FVT-F241 Koblenz, den

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Nadine Hertz
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1 FVT-F241 Koblenz, den Expertise über die elektromagnetischen Emissionen von Schiffsradaranlagen in den NOK- Schleusen Kiel-Holtenau sowie den daraus resultierenden elektromagnetischen Immissionen im Umfeld der Schleusen Erstellt im Auftrag der Planungsgruppe für den Ausbau des Nord-Ostsee-Kanals. 1. Leistungsklassen von Schiffsradaranlagen in den Schleusen des NOK Die auf Sport- und Freizeitbooten, auf Seeschiffen für die Küstenschifffahrt und auf Binnenschiffen eingesetzten Radargeräte benutzen ausschließlich den Betriebsfrequenzbereich 9,3 bis 9,5 GHz (X-Band). Maßgeblich hierfür ist der Umstand, dass die Radarantennen bei gleicher azimutaler Bündelbreite mit Betriebsfrequenzen im X-Band um den Faktor 3 kleiner sein können als mit Betriebsfrequenzen im S-Band (2,9 bis 3,1 GHz). Elektromagnetische Wellen mit Frequenzen um 3 GHz besitzen hingegen ein besseres Durchdringungsvermögen von Regen. Unter anderem deshalb müssen große, seegehende Schiffe der IMO-Kategorie sowohl mit X-Band- als auch mit S-Band- Radaranlagen ausgerüstet sein. Die nachfolgende Tabelle 1 gibt einen Überblick über die charakteristischen Kenngrößen von Schiffsradaranlagen. Tabelle1: Charakteristika von Radaranlagen verschiedener Schiffstypen (Quelle: IMO) Schiffstyp Schiffe der IMO-Kategorie Binnenschiffe Sportboote Frequenzband 2900 MHz bis 3100 MHz 5470 MHz bis 5650 MHz 8850 MHz bis 9000 MHz, 9380 MHz bis 9440 MHz 9380 MHz bis 9475 MHz 9200 MHz bis 9500 MHz Antenne Halbwertsbreite horizontal ,6 0,75 2,3 0,95 1,8 6,2 vertikal Seitenkeulendämpfung innerhalb ± 10 db > außerhalb ± 10 db > Gewinn db Rotationsrate min Transmitter Sendeleistung (Peak) kw ,5 10 Pulsdauer µs 0,05 1,2 0,07 1,5 0,03 1,2 0,05, 0,18, 0,5 0,08 1,2 Pulswiederholrate Hz In Tabelle 1, die zur Zeit von der IMO aktualisiert wird, ist eine maximale Sendepulsleistung von 75 kw enthalten. Derart hohe Sendepulsleistungen sind zwischenzeitlich überholt, denn bereits seit etwa 20 Jahren kann auf Grund der geringeren Rauschfaktoren moderner Empfänger die Sendeleistung bei gleicher Systemleistung auf weniger als die Hälfte reduziert werden. Seither sind auf Schiffen der IMO-Kategorie Sendepulsleistungen von maximal 25 kw im X- Band und 30 kw im S-Band üblich. Während der Fahrt auf dem NOK wird an den Schiffsradaranlagen nicht der größte Entfernungsbereich von 96 nm, sondern ein Entfernungsbereich unter 3 nm eingestellt. Geräteintern wird dann automatisch eine kürzere Sendeimpulsdauer (0,07 oder 0,15 µs ) eingestellt (vgl. Tabelle 2). Im Sinne der Vorsorge werden in den nachfolgenden Betrachtungen trotzdem die höchste Sendepulsleistung von 75 kw und die höchste Sendepulsdauer von 1,2 µs angenommen (worst case). Radarexpertise zum Schleusenbereich Kiel-Holtenau Seite - 1 von 5

