Windfeldanalyse für die Planung einer Windkraftanlage in Balzers
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Endbericht
Windfeldanalyse für die Planung einer
Windkraftanlage in Balzers
Im Auftrag der
Solargenossenschaft Liechtenstein
Ansprechpartner: Dr. Bruno Dürr
durchgeführt von
Weatherpark GmbH
Meteorologische Forschung und Dienstleistungen
Technisches Büro für Meteorologie
A-1070 Wien, Gardegasse 3/3
Projektleiter:
Mag. Matthias Ratheiser
unter Mitarbeit von:
Mag. Simon Tschannett
Mag.a Hildegard Kaufmann
Mag.a Gertraud Kücher
Wien, am 18. Dezember 2008
Endbericht Windfeldanalyse Balzers Weatherpark GmbH
Inhalt
1. Fragestellung und Untersuchungsgebiet Seite 4
2. Klimatologie und Windszenarien Seite 6
3. Analysemethode und Auswertungen Seite 14
4. Empfehlungen Seite 17
5. Literaturhinweise Seite 17
6. Anhang: Abbildungen Seite 18
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Rechtlicher Hinweis:
Ausgehend von der vom Auftraggeber vorgegebenen Aufgabenstellung führt Weatherpark
Modellberechnungen im Bereich der Meteorologie durch und erarbeitet so Lösungsvorschläge für den
Auftraggeber. Weatherpark verpflichtet sich, im Rahmen dieser Tätigkeit die den Modellberechnungen
zugrunde gelegten tatsächlichen Gegebenheiten und meteorologischen Einflussfaktoren mit der gebotenen
Sorgfalt zu ermitteln und/oder einzuschätzen und bei der Durchführung der Modellberechnungen die
Methoden anzuwenden, die dem Stand der Technik und der meteorologischen Wissenschaft entsprechen.
Dessen ungeachtet sind aufgrund der Ergebnisse der Modellrechnungen nur meteorologische Prognosen
möglich, wobei es dafür der Interpretation der Berechnungsergebnisse durch Weatherpark selbst bedarf.
Weatherpark kann daher nur die Haftung dafür übernehmen, dass sie die von ihr übernommenen
Modellberechnungen mit der gebotenen Sorgfalt erstellt und durchgeführt und dabei die dem Stand der
Technik und der meteorologischen Wissenschaft entsprechenden Methoden angewendet hat. Jedoch
entspricht es dem Wesen der Leistung von Weatherpark, dass eine Haftung dafür, dass die abgegebenen
Prognosen auch eintreten, nicht übernommen werden kann.
Da den Modellberechnungen teilweise auch Annahmen und Schätzungen zugrunde gelegt werden müssen,
kann Weatherpark auch keine Haftung für Zwischenergebnisse der Berechnungen übernehmen. Im Übrigen
bleibt es Weatherpark vorbehalten, eine Interpretation der Ergebnisse der Modellrechnungen vorzunehmen
und so Lösungsvorschläge für den Auftraggeber zu erstellen; keinesfalls übernimmt Weatherpark eine
Haftung für Schlussfolgerungen, die der Auftraggeber selbst oder Dritte aus den Berechnungsergebnissen
ziehen.
Weatherpark übernimmt keine Haftung für die Richtigkeit von Daten Dritter.
Kontaktdaten:
Weatherpark GmbH Meteorologische Forschung und Dienstleistungen
Technisches Büro für Meteorologie
Gardegasse 3/3
A-1070 Wien
Tel.:+43/(0)1/522 37 29
Fax:+43/(0)1/522 37 29 - 11
wien@weatherpark.com
www.weatherpark.com
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1. Fragestellung und Untersuchungsgebiet
Fragestellung
Die Untersuchung hat zum Ziel, den Aufstellungsort der geplanten Windkraftanlage bei Balzers zu
verbessern. Dafür werden mit Hilfe eines meteorologischen Computermodells Verteilungen der
Windgeschwindigkeit für vier typische Wetterlagen berechnet und eine ungefähre Ertragsprognose
erstellt. Um zu den Ergebnissen zu gelangen, sind Annahmen und Vereinfachungen nötig. Für die
Entscheidung der Standortfrage und die Dimensionierung einer Windkraftanlage sind weitere
Messungen und Modellberechnungen notwendig. Die Auswertung der Geschwindigkeits- und
Richtungsverteilungen des mittleren Windes erfolgt auf den Nabenhöhen der in Frage kommenden
Windkraftanlagen: auf 50m und 100m über Grund.
