Enveco Steinfurt G m b H & C o. K G

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1 Enveco Steinfurt G m b H & C o. K G Energie und Umwelt Anhang 2 Untersuchung potenzieller Flächen zur Windenregienutzung auf dem Gebiet der Stadt Siegen in Nordrhein-Westfalen im Rahmen der Flächennutzungsplanung Im Auftrag von: Stadt Siegen Fachbereich 1/1 Stadtentwicklung Rathaus Weidenau Siegen Kontakt: Frau Schumacher, Herr Hartmann Von: Enveco Steinfurt GmbH & Co.KG Münsterkamp Steinfurt Projektnr.: 9366 Berichtsnr.: 1 Berichtsdatum:

2 Inhalt 1. Aufgabenstellung Windtechnische Einordnung des Untersuchungsgebietes Vorgehensweise Übersichtsplan relevanter Windanlagen Berechnungen zu Windpotenzial und Energieertrag am Beispielstandort Breitenbach Ergebnis Literatur Anhang 1. Leistungskurve der Fuhrländer FL kw Anhang 2. Leistungskurve der Enercon E82 2,0 MW Anhang 3. Urkunde der Akkreditierung Seite 2 von 21

3 1. Aufgabenstellung Die Stadt Siegen beabsichtigt, auf ihrem Gebiet neue Vorrangflächen für die Windkraftnutzung auszuweisen. Dazu werden von den Fachabteilungen der Stadt Siegen potenzielle Eignungsbereiche erarbeitet (z.b. unter Ausschluss von bebauten Flächen, Verkehrsflächen), bei denen es in Folge sinnvoll erscheint, sie auf ihre Windhöffigkeit zu untersuchen. Es soll untersucht werden, ob auf den geplanten Flächen aus heutiger Sicht ein wirtschaftlicher Betrieb von Windkraftanlagen möglich wäre. Im Energieeinspeisegesetz (EEG) gilt ab 7/2005 eine Untergrenze im Ertrag von 60%, bezogen auf den spezifischen Referenzertrag einer Windanlage, um überhaupt einen Anspruch auf Einspeisevergütung zu haben. Dies ist zumindest ein Richtwert für den wirtschaftlichen Betrieb, da die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit ansonsten sehr situationsabhängig ist, sehr individuell von möglichen Betreibern gesehen wird und zudem erheblich mehr Information voraussetzt als in dieser Planung ermittelt und berücksichtigt werden können. Zu diesem Zweck wird das Windpotenzial der jeweiligen Flächen sowie der zu erwartende Jahresertrag marktgängiger Windkraftanlagentypen durch Berechnungen und vor allem durch eine vergleichende Bewertung vor Ort beurteilt. Es wird grundsätzlich angestrebt, in einer Konzentrationszone wenigstens 3 Windanlagen platzieren zu können, da diese Stückzahl ein Kriterium für eine Konzentrationszone darstellt. Für die verbliebenen Flächen wird eine mögliche Konfiguration für die Anlagengröße 2-3 MW erarbeitet. Es ist nicht Aufgabe dieser Untersuchung, einzelne Flächen konkret zu projektieren und Windgutachten bzw. sogenannte Prüfberichte zu erstellen. Insbesondere aufgrund des komplexen Geländes kann jede Fläche für sich betrachtet letztendlich einen erheblichen Aufwand erfordern, wenn beispielsweise eine hochwertige Windmessung über einen längeren Zeitraum durchgeführt werden muss. Seite 3 von 21