2 Tabelle 2: Tastgrade der Pulssender von Schiffsradaranlagen der IMO Kategorie Typische Sendeparameter einer Schiffsradaranlage der IMO Kategorie Tastgrad (Spitzenleistung / Mittlere Leistung) Entfernungsbereich in nm t P in µs 0,07 0,15 0,3 0,5 0,7 1,2 PRF in Hz , , , , , Die 26. BimSchV [1] enthält für Pulsradaranlagen, zu denen auch Schiffsradaranlagen gehören, Vorsorge- Grenzwerte sowohl für die gemittelten Werte der elektromagnetischen Emission als auch für die Effektivwerte während des Sendeimpulses. Dabei liegt der Grenzwert für die Pulsleistung beim 1000-fachen der mittleren Leistung. Wie aus den in Tabelle 2 aufgelisteten typischen Sendeparametern einer Schiffsradaranlage der IMO Kategorie hervorgeht, liegen die Tastgrade ((Pulsdauer + Pausendauer) /Pulsdauer) in allen Betriebszuständen über 1000 (von 1389 bis 4762), weswegen alle Mittelwerte der Sendeleistung unter einem Tausendstel der Pulsleistung liegen. Da in den Entfernungen, in denen die Vorsorge- Grenzwerte der Pulsleistungs- Flussdichte nicht überschritten werden, die Schwellenwerte der mittleren Leistungsflussdichte nicht erreicht werden, genügt es, in den folgenden Überlegungen nur noch die Pulsleistungen zu betrachten. 2. Elektromagnetische Pulsleistungs- Flussdichte in der Umgebung einer Schiffsradaranlage Zur rechnerischen Ermittlung der Pulsleistungs- Flussdichte PFD P in der Umgebung einer Radaranlage wird von einer isotrop strahlenden Antenne (Kugelstrahler) ausgegangen, die mit einer um den Gewinn der Radarantenne höheren Leistung (EIRP, Equivalent Isotropic Radiated Power) gespeist wird und deren elektromagnetisches Feld die gleiche entfernungsabhängige Pulsleistungs- Flussdichte aufweist wie sie in der Hauptkeule der Radarantenne auftritt. Die EIRP der beiden betrachteten Schiffsradaranlagen mit Sendeleistungen von 75 kw und 25 kw liegt bei einem Antennengewinn von 28 db um den Faktor 10 2,8 höher. EIRP 75 = 75 kw * 10 2,8 bzw. EIRP 25 = 25 kw * 10 2,8. Radarexpertise zum Schleusenbereich Kiel-Holtenau Seite - 2 von 5

3 In Bild 1 sind die Pulsleistungs- Flussdichten PFD P in der näheren Umgebung von Schiffsradaranlagen mit 75 kw und mit 25 kw Pulsleistung dargestellt. Pulsleistungs-Flussdichte PFDp in der Umgebung einer Schiffsradaranlage Pulsleistungs-Flussdichte PFDp in W/m² W/m², Grenzwert nach der 26. BimSchV Pp = 75 kw Pp = 25 kw Abstand von der Radarantenne in m Bild 1: Elektromagnetische Pulsleistungs-Flussdichte in Abhängigkeit von der Entfernung von der Radarantenne bei Sendepulsleistungen von 75 kw und 25 kw, Nahbereich bis 50 m Entfernung 3. Vergleich der Pulsleistungs- Flussdichte mit dem Grenzwert der 26. BimSchV Aus den Anforderungen der 26. BimSchV [1] ergibt sich für Pulsleistungen ein Grenzwert der Pulsleistungs- Flussdichte PFD P von W/m². Wie aus Bild 1 hervorgeht, wird dieser Grenzwert in Entfernungen ab etwa 25 m (25-kW- Radaranlage) bzw. 40 m (75-kW-Radaranlage) von der Radarantenne unterschritten. Dies gilt für Standorte in einer Horizontalebene in Höhe der Radarantenne. An Standorten ober- oder unterhalb der Antennenhöhe hängt die Pulsleistungs- Flussdichte von der vertikalen Antennencharakteristik ab und ist immer geringer als in Höhe der Antenne. 4. Vergleich der Pulsenergiewerte mit den Schwellenwerten der Strahlenschutzkommission [2] für eine Ganzkörper Immission. Die Empfehlungen der Strahlenschutzkommission [2] gehen in Anhang A 1.2 davon aus, dass Pulsenergien unter 20 mj/kg innerhalb eines Pulses nicht zu athermischen Wirkungen führen. Die Berechnung der Pulsenergie während der Ganzkörper-Immission einer Person (1,80 m groß, 75 kg schwer, bestrahlte Fläche etwa 1 m²) an einem Ort, an dem der Pulsleistungs- Flussdichte- Grenzwert PFD P = W/m² auftritt, liefert einen Wert von E p = 12 mj. E p = PFD P * t P * A = W/m² * 1,2 µs * 1m² = 12 mj. Pro kg Körpergewicht ergibt dies eine spezifische Pulsenergie von 0,16 mj/kg, also unter einem Hundertstel des Schwellenwerts von 20 mj/kg. Radarexpertise zum Schleusenbereich Kiel-Holtenau Seite - 3 von 5