Als Datengrundlage für die Windfeldanalysen werden langjährige Windmessreihen der Station
Vaduz, Windmessungen von einem Mast westlich von Balzers verwendet (oranges Kreuz in Abb.
1.1) und Messdaten eines typischen Föhnfalls.
Das Untersuchungsgebiet
Der geographische Ausschnitt, für den im Computermodell das Windfeld berechnet wird, befindet
sich im südlichen Liechtenstein im Grenzgebiet zum Kanton St. Gallen. Das Gebiet ist geprägt von
der Talgabel des Seez- und Rheintals. Es ist geplant, die Windkraftanlage im Bereich der Gemeinde
Balzers aufzustellen, weshalb auch der Windmessmast dort aufgestellt wurde.
Abb. 1.1: Luftbild (aus Google Earth) des Untersuchungsgebiets (oranger Rahmen). Das Kreuz in der Mitte des Bildes
zeigt den Standort des Windmessmastes.
Der linke untere Eckpunkt des Untersuchungsgebiets ist in Tab. 1.1 in verschiedenen
Koordinatensystemen wiedergegeben. Die ersten sind Länge und Breite des World Geodetic System
1984 (WGS84). Danach folgen Rechtswert und Hochwert des Universal Transverse Mercator (UTM)
Systems, eine weit verbreitete Zylinderprojektion. Die Angaben gelten für Zone 32. Das dritte
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Koordinatenpaar gibt den Eckpunkt in Schweizer Landeskoordinaten an. Von diesem Punkt wird
ein dreidimensionales Gitternetz mit 139 Punkten in Ost-West-Richtung, 160 Punkten in Nord-
Süd-Richtung und 12 vertikalen Schichten aufgespannt.
Geograph. (WGS84) UTM (m) Schweizer Landeskoordinaten (m)
lam; x; y 9,3835° 529 157 747 900
Unten links (SW)
phi; y; x 47,0030° 5 205 564 207 600
Tab. 1.1: Der linke untere Eckpunkt des Modellausschnittes in unterschiedlichen Koordinaten.
Auf dem dreidimensionalen Gitternetz wird die Verteilung der Windrichtung und -geschwindigkeit
berechnet. Die horizontale Auflösung beträgt 100m, der Abstand der Schichten nimmt mit der
Höhe zu (siehe Tab. 1.2).
Schicht Höhe über Grund [m]
1 5
2 15
3 20
4 30
5 50
6 70
7 100
8 200
9 400
10 800
11 1500
12 2000
Tab. 1.2: Nummern und Höhen der 12 vertikalen Schichten des meteorologischen Modells.
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2. Klimatologie
Windrichtungen Klimastation Vaduz
N
NNW NNO
20,00
NW NO
15,00
WNW 10,00 ONO
5,00
1981-2007
W 0,00 O Apr-Sept 2008
WSW OSO
SW SO
SSW SSO
S
Abb. 2.1: Häufigkeitsverteilung der Windrichtungen an der Klimastation Vaduz. Die blaue Kurve zeigt die
Auswertung der langjähigen, stündlichen Messwerten von 1981-2007, die rote kurve die Auswertung der
Messwerte von 10.4.2008 – 30.9.2008.
Die Windrichtungsverteilung für den Auswertungszeitraum 1981-2007 zeigt zwei ausgeprägte
Hauptwindrichtungen: Nordnordwest (NNW, 38% des Jahres) und Südost (SO, 39% des Jahres). Um
die Häufigkeiten zu berechnen, wurden jeweils 3 benachbarte Windrichtungen zusammengefasst.
Zu ersterer werden auch die benachbarten Richtungen Nordwest (NW) und Nord (N), zu letzterer
die Richtungen Südsüdost (SSO) und Süd (S) gezählt. In Summe kommt also der Wind in Vaduz zu
77% des Jahres aus den Hauptwindrichtungen.
