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Zurck zur bersicht

30.04.2014

WIND-AREA – automatisierte Standortanalyse für Kleinwindkraftanlagen auf der Basis von 3D-Geodaten

Kleinwindkraftanlagen werden bislang nur selten wirtschaftlich betrieben, da die genaue Windgeschwindigkeit in Bodennähe nicht bekannt ist. WIND-AREA liefert nun eine exakte Strömungssimulation auf der Basis hochauflösender Fernerkundungsdaten. Dabei werden Topographie, Vegetation und Gebäude detailliert berücksichtigt. So kann erstmals großflächig ein Nachweis über wirtschaftliche Standorte für Kleinwindkraftanlagen erbracht werden, ein neues Aufgabenfeld der Geoinformation im Rahmen der Energiewende.

Nach zweijähriger Forschungsarbeit, unterstützt durch Fördermittel des Landes Hessen, wurde das Forschungsprojekt WIND-AREA erfolgreich abgeschlossen und am 31.3.2014 gemeinsam mit dem Hessischen Staatsminister für Wissenschaft und Kunst, Herrn Boris Rhein, und dem Präsidenten der Frankfurt University of Applied Sciences der Öffentlichkeit präsentiert.

Die Abschlussveranstaltung zog ein breitgefächertes Publikum an. Das Interesse der Vertreter von Kommunen, Verbänden, Investoren und der Wissenschaft bestätigt die Aktualität des Themas und den Forschungsbedarf. In der abschließenden Podiumsdiskussion wurden die Markteinführung und die Umsetzung in der Praxis gemeinsam diskutiert.

[Foto 01]

„Der Ausbau der Erneuerbaren Energien ist möglichst an den Orten des maximalen Energiebedarfs zu intensivieren – im urbanen Raum. Die Berechnungsergebnisse von WIND-AREA zeigen für große Untersuchungsgebiete wirtschaftliche Standorte für Kleinwindkraftanlagen, eine Chance für die Energiewende, die bisher so gut wie nicht genutzt wird“, bekräftigt Prof. Dr. Martina Klärle, Leiterin des Forschungsprojektes vom Frankfurter Forschungsinstitut für Architektur • Bauingenieurwesen • Geomatik (FFin) an der Fachhochschule Frankfurt am Main.

Die Energieausbeute einer Windkraftanlage steigt mit der dritten Potenz zur Windgeschwindigkeit, d.h. doppelte Windgeschwindigkeit bringt 8-fachen Stromertrag. WIND-AREA selektiert die Standorte mit verhältnismäßig hohen Windgeschwindigkeiten und Starkwinden, die durch den Venturi-Effekt auftreten. Diese „zugigen“ Bereiche gibt es in allen Städten, aber auch in der freien Landschaft.

An nur wenige Meter voneinander entfernten Punkten können stark unterschiedliche Windgeschwindigkeiten auftreten. Grund dafür sind Veränderungen in der Topografie, unterschiedliche Rauigkeiten der Oberfläche und Verwirbelungen durch Hindernisse wie z.B. Gebäude, Brücken oder Böschungen. WIND-AREA stellt die Windgeschwindigkeit in Schritten von 0,1m/sec in dreidimensionalen Karten dar. Im Falle von Kleinwindkraftanlagen ist die Kenntnis der genauen Windgeschwindigkeit am Standort besonders wichtig, da die Windgeschwindigkeit in Bodennähe stark schwankt.

Bei großen Windkraftanlagen führt eine Windgeschwindigkeitsmessung zu einer Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und wird immer durchgeführt. Die Kosten liegen bei weit unter einem Prozent des Investitionswertes. Die Messung und Auswertung von Windgeschwindigkeiten für Kleinwindkraftanlagen liegt in der Regel bei über 25% der Investitionskosten und wird deshalb entweder nicht durchgeführt oder verteuert die Stromgestehungskosten stark. Eine automatisierte Potenzialanalyse speziell für Kleinwindkraftanlagen kann aufwändige Windmessungen ersetzen, unbekannte Starkwindstellen erkennen und somit die Wirtschaftlichkeit der Anlagen um ein Vielfaches erhöhen.

