Urbane Windenergie - Entwicklung von Beurteil­ungsmethoden für den Einsatz von Kleinwindener­gieanlagen in urbaner Umgebung

Ausgangssituation/Motivation

Speziell unter der Prämisse eine versorgungssichere, nachhaltige und resiliente urbane Energieversorgung sicher zu stellen, die nicht ausschließlich auf Energieerzeugung aus dem Umland angewiesen ist, gilt es die vorhandenen Energieressourcen in der Stadt bestmöglich zu nutzen. Neben der Photovoltaik stellt die Kleinwindkraft eine der wenigen Möglichkeiten dar, auch in dicht bebauten Gebieten sowie in der Stadt umweltfreundlich elektrische Energie zu erzeugen und somit die Ziele der neuen EU-Gebäuderichtlinie mit der Forderung nach „nearly zero energy" Gebäuden zu erreichen. Der Einsatz von Kleinwindkraftanlagen (KWEA) bei stark turbulenten Windverhältnissen, wie sie in urbanen Gebieten oftmals vorherrschen, bringen jedoch zusätzliche Herausforderungen mit sich – speziell in dicht besiedelten Gebieten auf oder in unmittelbarer Nähe von Gebäuden. Aufgrund der damit verbundenen Komplexität gibt es vor allem bei der Auswahl und Bewertung eines potenziellen Standorts, der Wahl einer dafür geeigneten KWEA, sowie der möglichen Interaktion mit der Umgebung noch viele planungs- und sicherheitstechnische Unsicherheiten.

Inhalte und Zielsetzungen

Ein interdisziplinäres ForscherInnenteam unter der Leitung des Technikum Wiens beschäftigte sich im Forschungsprojekt „Urbane Windenergie" unter anderem mit folgenden Fragestellungen:

• Wie können die Windverhältnisse bei stark turbulenten Strömungsbedingungen im städtischen Bereich charakterisiert werden? Welche Messungen und Modellansätze sind geeignet, um einen geplanten KWEA-Standort im städtischen Bereich hinsichtlich Leistungspotential der vorgesehenen Anlage zu beurteilen?
• Welchen Einfluss haben stark turbulente Windverhältnisse auf den Ertrag und die Lebensdauer einer KWEA sowie die Qualität des ins Netz eingespeisten elektrischen Stroms?
• Welche Belastung der umgebenden Infrastruktur durch Vibrationen und potenzielle Gefährdung für Personen geht von KWEA im urbanen Raum aus und wie hoch ist das Gefährdungspotential?
• Welche KWEA-Technologie ist für die Anwendung in bebauter Umgebung geeignet?
• Wie erfolgt eine umfassende Standort-Bewertung für die Errichtung von KWEA in Siedlungsgebieten?

Methodische Vorgehensweise

Zur Beantwortung dieser Fragen bzw. um darauf aufbauend den Einsatz von KWEA im urbanen Raum zu beurteilen, wurden unter anderem folgende Untersuchungen durchgeführt:

• Entwicklung und Validierung geeigneter Methoden zur Charakterisierung urbaner Standorte bzw. turbulenter Strömungsfelder (z. B. Windmessung, CFD Simulation, ...) sowie Bewertung der damit verbundenen Auswirkungen auf die Performance (Ertrag, Lebensdauer, ...) von KWEA anhand ausgewählter Turbulenzeigenschaften
• Durchführung diverser Untersuchungen an mehreren KWEA im ländlichen und urbanen Raum im Zuge einer experimentellen Wirkungsanalyse und messtechnische Erfassung ausgewählter, relevanter Betriebsparameter (Leistung, Ertrag, Schwingung, Schall, ...)
• Analyse planungs- und sicherheitstechnischer Aspekte (z. B. Untersuchung des Gefährdungspotenzials) hinsichtlich der Anwendung von KWEA im urbanen Raum, unter anderem mittels experimenteller Untersuchung des Eisabfalls und -wurfes sowie Anwendung einer probabilistischen Sicherheitsanalyse zur Ermittlung der Risiken durch Brand

Ergebnisse, Schlussfolgerungen Ausblick

Die folgenden Ergebnisse des vorliegenden Projekts stellen eine wesentliche Grundlage für die technische Beurteilung des Einsatzes von KWEA im urbanen Raum im Allgemeinen dar.
- Die Analyse des Betriebsverhaltens hat gezeigt, dass keine der im Projekt untersuchten KWEA aufgrund von Wartungen, Störungen, Defekten oder ähnlichen Zwischenfällen eine zufriedenstellende technische Verfügbarkeit größer 95 % erzielen konnte. Bei 2 von 3 KWEA kam es darüber hinaus vor Ablauf des Projekts zu schwerwiegenden Defekten mit hohem Gefährdungspotenzial.

• Die im Projekt gemessenen Leistungskennlinien zeigen, dass sich die nach Norm erstellten Leistungskennlinien teils stark von den Angaben der HerstellerInnen unterscheiden und das tatsächliche Leistungsverhalten der KWEA nur bedingt wiedergeben.
• Im Betrieb von KWEA können Masseunwuchten und unsymmetrische Rotorblattanströmungen, elektro-mechanische Wechselwirkungen sowie Böen unweigerlich zu Schwingungen der gesamten Anlage führen. Die Ergebnisse zeigen, dass Eigenformen des Gesamtsystems (Mast und Rotor), welche bei bestimmten Drehzahlen durch den Rotor angeregt werden, die primäre Ursache für erhöhte Vibrationen und Schwingungen sind.
• Die Untersuchungen haben gezeigt, dass das Windangebot durch erhöhte Turbulenz über Dach eines Gebäudes je nach Position stark variiert. Weiters wird der urbane Standort einer KWEA durch die umliegenden, insbesondere durch die in Hauptwindrichtung vorgelagerten Bebauungsstrukturen wesentlich beeinflusst.
• CFD Modelle sind gut geeignet, um diese Beeinflussungen zu prognostizieren beziehungsweise zu bewerten. Der Einsatz aufwändiger LES-Modellierung erbrachte für die untersuchten Fragestellungen keinen entscheidenden Mehrwert gegenüber einfacherer, stationärer Strömungsmodellierung.
• Die sicherheitstechnischen Untersuchungen zeigen, dass fallende Anlageteile sowie Eiswurf nicht zu unterschätzende Gefahrenquellen bei der urbanen Nutzung von KWEA darstellen. Diese gilt es durch geeignete Sicherheitsmaßnahmen zu reduzieren. Brand hingegen stellt ein deutlich geringeres Gefahrenpotential dar.

Projektleitung

Technikum Wien GmbH, Institut für Erneuerbare Energie

Projekt- bzw. KooperationspartnerInnen

• AEE NÖ-Wien
• Austrian Institute of Technology GmbH
• Energiewerkstatt
• Solvento GmbH
• Universität für Bodenkultur Wien - Institut für Sicherheits- und Risikowissenschaften
• Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik

Technikum Wien GmbH - Institut für Erneuerbare Energie
Kurt Leonhartsberger
Standort ENERGYbase, Giefinggasse 6
A-1210 Wien
Mobil: +43 (664) 619 25 86
E-Mail: kurt.leonhartsberger@technikum-wien.at
Web: www.technikum-wien.at