm Oktav 1 Dämpfungsdifferenz / db WEA-1 NRW-Forschung gleicher WEA-Typ Bsp. 1 gleicher WEA-Typ Bsp. 2 Sp. LAI-Hinweise Vorbelastungs WEA >1MW WEA-1 NRW-Forschung gleicher WEA-Typ Bsp gleicher WEA-Typ Bsp. 2 Sp. LAI-Hinweise Vorbelastungs WEA >1MW Frequenz / Hz Entfernung / m Pegel / db(a) Abb. 1: Unterschiede der frequenzselektiven Berechnung der Luftabsorption zum 500Hz-Ansatz für verschiedene Spektren Seite 3

4 Eine Ausnahme bildet das im NRW-Forschungsvorhaben gemessene Spektrum WEA1. Als einziges der untersuchten WEA-Spektren führt es bereits ab ca. 400 m im Vergleich zum 500 Hz-Ansatz zu kleineren A atm Werten. Bei diesem Ausnahmespektrum errechnet die frequenzselektive Schallausbreitungsrechnung in 1500 m Entfernung ca. 0.5 db(a) höhere Immissionen. VARIATION DER VERMESSENEN SPEKTREN ZU EINEM ANLAGENTYP Ist ein WEA-Typ mehrfach vermessen, so erhält man in der Regel unterschiedliche Spektren. Abb. 2 zeigt als Beispiele die Oktavbandspektren von aktuellen Anlagentypen mit Rotordurchmesser von ca. 120 m aus UL DEWI vorliegenden Messberichtsauszügen. Zum Vergleich ist dort auch das Referenzspek- 1,00 100,0 Dämpfungsdifferenz / db 0,50 0,00 0,50 1,00 1,50 Messung 1 Messung 2 Messung 3 LAI-Referenzspektrum Pegel /db(a) 95,0 90,0 85,0 80,0 75, Frequenz / Hz 2,00 2,50 A atm, 500Hz -A atm, Oktav 3, Entfernung / m 1, Dämpfungsdifferenz / db 0,50 0,00 0,50 Pegel /db(a) Messung 1 Messung 2 Messung 3 LAI Referenzspektrum Frequenz / Hz 1,00 A atm, 500Hz -A atm, Oktav 1, Entfernung / m Abb. 2: Oktavbandspektren des WEA-Typs Beispiel 1 (oben) und Beispiel 2 (unten) mit Rotordurchmesser von ca. 120 m, LAI-Referenzspektrum skaliert auf den mittleren Schallleistungspegel aus jeweils drei Messberichten. Dämpfungsdifferenz zwischen 500Hz-Ansatz und frequenzselektiver Berechnung der Luftdämpfung für die dargestellten Spektren, für eine Nabenhöhe von 150 m. Seite 4