4 5. Immissionen im Parkgelände und im Bebauungsgebiet nördlich der NOK- Schleusen Kiel-Holtenau, ausgehend von den Emissionen von einer oder von zwei Schiffsradaranlage(n) in der kleinen (nördlichen) NOK- Schleuse Nördlich der nördlichen Kammer der kleinen NOK-Schleuse befindet sich ein Parkgelände. Die Entfernung bis zur Radarantenne auf einem Schiff in der nördlichen Schleusenkammer beträgt mindestens ca 140 m, bis zur Bebauung hinter dem Parkgelände sind es etwa 180 m. Wie aus Bild 2 zu entnehmen ist, liegen die Pulsleistungs- Flussdichten PFD P - in 140 m Entfernung bei 768 W/m² (75 kw-radar) bzw 256 W/m² (25 kw-radar) und - in 180 m Entfernung bei 465 W/m² (75 kw-radar) bzw 155 W/m² (25 kw Radar) und somit unter einem Tausendstel des Grenzwerts von W/m². Auf Grund der Abmessungen der kleinen Schleusenkammern kann davon ausgegangen werden, dass Schiffe mit einer 75-kW-Radaranlage die Schleuse nicht benutzen. Pulsleistungs-Flussdichte PFDp in der Umgebung einer Schiffsradaranlage Pulsleistungs-Flussdichte PFDp in W/m² W/m², 10% des Grenzwerts der 26. BimSchV Pp = 75 kw Pp = 25 kw Entfernung von der Radarantenne in m Bild 2 Elektromagnetische Pulsleistungs-Flussdichte in Abhängigkeit von der Entfernung von der Radarantenne bei Sendepulsleistungen von 75 kw und 25 kw, Entfernungen bis 500 m Wenn sich zwei oder mehr Schiffe mit Radar in der Schleuse befinden, wird sich lediglich der Mittelwert der Leistungs- Flussdichte vergrößern. Die Pulsleistungs- Flussdichte PFD P wird sich nicht ändern, weil die zeitliche Abfolge der Sendepulse der einzelnen Radaranlagen stark dekorreliert sind. Aus Bild 2 können die zu erwartenden Leistungs- Flussdichten an bis zu 500 m von der Radarantenne entfernten Orten abgelesen werden. Radarexpertise zum Schleusenbereich Kiel-Holtenau Seite - 4 von 5

5 6. Bezugsdokumente [1] 26. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verordnung über elektromagnetische Felder BImSchV) vom [2] Grenzwerte und Vorsorgemaßnahmen zum Schutz der Bevölkerung vor elektromagnetischen Feldern Empfehlungen der Strahlenschutzkommission, gebilligt in der 174. Sitzung der Strahlenschutzkommission am 13. / 14. September Verwendete Abkürzungen Abkürzung Größe Einheit E p Pulsenergie J = Ws = Nm PFD P Pulsleistungs-Flussdichte W/m² PRF Pulswiederholrate Hz t P Pulsdauer µs A Fläche m² m Masse kg Aufgestellt: Hermann Haberkamp Dipl.- Ing. Radarexpertise zum Schleusenbereich Kiel-Holtenau Seite - 5 von 5

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