4 2. Windtechnische Einordnung des Untersuchungsgebietes Bei dem Stadtgebiet von Siegen handelt es sich um eine Mittelgebirgslandschaft, die zudem neben den bebauten Flächen weitgehend bewaldet ist. Die komplexe Geländestruktur und die hohen Oberflächenrauigkeiten schränken die Möglichkeiten für die Windenergienutzung etwa gegenüber typischen Standorten im norddeutschen Flachland stark ein. Das bedeutet, dass im Gegensatz zum Flachland große Unterschiede in der Windhöffigkeit auftreten. Unterschiedliche Windverhältnisse sind zudem schon bei geringen horizontalen Distanzen anzutreffen. Die Erfahrungen zeigen, dass in einem derartigen Gelände die exponierte Lage, sowohl absolut (Höhe NN) als auch relativ (in Bezug zur nächsten Umgebung) die erste Voraussetzung für eine mögliche Windenergienutzung darstellt. Grundsätzlich kann für eine Region wie etwa das Sauer- und Siegerland festgehalten werden, dass nur an exponierten Standorten ausreichende Windverhältnisse herrschen können. Schlecht exponierte Standorte sind in der Regel auch nicht durch große Nabenhöhen auszugleichen. Grundsätzlich ist die Zahl der sehr guten Standorte sehr gering. Häufig ist bei einer Kuppenlage nur Raum für eine Windanlage, so dass bei einer Gruppe von Anlagen (Windpark) die übrigen Anlagen zwangsläufig tiefer stehen. In der Regel sind die Hochlagen der Region bewaldet. Auch für Freiflächen und sturmbedingte Lichtungen gilt meist, dass sich im Nahbereich durchaus Wald befindet. Aufgrund der Hinderniswirkung des Waldes sowie der häufig nicht maximal möglichen Exposition ist die Verwendung von vergleichsweise geringen Nabenhöhen auszuschließen, so dass bei derzeit gängigen Anlagengrößen der 2-3 MW-Klasse von m Nabenhöhe ausgegangen werden muss und die größere der möglichen Varianten häufig die bessere Wahl darstellen wird. Auch bei den guten Mittelgebirgsstandorten reichen die Erträge nicht an die Standorte von Regionen wie dem Haarstrang oder der Paderborner Hochebene heran. Die komplexen Geländeverhältnisse und die stark auf engem Raum variierenden Windverhältnisse führen zudem zu deutlich erschwerten Bedingungen in Bezug auf die Berechnung der Windverhältnisse bei gleichzeitig deutlich erhöhten Unsicherheiten der Berechnungen. Seite 4 von 21

5 3. Vorgehensweise Das Stadtgebiet wurde zunächst bereist, um einen Überblick zu gewinnen und Kriterien für die Flächenauswahl aus windtechnischer Sicht zu entwickeln. Dazu wurden auch die Windanlagen des Bestands in Breitenbach und Meiswinkel aufgenommen. Für die Findung der potenziellen Flächen wurde zunächst aus windtechnischer Sicht eine Minimalhöhe von 350 m NN angesetzt. Diese Höhe liegt bereits 110 m unter der Standorthöhe Breitenbach mit 460 m NN. Für den Standort Breitenbach wurde eine Auswertung der Betriebsergebnisse mit anschließender Berechnung des Windregimes durchgeführt, so dass Testrechnungen mit einem aktuellen Windanlagentyp möglich waren. Hierfür wurde die Anlage Enercon E82 2,0 MW exemplarisch ausgewählt, da dieser Typ aus dem Windpark Hilchenbach bekannt ist und für alle Höhen entsprechende Referenzertragswerte vorliegen. Ansonsten ist für diese Untersuchung ebenso jede andere Anlage geeignet, für die die entsprechenden Daten (vermessene Kennlinie, Referenzerträge) vorliegen. Die Ergebnisse bilden zusammen mit den Erfahrungswerten von Windanlagen der weiteren Umgebung die Grundlage für die gutachterliche Bewertung der potenziellen Flächen auf dem Siegener Stadtgebiet. Für den Standort Meiswinkel konnten keine verwertbaren Betriebsdaten beschafft werden. Die aus allen (zu diesem Zeitpunkt bekannten) Einschränkungen resultierenden Flächen wurden nun vor Ort untersucht, um gegebenenfalls weitere Flächen auszuschließen und zudem eine Eignungsbewertung als Relation untereinander zu erstellen. Aufgrund der Geländebeurteilung entfielen einige Bereiche ganz (z.b. wegen der Lee-Effekte) von vorgelagerten Höhenzügen oder Erhebungen. Andere Flächen wurden entsprechend auf die besser exponierten Teile reduziert, wobei dafür als Kriterium Höhen über NN von 375 m, 380 m, 400 m, 420 m und 440 m je nach Fläche verwendet wurden. In einem weiteren Schritt wurden die Vorgaben der städtischen Fachabteilung zum Teil ergänzt und insbesondere im Hinblick auf Schallimmissionen erweitert. Die bisherigen Flächen wurden dadurch teilweise verkleinert, so dass die verbliebenen Flächen erneut bewertet werden mussten, um auszuschließen, dass hauptsächlich weniger geeignete Areale einer ehemals grundsätzlich geeigneten Fläche in die abschließende Auswahl gelangen. Seite 5 von 21