Ein Vergleich mit der Messperiode April bis September 2008 zeigt, dass die Hauptwindrichtungen
die gleichen sind wie für die langjährige Messreihe. Die Häufigkeit der Hauptwindrichtung NNW
beträgt ebenfalls 38% des Jahrs, aus SO kam der Wind im Vergleich zur langjährigen Reihe um 17%
weniger oft.
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Windrichtungen Messmast Balzers
N
NNW NNO
20,00
NW NO
15,00
WNW 10,00
ONO
5,00
Balzers, 50m
W 0,00 O
WSW OSO
SW SO
SSW SSO
S
Abb. 2.2: Häufigkeitsverteilung der Windrichtungen am Messmast Balzers in 50m Höhe für den Zeitraum 10.4.2008 –
30.9.2008.
Für den Messmast in Balzers liegen Messungen für die Periode 10.4.2008 – 30.9.2008 vor.
Gemessen wurde in 30m und in 50m über Grund. Details und Spezifikationen zur Messanordnung
sind dem Messbericht1 zu entnehmen. Abb. 2.3 zeigt eine Ansicht des Mastes vom 9. Dezember
2008. Die Aufnahme wurde vom Rheindamm aus gemacht. Sowohl der Damm als auch das Ellhorn
sind sehr nahe am Standort und können daher Einfluss auf das Windfeld üben.
1 METEOTEST, Windenergie-Projekt Rheinknie bei Balzers, Liechtenstein: Windgutachten – Zwischenbericht nach 6
Monaten Messung, 13. Oktober 2008
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Abb. 2.3: Der Messmast in der Nähe von Balzers. Rechts ist die Begleitstraße des Rheindamms zu sehen, im
Hintergrund das Ellhorn.
Aus Abb 2.2. geht hervor, dass die Hauptwindrichtungen ähnlich prägnant sind, wie in Vaduz:
Nordost (NO, 40% des Jahres) und Südsüdwest (SSW, 41% des Jahres). Zu ersterer werden wiederum
die benachbarten Richtungen Nordnordost (NNO) und Ostnordost (ONO), zu letzterer die
Richtungen Südwest (SW) und Süd (S) gezählt. In Summe kommt also der Wind in Balzers zu 81%
des Jahres aus den Hauptwindrichtungen.
Aufgrund der Tatsache, dass in Vaduz die Messperiode 2008 für die langjährige Messreihe
repräsentativ ist, wird dies auch für Balzers angenommen.
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Windgeschwindigkeiten in Vaduz
30,00
27,50
25,00
22,50
20,00
Häufigkeit [%]
17,50
15,00
Vaduz lang
12,50 Vaduz kurz
10,00
7,50
5,00
2,50
0,00
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 30,0
Mittlere Windgeschwindigkeit [m/s]
Abb. 2.4: Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeiten in Vaduz für die Klimareihe 1981-2007 (blau) und die
Messperiode 10.4.2008 – 30.9.2008 (rot).
Der Vergleich zwischen den Geschwindigkeitsverteilungen der Klimareihe 1981-2007 und der
Messperiode April bis September 2008 (Abb. 2.4) zeigt, dass die unteren Klassen bis 3 m/s in der
kurzen Messperiode überrepräsentiert sind und die oberen Klassen ab 4 m/s unterrepräsentiert.
Abb. 2.5 zeigt die relativen Abweichungen.
40
20
Abweichung der Häufigkeit [%]
0
-20
-40
-60
-80
-100
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 30,0
Mittlere Windgeschwindigkeit [m/s]
Abb. 2.5: Abweichungen der Häufigkeiten der Windgeschwindigkeiten in Vaduz der Messperiode 10.4.2008 –
30.9.2008 im Vergleich zur Klimareihe 1981-2007 in Prozent.
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Windgeschwindigkeiten in Balzers
20,00
17,50
15,00
12,50
Häufigkeit [%]
10,00
Balzers 50m
7,50
5,00
2,50
0,00
1,0 3,0 5,0 7,0 9,0 11,0 13,0 30,0
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0
Mittlere Windgeschwindigkeit [m/s]
Abb. 2.6: Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeiten in Balzers für die Messperiode 10.4.2008 – 30.9.2008.
Abb. 2.6 zeigt die Häufigkeit der Windgeschwindigkeitsklassen für den Messmast in Balzers in 50
m Höhe.
