LiDAR-Messtechniken eröffnen Windparkplanern immer neue Einblicke

Laserbasierte Fernmessgeräte (LiDAR = Light Detecting And Ranging) kommen in der Windbranche immer häufiger zum Einsatz. Sie bieten mittlerweile eine günstige Alternative zu Windmessmasten, weil die Geräte bereits vom Boden aus Windgeschwindigkeiten und -richtungen in großen Höhen messen können. Ähnlich wie beim Radargerät die Schallwellen werden vom LiDAR-Gerät dazu Laserstrahlen ausgesendet, die von Partikeln reflektiert werden, die sich im Wind mit bewegen. So ist es möglich, bereits vor dem Bau von Windparks Aussagen über das Windpotenzial und den zu erwartendem Energieertrag des Standorts zu treffen. Nach Inbetriebnahme des Parks können Meldungen an die Leitwarte wiederum eine optimale Einstellung der Turbinen zum Wind gewährleisten.

Das Fraunhofer Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) zeigt die Vorteile gegenüber klassischen Messmasten auf: „Sie benötigen keine Baugenehmigung, weniger Platz und lassen sich mit wenig Aufwand an verschiedenen Standorten aufstellen.“

Allerdings gehen die Möglichkeiten der LiDAR-Messungen weit über diese Einsätze hinaus. In England beispielsweise werden in einem aktuellen Forschungsprojekt LiDAR-Messungen dazu genutzt, um die Flughöhe von Vögeln zu bestimmen. Dies soll vor allem der Offshore-Branche zugute kommen, da z.B. die Nordsee mit ihrer hohen Dichte an Offshore-Windparks gleichzeitig eine der Hauptrouten für den Vogelzug ist.

Deshalb wurde im letzten November ein spezielles Vermessungsflugzeug von APEM, einem unabhängigen Umweltberatungsunternehmen, das sich auf Süßwasser- und Meeresökologie sowie Luftbildvermessungen spezialisiert hat, mit einer ultrahochauflösenden Leica RCD-30-Vermessungskamera ausgestattet, die mit einem LiDAR-System kombiniert wurde. Während der Vermessung flog das Flugzeug in 340 m Höhe und sammelte Bilder und LiDAR-Daten eines 346 m breiten Landstriches. Während des Fluges erfasste das System Informationen über Merkmale der Landschaft sowie über Vögel im Flug, sowohl in Schwärmen, als auch von einzeln fliegenden Vögeln.

Nach der Datenbearbeitung konnten die Forscher die Flughöhen der Vögel auf 5 cm genau bestimmen. Eine solche Präzision war bislang nicht möglich, basierten bisherige Kenntnisse zu den Flughöhen doch auf visuellen Schätzungen von Beobachtern in Booten, Messungen mit Laser-Entfernungsmessern von Personen, die auf Offshore-Windkraftanlagen stationiert sind, oder auf Daten von GPS-Sendern, die an den Vögeln angebracht wurden, wie APEM betont.

Die Vermessung fand über Land statt, allerdings kann ein ähnlicher Versuchsaufbau auch über dem Meer angewendet werden (Bild: APEM)

Dr. Mark Rehfisch, Leiter der Abteilung für Ornithologie bei APEM, sagte: "Ein LiDAR-basierter Ansatz ist die Zukunft der Flughöhenmessung in offenem Gelände. LiDAR ist sehr präzise und genau, es erzeugt eine permanente Aufzeichnung, es kann schnell über weite Teile eines offenen Habitats angewendet werden, und es wird immer kostengünstiger, je mehr die Technologie in Anspruch genommen wird.“

Die Möglichkeiten der LiDAR-Technologie weiter zu verfeinern hat sich auch das Forschungsprojekt „Optimierung von LiDAR basierten Messstrategien zur Standortbewertung von Windparks“ (LiMeS) auf die Fahne geschrieben. Dafür hat sich das Fraunhofer IEE mit verschiedenen Unternehmen aus der Windbranche sowie der Philipps-Universität Marburg und der Universität Kassel zusammengeschlossen. Auch das Bundeswirtschaftsministerium unterstützt das Projekt finanziell.

Ziel des Vorhabens ist es, zunächst Ursachen von Messunsicherheiten zu identifizieren und ihren Einfluss zu quantifizieren. Dabei stehen die Parameter Messdauer, Ort und Anzahl der Messpunkte sowie die verwendete Messtechnologie im Mittelpunkt. In einem zweiten Schritt soll ein Verfahren entwickelt werden, „das für projektspezifische Randbedingungen, z.B. Flächengröße und -lage, Geländestruktur und Standorte geplanter Windenergieanlagen die Gesamtunsicherheit und die Kosten verschiedener Messstrategien abschätzt“, wie es in der Versuchsbeschreibung heißt.

Aufbau eines LiDAR-Gerätes zur Bestimmung des Windpotenzials an einem Waldstandort (Bild: Fraunhofer IEE)

Dazu ist das Projekt auf die Mithilfe von weiteren Windgutachtern, Planern und anderen Experten angewiesen, die an einem Vergleichstest (Round Robin Test) teilnehmen sollen, um die Langzeitkorrektur sehr kurzzeitiger Windmessungen auf Nabenhöhe (drei bis sechs Monate) zu untersuchen.

Für weitere Informationen zum Vorgehen und der Möglichkeit zur Beteiligung bei dem im April beginnenden Round Robin Test steht Alexander Basse von der Universität Kassel zur Verfügung.