6 4. Übersichtsplan relevanter Windanlagen Seite 6 von 21

7 Projekt Stadt Siegen: Anlagenbestand Standort Koordinaten Typ Gauß-Krüger / Zone 3 Hersteller Leistung Rd. Nh. Ost Nord Höhe (kw) (m) (m) Breitenbach FUHRLÄNDER FL ,0 70,0 Meiswinkel ENERCON E40/ ,0 77,7 Engelsberg REpower MD ,0 111,5 Engelsberg REpower MD ,0 111,5 Engelsberg REpower MD ,0 111,5 Engelsberg REpower MD ,0 111,5 Engelsberg VESTAS V /300 66,0 117,0 Hichenbach ENERCON E ,0 138,3 Hichenbach ENERCON E ,0 138,3 Hichenbach ENERCON E ,0 138,3 Hichenbach ENERCON E ,0 138,3 Hichenbach ENERCON E ,0 138,3 Panorama Park ENERCON E40/ ,3 49,0 Seite 7 von 21

8 5. Berechnungen zu Windpotenzial und Energieertrag am Beispielstandort Breitenbach Lageplan der bestehenden Fuhrländer 1000 kw am Standort Breitenbach Methodik der rechnerischen Standortermittlung Aus langjährigen Beobachtungen der Wetterstationen bezüglich der Windgeschwindigkeiten und - richtungen, lassen sich rechnerisch für alle Höhen die Windrichtungen und der zeitliche Anteil der Seite 8 von 21

9 verschiedenen Windgeschwindigkeiten (Häufigkeitsverteilung) für eine "glatte" Landschaft ermitteln. Topographie-, Rauigkeits- und Hinderniseinflüsse können dann rechnerisch für beliebige Standorte wieder hinzugefügt werden. Allerdings haben sich die Wetterstationen der Wetterdienste in der Windenergiepraxis häufig als nur bedingt geeignet erwiesen. Dies liegt häufig an ihrer Lage, die nicht ausreichend vergleichbar mit der des geplanten Standorts ist und meistens auch an der geringen Messhöhe von 10 m über Grund, die von Hindernissen im Nahbereich sehr stark beeinflusst wird. Es hat sich daher bewährt, die Wetterdaten an Windanlagenstandorten, die bereits über ausreichend Betriebsergebnisse verfügen, zu überprüfen und gegebenenfalls anzupassen. Die Windanlagen werden somit als Windmessanlagen mit Messhöhen im gesuchten Höhenniveau verwendet. Die errechneten Werte basieren auf einem längeren Zeitraum der Vergangenheit. Mögliche Änderungen der Windverhältnisse in der Zukunft (z.b. Auf- oder Abwärtstrends) können deshalb nicht vorhergesagt werden. Auch etwaige zyklische Schwankungen, die sich außerhalb des hier zugrunde liegenden langjährigen Mittels befinden, könnten in der Zukunft zu Abweichungen führen. Das angewendete Rechenverfahren ist vom dänischen Forschungsinstitut Risö entwickelt worden und seit 1981 bei der Ertragsvorhersage von Windanlagen und der Korrektur von Umgebungseinflüssen der Wetterstationen in der Praxisanwendung wurde das Programm WASP in verbesserter Form verfügbar und auf 175 europäische Stationen ausgedehnt (die hier verwendete Version ist 8.2). Der theoretisch mögliche, mittlere Jahresertrag einer speziellen Windanlage ergibt sich durch Multiplikation der Leistungswerte der Anlage bei den einzelnen Windgeschwindigkeiten (Kennlinie) mit deren entsprechendem zeitlichen Anteil an den Jahresstunden und anschließender Summierung der Einzelerträge. Im Gegensatz zur üblichen Berechnung des Hinderniseinflusses im Nahbereich wurde im vorliegenden Fall dem sehr nah angrenzenden Wald durch eine Verschiebung des Windprofils um eine angenommene mittlere wirksame Hindernishöhe Rechnung getragen. Das Programm berücksichtigt die veränderte Energie des Windes bei abweichender Höhe über NN bzw. Temperatur (Hier 1,174-1,1811 kg/m³ bezogen auf mittlere Geländehöhe + Nabenhöhe). Datengrundlage der Wetterstation Verwendet wurde die Wetterstation Kahler Asten ( ), die auf Grundlage des Abgleichs mit der Vergleichsanlage mit 83% skaliert worden ist. Seite 9 von 21