5 trum aus dem Entwurf der LAI-Hinweise dargestellt. Die Werte wurden so skaliert, dass sich als Summenpegel jeweils der Mittelwert der drei berücksichtigten Messberichte ergibt. Es sei an dieser Stelle jedoch darauf hingewiesen, dass das Referenzspektrum zur Abschätzung der Immissionen der Vorbelastung vorgesehen ist, für die Zusatzbelastung sollten gemessene Werte oder im Falle unvermessener Anlagentypen Herstellerangaben herangezogen werden. Trägt man zu allen verfügbaren Spektren eines Anlagentyps die Differenz zwischen 500 Hz-Ansatz und frequenzselektiver Berechnung der Luftdämpfung über den relevanten Entfernungsbereich auf, so kann man anhand des resultierenden Diagramms den Einfluss der verschiedenen Spektren auf die Ausbreitungsberechnung einschätzen. Diese Form der Darstellung hat gegenüber der Darstellung der reinen Aatm Werte den Vorteil, dass sich auch die Ungenauigkeit der Berechnung im Falle von kurzen Abschätzungen auf Basis des 500 Hz-Ansatzes darin ablesen lässt. Für den Anlagentyp Beispiel 1 zeigt das Diagramm, dass die berechneten Immissionspegel je nach Spektrum und Entfernung um bis zu 0.4 db voneinander abweichen können. Eine Berechnung anhand des LAI-Referenz-Spektrums würde die Immissionswerte für diesen Anlagentyp in einer Entfernung von 1000 m um ca db überschätzen. Eine Abschätzung anhand des 500 Hz-Ansatzes würde in dieser Entfernung zu Abweichungen 2dB führen. Für den Anlagentyp Beispiel 2 führen zwei der gemessenen Spektren zu konservativeren Werten, als dies bei Verwendung des LAI-Referenzspektrums der Fall wäre. Die Unterschiede zwischen den Luftdämpfungswerten der verschiedenen Spektren fallen mit bis zu 0.7 db etwas größer aus, als bei dem anderen betrachteten Anlagentyp. NACHWEISMESSUNGEN Wie sind die Ergebnisse einer Nachweismessung zu beurteilen, wenn die Oktavbandpegel aus der Nachweismessung teilweise unterhalb der in der Prognose berücksichtigten Werte liegen und teilweise oberhalb? Welche Auswirkungen ein verändertes Spektrum auf die resultierenden Immissionspegel hat, lässt sich nicht direkt erkennen. Daher sieht der Entwurf der LAI-Hinweise im Falle von Nachweismessungen eine erneute Berechnung der Schallimmissionen vor. Zur kurzfristigen Einschätzung könnte alternativ jedoch auch eine Beurteilung der Differenz der Werte von Aatm des Prognosespektrums und Aatm des Nachweisspektrums dienen. Im Beispiel in Abb. 3 nehmen wir an, dass als Prognosespektrum die Werte aus Messung 2 der Beispielanlage 1 aus Abb. 2 (oben) verwendet wurden, und sich bei der Nachweismessung das Spektrum der Messung 3 ergibt. Anhand der Differenzen kann man direkt erkennen, dass das Spektrum der Messung 3 nur im Entfernungsbereich < 300 m zu höheren Werten führt, die Differenz ist mit <0.1 db nicht signifikant. In größeren Entfernungen ist die Dämpfung höher. Sofern auch 0,2 Differenz A atm Prognose A atm Nachweis 0,1 0,0 Differenz / db 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0, Entfernung /m Abb. 3: Differenz der Luftdämpfungswerte zweier Spektren Seite 5

6 der gemessene Schallleistungspegel innerhalb der zulässigen Grenzen liegt, könnte somit über diese Messung der erforderliche Nachweis zur Einhaltung der Immissionswerte geführt werden. AUSBLICK Schallleistungspegelgarantien der WEA-Hersteller beziehen sich in der Regel nur auf den A-bewerteten Summenpegel der WEA, nicht jedoch auf einzelne Oktavbandpegel. Unterschiede in den Oktavspektren führen entfernungsabhängig zu Unterschieden in den berechneten Immissionspegeln. Zwar fällt die Variation aufgrund unterschiedlicher Oktavbanddaten bei den hier betrachteten Beispiel-WEA-Typen mit ca. 1 db gering aus, dennoch ist Sorgfalt bei der Auswahl der im Rahmen der Prognose verwendeten Oktavbanddaten anzuraten, um im Falle von Nachweismessungen auf der sicheren Seite zu liegen. LITERATUR [1] S. Schulz, J. Gabriel, Überarbeitung der LAI-Hinweise, DEWI-Magazin 49, August 2016 [2] Dokumentation zur Schallausbreitung. Interimsverfahren zur Prognose der Geräuschimmissionen von Windkraftanlagen. Fassung Beuth-Verlag [3] Engelen, J., Piorr, D., (2015): Messtechnische Untersuchung der Schallausbreitung hoher Windenergieanlagen, Lärmbekämpfung Bd.10 (2015) Nr.6 [4] DIN ISO , Dämpfung des Schalls bei der Ausbreitung im Freien; Teil 2: Allgemeines Berechnungsverfahren, Oktober For further information please contact: SABINE.SCHULZ@UL.COM Phone : UL DEWI, Oldenburg (Germany) UL LLC. All rights reserved. This white paper may not be copied or distributed without permission. It is provided for general information purposes only and is not intended to convey legal or other professional advice. Seite 6