WIND-AREA ist die erste automatisierte Potenzialanalyse speziell für Kleinwindkraftanlagen auf der Basis von 3D-Geodaten. Die Methode basiert auf der Verschneidung von hochauflösenden Laserscandaten mit regionalen Winddaten durch Werkzeuge aus der Strömungslehre. Mit Hilfe einer Software zur Strömungssimulation (z.B. WindSim oder OpenFOAM) können bodennahe Windströmungen und ihr Verhalten im Bereich von Hindernissen genau modelliert und mit Hilfe von Geographischen Informationssystemen dargestellt werden. Kostspielige Test-Messungen werden durch die Modellierungen von WIND-AREA ersetzt.

[Abb_1]

Das Ergebnis von WIND-AREA sind Daten und Karten, welche die Windgeschwindigkeit in hoher Auflösung in beliebigen Höhenschichten, z.B. von 1m bis 10m über der Geländeoberfläche bzw. den Hindernissen/Gebäuden, darstellen. Die Potenzialkarten zeigen punktuelle Starkströme auf Gebäudedächern und andere Bereiche mit hohen Windgeschwindigkeiten, z.B. an Hauskanten, zwischen Gebäuden oder an Böschungen. Auch die Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit und der Windrichtung kann abgebildet werden. Diese Informationen sind wichtig bei der Wahl des Typs der Kleinwindkraftanlage.

[Foto_3_KWEA-horizontal] [Foto_4_KWEA-vertikal]

Wenn die Windrichtung sich häufig ändert, empfiehlt WIND-AREA eine Kleinwindkraftanlage mit vertikaler Achse. Bei Standorten mit nahezu gleichbleibender Windrichtung empfiehlt WIND-AREA Kleinwindkraftanlagen mit horizontaler Achse.

Die Windsimulation wurde bisher für drei Gebiete durchgeführt: ein städtisches Gebiet in Frankfurt-Höchst und die zwei ländlichen Gemeinden Lautertal in Hessen und Waldaschaff in Bayern. Die Methode kann auf jede beliebige Gemeinde/Region übertragen werden, da die benötigten Geodaten bundesweit flächendeckend vorliegen.

[Abb_2] [Abb_3] [Abb_4]

Besonders in städtischen Gebieten und Ballungsräumen, wo viel Strom verbraucht wird, bieten Kleinwindkraftanlagen neben Solardachanlagen die Möglichkeit, Strom verbrauchernah zu erzeugen. Mit der im Rahmen von WIND-AREA entwickelten Methode können diejenigen Standorte gefunden werden, an denen Kleinwindkraftanlagen auch ohne erhöhte Einspeisevergütung eine maximale wirtschaftliche und energetische Effizienz erreichen.

Ziel ist der Aufbau eines Web-GIS, vergleichbar dem Solardachkataster SUN-AREA, welches die Bürger bei der Planung von Kleinwindkraftanlagen unterstützt. Die Kleinwindkraft kann als kleiner Partner der Solarenergie bei der Stromversorgung von Gebäuden einen wichtigen Beitrag leisten, aber im Gegensatz zur Solarenergie haben Kleinwindkraftanlagen noch ein äußerst hohes Ausbaupotential. WIND-AREA bietet nun die nötige Entscheidungsgrundlage, so der Vorsitzende des Bundesverbandes der Kleinwindanlagen e.V..

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Quelle   Fachhochschule Frankfurt am MainForschungsschwerpunkt Erneuerbare Energien im LandmanagementWIND AREA 2014Fachbereich 1 Nibelungenplatz 160318 Frankfurt am Mainwww.ErneuerbarKomm.dewww.sun-area.netwww.wind-area.de