Windmessung

Zur Vermessung kleinskaliger turbulenter Windfelder bis hin zur mehrjährigen Erfassung der Windressource an einem Standort nutzt das Fraunhofer IWES unterschiedliche Technologien. Dabei kommen Fernerkundungsverfahren wie LiDAR (Engl. Light Detection And Ranging) standardmäßig zum Einsatz. Für die Entwicklung innovativer Messkonzepte berücksichtigt das IWES unter anderem die Reichweite und zu erfassende Skalen sowie den Einsatz kosteneffizienter Messinstrumente. Zur Erhebung finaler Windfeld- und Windressourcendaten setzt das IWES zudem verschiedene Methoden des Datenprozessierens und der Windfeldrekonstruktion ein. Weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Erfassung zusätzlicher atmosphärischer Parameter, basierend auf den Windmessungen sowie ergänzenden Messgrößen zur bestmöglichen Windressourcen- und Standortbewertung.

Fernerkundungsverfahren wie LiDAR werden in der Windindustrie und Windenergieforschung mittlerweile standardmäßig eingesetzt. Anwendungsbereiche erstrecken sich von der Vermessung kleinskaliger turbulenter Windfelder bis hin zur mehrjährigen Erfassung der Windressource an einem Standort. Das Fraunhofer IWES nutzt entsprechende Technologien für Messkampagnen an Land (onshore) und auf See (offshore) und entwickelt die dazugehörigen Anwendungen zusammen mit der Industrie kontinuierlich weiter. Die Windmessgeräte werden dafür am Boden, auf Gondeln von Windenergieanlagen sowie offshore auf Bojen und Schiffen installiert. Wichtig dabei ist, dass die Technologie so ausgewählt und eingesetzt wird, dass ein bestmöglicher Mehrwert für die Industrie und anwendungsnahe Forschung entsteht. Dies erfordert nicht nur ein detailliertes Technologieverständnis, sondern auch umfangreiche Erfahrungen in dem jeweiligen Anwendungsbereich. 

Fernerkundungstechnologien zeichnen sich durch ihre große Flexibilität aus, was sowohl ihre Reichweite als auch die zu erfassenden Skalen betrifft. Das IWES berücksichtigt in der Entwicklung innovativer Messkonzepte beides. Um Messpunkte optimal bestimmen zu können, arbeitet das IWES eng mit der numerischen Modellierung zusammen. Dabei wird die Windströmung simuliert und die Windmessung unter Angabe des spezifischen Messprinzips eingefügt. Auf diese Weise lassen sich vorab die Art der Windphänomene sowie die Qualität ihrer messtechnischen Erfassbarkeit bestimmen.

Messgenauigkeit und die Skalenauflösung werden in aufwändigen Vergleichsmessungen untersucht. Außerdem nutzt das IWES mathematische Modellierung, um Messunsicherheiten abzuschätzen und Mess-Setups so zu konfigurieren, dass die finalen Unsicherheiten der Messdaten möglichst gering gehalten werden können. Die gezielte Untersuchung von Messkonzepten hilft zudem, vorab die richtigen Typen von Messinstrumenten auszuwählen und so eine kosteneffiziente Messkampagne zu ermöglichen.

Um zu den finalen Windfeld- und Windressourcendaten zu kommen, setzt das IWES verschiedene Methoden des Datenprozessierens und der Windfeldrekonstruktion ein. Die so erhaltenen Windmessdaten werden am IWES weiterhin auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen extra- und interpoliert. Dabei werden u. a. Methoden des maschinellen Lernens angewandt. Das IWES korreliert die Windmessungen mit (frei verfügbaren) Reanalysedaten, um die Messdaten schon während der Messung bestmöglich zu überprüfen, Abweichungen zu erkennen, aber auch den Mehrwert einer standortspezifischen Messung identifizieren zu können.

Je nach Anwendung werden die Messdaten für verschiedene weitergehende Verwendungen vorbereitet. Für eine Windpotenzialanalyse beinhaltet dies das Schließen von Datenlücken auf Basis diverser numerischer Verfahren. Im Rahmen einer Standortbewertung werden am IWES Standortparameter extrahiert bzw. berechnet, die z. B. in die synthetische Windfeldsimulation eingehen.

Neben der Erforschung und Entwicklung neuer Lösungen zur Windmessung und -charakterisierung ist das IWES auch in der Standardisierung bestehender Lösungen für die Industrie aktiv. Dies beinhaltet die prä-normative Standardisierung von Wind-Lidar-Anwendungen im Rahmen des internationalen IEA Wind Task 52, den das IWES seit 2022 als Operating Agent leitet. Zudem ist das IWES Mitglied in den IEC-Expertengremien zur Erarbeitung (normativer) technischer Spezifikationen für die Anwendung von Floating-Lidar- (IEC 61400-50-4) und Scanning-Lidar-Systemen (IEC 61400-50-4).

Ein großflächiger Einsatz von Fernerkundungstechnologien zur Windmessung in der Windindustrie ist erst dann möglich, wenn die Messverfahren ausreichend standardisiert und insbesondere die Methoden zur Quantifizierung der assoziierten Messunsicherheiten im Detail abgestimmt sind., Im Rahmen seiner angewandten Forschungsarbeiten misst das IWES diesem Engagement eine wesentliche Bedeutung bei.

Zudem weisen Lücken in den Richtlinien auf noch offene Forschungs- und Entwicklungsfragen hin, die das IWES priorisiert angeht. 

Auf Basis langjähriger Erfahrung mit der Anwendung von Fernerkundungsverfahren und insbesondere LiDAR-Technologie in der Windenergieforschung beschäftigt das IWES sich auch mit der Erprobung neuer Technologien zur Vermessung des Winds auf den für die Windenergienutzung relevanten Skalen. Im Projekt "Wind Park Radar" untersucht, wie Radartechnologie mit einer deutlich größeren Reichweite als das laserbasierte LiDAR zur Vermessung von Windfeldern in und um Windparks herum genutzt werden kann. Abgesehen von der Reichweite wird angestrebt, die neue Technologie wie das LiDAR einsetzen zu können, sodass die bestehenden Richtlinien und Standards im besten Fall erweitert werden können.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt auf der Erfassung zusätzlicher atmosphärischer Parameter, basierend auf den Windmessungen und/oder ergänzender Messgrößen, mit dem Ziel, Windfelder an bestehenden und zukünftigen Windparkstandorten umfassend charakterisieren zu können und letztlich eine bestmögliche Windressourcen- und Standortbewertung zu ermöglichen.