Korrelation der Windgeschwindigkeiten mit Balzers
Die Messungen der Windgeschwindigkeit am Messmast in Balzers (50m über Grund) für die
Periode 10.4.2008 – 30.9.2008 wurden mit den Messungen des selben Zeitraums in Vaduz (10m
über Grund) korreliert (Abb. 2.7). Eine lineare Korrelationsgerade f(x) = 0,43x + 0,25 ergibt den –
im Vergleich zu logarithmischen oder exponentiellen Zusammenhängen - höchsten
Korrelationskoeffizienten von 0,6. Die Korrelation drückt das Verhältnis der 10m-Werte in Vaduz
zu den systematisch höheren 50m-Werten von Balzers aus. Die Korrelation wird für höhere
Windgeschwindigkeiten ab ca. 5-6 m/s zusehends schlechter, da der Verstärkungsfaktor dann
abnimmt. Eine windrichtungssektoren- und geschwindigkeitsklassenabhängige Korrelation würde
exaktere Ergebnisse liefern.
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Geschwindigkeitskorrelation
14,0
f(x) = 0,43x + 0,25
R² = 0,35
12,0
10,0
8,0
Vaduz
6,0
4,0
2,0
0,0
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00
Balzers
Abb. 2.7: Korrelation zwischen den Messwerten der mittleren Windgeschwindigkeiten in Vaduz in 10m Höhe und am
Messmast Balzers in 50m Höhe.
Windszenarien
Unter Berücksichtigung der Richtungsverteilungen von Vaduz (Abb. 2.1) und Balzers (Abb. 2.2)
sowie nach dem Studium von wissenschaftlicher Fachliteratur (siehe Literaturhinweise in Abschnitt
6) wurden gemeinsam mit dem Auftraggeber Windrichtungsszenarien definiert, für die die
Windfeldanalysen durchgeführt wurden. Tab. 2.1 zeigt die Szenarien und die dazugehörigen
mittleren Windgeschwindigkeiten.
Station Nordwind Südwind bei Föhn Südwind ohne Föhn Westwind Alle Richtungen
Bereich 0° -100° 100° - 205° 100° - 205° 205° - 360° 0° - 360°
Vaduz, 10m 1,82 5,82 1,46 2,06 1,87
30m 3,37 7,87 3,18 3,45 3,58
40m 3,45 8,23 3,22 3,63 3,69
Balzers, 50m 3,64 8,36 3,20 3,80 3,83
Anteil (%): 42,7 5,0 21,1 31,2 100,0
Tab. 2.1: Richtungsbereiche, mittlere Windgeschwindigkeiten (erstellt gemeinsam mit Dr. Bruno Dürr) und Anteil am
Gesamtjahr der vier Windszenarien. Die Richtungsbereiche gelten für die Station Vaduz, der Anteil in % für Balzers,
50m. Die Spalte ganz recht gibt die gewichtete Jahreswindgeschwindigkeit an.
Mit der Häufigkeiten der Szenarien und dem Mittelwind für jedes Szenario kann eine gewichtete
Mittelung durchgeführt werden. Das ergibt eine mittlere Jahreswindgeschwindigkeit (rechte Spalte
in Tab. 2.1).
Vorgaben für das Computermodell
Dem Computermodell müssen unterschiedliche meteorologische Parameter vorgegeben werden,
aus denen die Windfelder berechnet werden (siehe Abschnitt 3). Für den Fall „Südwind bei Föhn“
wurde das an 5 Bodenstationen und einer Radiosondenstation getan. Für die restlichen Fälle an
drei Bodenstationen und einer künstlichen Radiosondenstation.
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Für das Szenario Föhn wurde ein repräsentativer Föhnfall aus der MAP-Datenbank
(www.map.meteoswiss.ch) ausgewählt: 23. Oktober 1999, 00 UTC. Die an den Bodenstationen
verwendeten Messwerte sind in Tab. 2.2 zu sehen. An der Station Heiligkreuz wurden zusätzlich
Daten einer Radiosondenmessung als Vorgaben für das Modell verwendet. Auch diese stammen
aus der MAP-Datenbank.