10 Vergleichswindanlage und Langzeitbezug Um die Windverhältnisse einer Region zu prüfen, werden üblicherweise in Gebieten mit bestehenden Windanlagen die Betriebsdaten dieser Maschinen herangezogen, um das Windregime daran anzupassen. Dies ermöglicht die bestmöglichen Ergebnisse, da geeignete Windanlagen in der Regel für die Zwecke der Windenergienutzung bessere Daten liefern als es beispielsweise bei den Wetterdaten an den Stationen der Wetterdienste der Fall ist, die (unter anderem) meist nur in 10 m über Grund messen. In der Region befinden sich verschiedene Windanlagen bzw. Windparks von denen Winddaten und Betriebsergebnisse vorliegen. Dazu zählen die Standorte Engelsberg/Ewiger Fuhrmann, Hilchenbach und Panoramapark. Diese Daten bilden im Wesentlichen die Grundlage für die Einschätzung der Standorte auf dem Stadtgebiet Siegen. Im geplanten Gebiet selbst befindet sich ebenfalls eine Windkraftanlage, von der Betriebsdaten zur Verfügung gestellt wurden. Es handelt sich um eine Fuhrländer FL1000 mit 1000 kw und 70 m Nabenhöhe. Daher wurde zunächst für den Standort Breitenbach mit Hilfe der Betriebsdaten ein Windregime angepasst, das wiederum als Grundlage für eine beispielhafte Ertragsberechnung einer modernen Windanlage mit verschiedenen Nabenhöhen dient. Anhand dieser Erträge kann das Einhalten des 60%-Referenzertrags überprüft werden. Für die Anlage Fuhrländer 1000 kw lagen Jahreswerte für den Zeitraum ohne Angabe der Verfügbarkeitsverluste vor. Die Verfügbarkeit der Anlage konnte daher nicht auf 100 % korrigiert und es können in der Praxis somit Verluste von 2-5% bezogen auf den Ertrag unterstellt werden. Der Standort liegt in der Windindexregion 19. Mit Hilfe des Windindexverfahrens der Betreiber- Datenbasis sollen eigentlich Monatserträge verarbeitet werden. Da diese hier nicht verfügbar sind und es sich zudem nicht um eine exakte, individuelle Standortanalyse handelt, wurden hilfsweise die Jahreswerte verwendet, um den durchschnittlichen Jahresertrag zu ermitteln. Es wurden die Windindexwerte der Betreiber-Datenbasis der Version 2006 mit dem 30jährigen Bezugszeitraum verwendet. Mit Hilfe deren Hilfe wurde der mittlere Jahresertrag für die Vergleichsanlage bestimmt. Für 2012 ist eine neue Version des Windindexes geplant, die den windschwächeren Bezugszeit- Seite 10 von 21

11 raum als Grundlage nutzt. Dies scheint die wichtigste Anpassung zu sein, die vermutlich zu geringeren Ertragserwartungen führen wird auch wenn weitere Veränderungen ebenfalls integriert wurden. Für den Zeitraum liegen die bisherigen Indexwerte in der Region 19 bei 91% bezogen auf die 100% des Zeitraums Der Vergleichsstandort wurde ebenfalls aufgenommen und bearbeitet. Auf Grundlage der Wahl und Skalierung der Wetterstation und der Geländeparameter wurde ein Windregime abgeglichen, aus dem sich der gesuchte mittlere Jahresertrag der Fuhrländer bei einer geringen Abweichung ergibt. Berechnete Winddaten am Standort Windanlage Breitenbach Windrichtungsverteilungen am Standort Breitenbach in 70 m Nabenhöhe Seite 11 von 21