Station Druck (hPa) Temperatur (°C) Richtung (°) Geschwindigkeit (m/s) Rel. Feuchte (%)
Vaduz 949,2 20,2 180 7,3 35
Weite 942,2 18,9 194 8,7 38
Luzisteig 938,4 18,2 149 7,5 35
Heiligkreuz 949,0 18,1 110 10,0 44
Vilters 947,3 16,9 109 7,1 37
Tab. 2.2: Die Vorgaben für die Bodenstationen für den Fall „Föhn“ aus der MAP-Datenbank für den 23. Oktober
1999, 00 UTC.
Für die anderen drei Szenarien sind die Vorgaben an drei Bodenstationen in Tab. 2.3 zu sehen. Die
Werte stammen aus der Klimatologie (Mittelwerte) und aus meteorologischen Überlegungen und
Annahmen. Die Windrichtungen für den Messmast sind gegenüber jenen in Vaduz verdreht. Eine
Auswertung von gleichzeitigen Windrichtungen in Vaduz und am Messmast hat diese
Verschiebungen ergeben.
Stationen Szenario Nord Szenario West Szenario Süd
gradientschwach, Frontdurchgang gradientschwach,
Wettercharakter
Talaufwind Talabwind
Geschwindigkeit 1,82 m/s 1,85 m/s 1,46 m/s
Richtung 338° 315° 160°
Wolkenuntergrenze 5.000 m 2.000m 5.000m
(16.404 ft) (6.562 ft) (16.404 ft)
Vaduz (10m) Bedeckung 2/10 10/10 2/10
Temperatur 15°C 15°C 15°C
Rel. Feuchte 50% 80% 50%
Stationsdruck 956 hPa 956 hPa 956 hPa
Geschwindigkeit 3,37 m/s 3,45 m/s 3,18 m/s
Richtung 45 ° 260° 200°
Wolkenuntergrenze 5.000 m 2.000m 5.000m
Messmast (30m) Bedeckung 2/10 10/10 2/10
Temperatur 15°C 15°C 15°C
Rel. Feuchte 50% 80% 50%
Stationsdruck 956 hPa 956 hPa 956 hPa
Geschwindigkeit 1.82 m/s 1.85 m/s 1.46 m/s
Richtung 338° 310° 150°
Wolkenuntergrenze 5.000 m 2.000m 5.000m
Bad Ragaz Bedeckung 2/10 10/10 2/10
Temperatur *) 15°C 15°C 15°C
Rel. Feuchte *) 50% 80% 50%
Stationsdruck 956 hPa 956 hPa 956 hPa
Tab. 2.3: Die Vorgaben für die Bodenstationen für die restlichen Fälle. Die Werte stammen aus der Klimatologie und
aus meteorologischen Überlegungen und Annahmen.
Am Standort Messmast ist zusätzlich eine künstliche Radiosonde in das Modell eingegangen. Das
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vertikale Druckprofil dafür entspricht den Werten der US-Standardatmosphäre. Die
Temperaturabnahme mit der Höhe erfolgt je nach Szenario mit unterschiedlichen Gradienten, die
sich nach der angenommenen Stabilität der Atmosphäre und der Feuchtigkeit richten. Die
Windgeschwindigkeit nimmt nach dem logarithmischen Windprofil zu, das mit Hilfe der
Mastmessungen angepasst wurde. Für die Windrichtung werden ebenfalls die Mastmessungen
verwendet.
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3. Analysemethode und Auswertungen
Analysemethode
Um aus den Vorgaben an den Messstationen Windfelder auf einem Gitternetz zu berechnen, wurde
das meteorologische Computermodell CALMET verwendet. Dabei werden die Einflüsse von
Orographie und Oberflächenbeschaffenheit auf das Windfeld berücksichtigt. Aus diesen
topographischen Informationen und je einem Wert von Windrichtung und -geschwindigkeit an den
Messstationen werden an jedem Gitterpunkt Windrichtung und -geschwindigkeit berechnet. Die
geographische Lage des Gitters und dessen Abmessungen werden in Abschnitt 1 beschrieben. Das
Modell rechnet mit einem terrainfolgenden Koordinatensystem, bei dem die Gitterpunkte einer
Ebene immer exakt gleich weit von der Erdoberflächen entfernt sind.
Eingangsdaten für die Berechnungen sind neben den Windwerten der Messstationen die Seehöhe
und Informationen zur Landnutzung an jedem Gitterpunkt. Diese Angaben stammen vom
Schweizer Bundesamt für Landestopografie swisstopo. Die Höhendaten sind Werte des DHM25, die
Landnutzungsdaten wurden der Landeskarte der Schweiz 1:25 000 entnommen. Annahmen für
Lufttemperatur, Luftfeuchte, Luftdruck, Bewölkung und Wolkenuntergrenze wurden entsprechend
des jeweiligen Szenarios getroffen (siehe Abschnitt 2).
Die Analyse erfolgte in Form einer Inverse-Distance-Interpolation mit mathematischen und
physikalischen Constraints: Berücksichtigt wurden kinematische Effekte des Geländes (z.B.
Drängung der Stromlinien an Hindernissen), Hangeffekte (thermische Windsysteme), Blockierung
der Strömung durch Hindernisse und 3D-Divergenzminimierung.
Darstellung des Windfeldes
Aus den Vorgaben der meteorologischen Parameter an den Stationen (siehe Tab. 2.2 und 2.3)
wurden Windrichtung und -geschwindigkeit auf jedem Gitterpunkt des Modells berechnet. Für
diese Untersuchung relevant sind die Werte auf Schicht 5 (50m Höhe über Grund) und Schicht 7
(100m Höhe über Grund). Diese Felder für die 4 Szenarien sind in den Abb. 3.2 bis 3.11 zu sehen.
Abb. 3.1 zeigt das gesamte Untersuchungsgebiet, die Ergebnisdarstellungen zeigen einen
Ausschnitt des ganzen Gebiets.
Die Ergebnisdarstellungen zeigen das horizontale Windfeld in konstant 50m bzw. 100m über
Grund (terrainfolgende Koordinaten). Die Vektoren geben über die Windrichtung Auskunft, die
bunten (blau bis rot) Isotachen über die Windgeschwindigkeit. Der Abstand im relevanten
Talbereich beträgt 0,5 m/s. Die schwarzen Isolinien stellen die Geländehöhen in Meter über dem
Meeresspiegel dar. Der Isolinienabstand beträgt 50m. Das grüne Kreuz zeigt den Standort des
Messmastes bei Balzers. Die Koordinaten an der x- und y-Achse sind der Hoch- und Rechtswert
des UTM (Universal Transverse Mercator) Koordinatensystem (vgl. Tab. 1.1).
Die Ergebnisse des Computermodells, die am Rand liegen, sind ungenau und mit Fehlern behaftet.
Die Vektoren am Rand des Untersuchungsgebietes dürfen daher nicht zur Interpretation des
Windfeldes herangezogen werden.
Überprüfung des Modells für den Föhnfall
Die mit dem meteorologischen Computermodell berechneten Windfelder wurden mit Messungen
eines Szintillometers (Fernerkundungssystem zur Messung von Windgeschwindigkeit mittels Laser)
verglichen. Das Gerät stand in Triesenberg, FL am östlichen Hang des Rheintals. Ein Messstrahl
war auf den gegenüberliegenden (westlichen) Hang des Rheintals nach Ergellen gerichtet. So
konnte die Windgeschwindigkeit auf horizontalen, zweidimensionalen Schnitten normal zur
Talachse in 500m über Grund gemessen werden. Für den Föhnfall am 23. Oktober 1999 um 00
UTC ergab die Szintillometermessung 21,6 m/s mittlere Windgeschwindigkeit in der Talmitte auf
der Höhe von Triesenberg.
Aus dem Computermodell wurde die Windgeschwindigkeit in der vertikal gesehen nächsten
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Schicht 400m über Grund herangezogen (siehe Abb. 3.11). Die fehlenden 100m werden mit dem
logarithmischen Windprofil überbrückt. Das Modell ergab an dieser Stelle 18,0m/s, die Korrektur
um die fehlenden 100m ergibt 19,7 m/s. Die Abweichung beträgt an dieser Stelle somit 9%.
Vorliegende Überprüfung ist keine vollständige Modellverifikation, gibt aber einen Hinweis darauf,
dass die Unschärfe der Berechnungen bei rund 10% liegt.