12 Windrichtungsverteilungen am Standort Breitenbach in 98 m Nabenhöhe Seite 12 von 21

13 Seite 13 von 21

14 Windrichtungsverteilungen am Standort Breitenbach in 108 m Nabenhöhe Seite 14 von 21

15 Windrichtungsverteilungen am Standort Breitenbach in 138 m Nabenhöhe Seite 15 von 21

16 Hauptergebnisse für Standort Breitenbach am Beispiel Enercon E82 2,0 MW Die Erträge in der Tabelle enthalten keinerlei Abminderungen für Unsicherheiten der Rechenverfahren (Wind, Vergleichsanlagen, Windindex), der Leistungskurven bzw. der Bezugsanemometer sowie Leitungs- und Trafoverluste und Verfügbarkeitsverluste. Projekt Siegen : Standort Breitenbach mit Beispielanlage Enercon E82 2,0 MW Nr. Koordinaten UTM / Zone 32 Hersteller Typ Leistung Rd. Nh. Ertrag Freie WEA Referenzertrag 60% Ost Nord Höhe (MW) (m) (m) (kwh/jahr) (Ja/Nein) ENERCON E Ja ENERCON E Ja ENERCON E Ja Leistungskurven Da die Kennlinie der Anlage die Prognosegenauigkeit der Jahreserträge entscheidend mitbestimmt, ist eine möglichst genaue Kennlinie erforderlich. Es ist generell empfehlenswert, die Ergebnisse für Anlagen mit nicht vermessenen Leistungskurven bei Vorliegen einer Kennlinie mit Zertifikat - also unabhängig, nach Richtlinien und endgültig vermessen - zu überprüfen. Dennoch weisen auch vollständig vermessene Kennlinien Standardabweichungen von 6-8% auf. Neuere Erkenntnisse zeigen, dass auch bei vermessenen Leistungskurven das verwendete Anemometer (i.d.r. Thies, Friedrichs, Risö und Vector) eine bisher unterschätzte Fehlerquelle sein kann. So können unterschiedliche Anemometertypen, trotz gleicher Kalibrierung im Windkanal, zu unterschiedlichen Leistungskurven und somit zu unterschiedlichen Erträgen in der Praxis führen. Neben dem absoluten Ertrag ist hier besonders die Vergleichbarkeit der berechneten Erträge verschiedener Anlagen (also auch Vergleichsanlagen) betroffen. Die Kennlinie der Vergleichsanlage Fuhrländer 1000 kw wurde von DEWI mit einem Vector- Anemometer vermessen. Die Kennlinie der Beispielanlage Enercon E-82 2,0 MW wurde von DEWI mit einem Thies-First- Seite 16 von 21

17 Class-Anemometer vermessen. 6. Ergebnis Zum derzeitigen Stand der Planung ergeben sich mehrere Flächen auf dem Stadtgebiet von Siegen, die, nach Berücksichtigung der Restriktions- und Ausschlusskriterien, für die Windenergienutzung die bestmöglichen Flächen des Stadtgebiets Siegen darstellen. Insgesamt ist das Windpotenzial eher mäßig und erreicht nicht die Qualität höher gelegener Mittelgebirgsstandorte wie z.b. Hilchenbach oder guter Standorte am Haarstrang oder dem niederrheinischen Flachland. Einer der am besten exponierten und somit windtechnisch interessantesten Punkte, die Eisernhardt, konnte durch den nahegelegenen Flugplatz nicht einbezogen werden. Bei der Mehrheit der Flächen sind 3 oder mehr Anlagen möglich. Bei der Fläche Nr.13/14 würde sich nur im Zusammenhang den 3 kleinen Teilflächen eine Mindestzahl von 3 Anlagen verwirklichen lassen. Fläche 12 kann lediglich als Einzelstandort umgesetzt werden. Grundsätzlich kann davon ausgegangen werden, dass die höher gelegenen Gebiete bessere Windverhältnisse aufweisen als die tiefer gelegenen. (Dipl.-Geogr. Andreas Buruck) Steinfurt, den Anlagen: Literatur verwendete Leistungs- und Schubbeiwert-Kennlinien Akkreditierungsurkunde Seite 17 von 21

18 Literatur Windindex der Betreiber- Datenbasis; H.Häuser, J. Keiler; Ingenieur- Werkstatt Energietechnik, Gerstenbergstr. 31, Hamburg Open Field Cup Anemometry; A.Albers, H.Klug; Deutsche Windenergie-Institut, Ebertstr. 96, Wilhelmshaven 2001 Europäischer Windatlas; Troen, Ib; E.L. Petersen et al; Roskilde, Risoe National Laboratory, 1990 Wind- und Windenergiepotentiale in Deutschland; Winddaten für Windenergienutzer; Stefan Traup, Burkhard Kruse; Deutscher Wetterdienst, Offenbach am Main 1996 DIN EN ISO/IEC Allgemeine Anforderungen an die Kompetenz von Prüf und Kalibrierlaboratorien, Stand 8/2005, Deutsches Institut für Normung e.v. Technische Richtlinien für Windenergieanlagen Teil 5, Revision 3, Stand 7/2005, Fördergesellschaft Windenergie e.v. (FGW) Technische Richtlinien für Windenergieanlagen Teil 6, Revision 7, Stand 9/2007, Fördergesellschaft Windenergie e.v. (FGW) Guide to the expression of uncertainty in measurement; German version ENV 13005:1999 DIN IEC Windenergieanlagen Teil 12-1: Messung des Leistungsverhaltens einer Windenergieanlage, aktuelle Ausgabe, Deutsches Institut für Normung e.v. Seite 18 von 21

19 Anhang 1. Leistungskurve der Fuhrländer FL kw Seite 19 von 21

20 Anhang 2. Leistungskurve der Enercon E82 2,0 MW Seite 20 von 21

21 Anhang 3. Urkunde der Akkreditierung Seite 21 von 21

22 Seite 22 von 21