Beschreibung der Ergebnisse
Abb. 3.2 und 3.3 zeigen das Strömungsfeld in 50m bzw. 100m über Grund für das Szenario
„Südwind bei Föhn“ für einen Ausschnitt des Modellgebiets. Abb. 3.10 zeigt die gleichen
Ergebnisse für den gesamten Modellbereich. Das Flowsplitting, das Teilen der Strömung an der
Abzweigung des Seeztals vom Rheintal, ist gut zu erkennen. Generell sind diese und andere
topographische Effekte in 50m Höhe deutlicher ausgeprägt wie in 100m. Auf 50m kommt der
Stagnationspunkt am Prallhang der Talgabel deutlich zum Ausdruck. Die niedrigsten
Windgeschwindigkeiten betragen dort 1 m/s. Am Ausgang des Luzisteigs im Bereich von Balzers
ist dagegen ein lokales Maximum des Windes aus SSO zu erkennen mit den höchsten
Windgeschwindigkeiten von 8 m/s in 50m und 14 m/s in 100m. Rund um den Stagnationspunkt
ist das Auseinanderströmen gut zu erkennen. In 100m Höhe (man beachte: terrainfolgende
Koordinaten!) ist dieses Muster weniger stark ausgeprägt.
Für den zu wählenden Aufstellungsort der Windkraftanlage hat der angesprochene Bereich mit
reduzierter Windgeschwindigkeit ebenfalls Auswirkungen. Der Standort des Messmastes liegt – vor
allem in 50m Höhe – in einem Bereich mit einem relativ starken Gradient der Windgeschwindigkeit.
In 50m beträgt das Mittel im Modell dort 5-6 m/s, in 100m zwischen 10 und 12 m/s. In 50m kann
eine horizontale Verschiebung des geplanten Aufstellungsortes um wenige 100m eine Zu- oder
Abnahme der mittleren Windgeschwindigkeit um 1-3 m/s bedeuten.
Die Analysekarten für das Szenario „Nord“ sind in Abb. 3.4 (50m Höhe) und Abb. 3.5 (100m Höhe)
zu sehen. Die Felder sind weniger glatt wie beim Föhnfall, es sind einige kleinräumige lokale
Maxima und Minima zu sehen. Die Variationen sind dabei im relevanten Bereich über dem Rheintal
mit +/- 1 m/s gering. Der Grund dafür ist in der geringen Anzahl von Stationen zu suchen. Im
Gegensatz zum Föhnfall (5 Bodenstationen und 1 Radiosondenstation) wurden dem Modell nur 3
Bodenstationen und eine Radiosondenstation vorgegeben. Aus diesem Grund bekommen die
topographischen Effekte mehr Gewicht. Der Standort des Messmastes liegt in sowohl 50m über
Grund, als auch in 100m über Grund bei 4 m/s mittlere Windgeschwindigkeit.
Die Abbildungen für das Szenario „Süd ohne Föhn“ (Abb. 3.6 und 3.7) haben eine ähnliche
Charakteristik wie das Szenario „Nord“: ein relativ unruhiges Feld mit flacher Geschwindigkeits-
verteilung. Es fällt auf, dass der Messmast im Windschatten des Ellhorns liegt. Die mittlere
Geschwindigkeit beträgt dort in beiden Höhen 3 m/s. Im Vergleich zum Föhnfall ist der
Stagnationspunkt am östlichen Hang des Rheintals nach Norden verschoben und das lokale
Maximum über Balzers am Ende des Luzisteigs kommt nicht so deutlich zur Geltung. Auch in
diesem Fall fällt die geringe Anzahl an Stationswerten an den fehlenden Details im Strömungsbild
auf.
Das Szenario „West“ ist in den Abb. 3.8 und 3.9 dargestellt. Die Windrichtungen im gezeigten
Ausschnitt sind von Südsüdwestwind geprägt, auch im nordost-südwest verlaufenden Rheintal.
Am nördlichen Rand der beiden Täler besteht auf der 50m-Karte ein schmaler Bereich mit
talparallel verlaufenden Windvektoren, ein Ergebnis der terrainbedingten Constraints im Modell.
Aber weiter weg von der Topographie überwiegt der Einfluss der Vorgabe der künstlichen
Radiosonde. Am Standort des Messmastes liegt die mittlere Windgeschwindigkeit in beiden Höhen
bei 4 m/s.
Abschätzen des Ertrags
Zunächst wurden die mittleren Jahreswindgeschwindigkeiten für den Standort Messmast in 100m
Höhe über Grund und für einen vom Auftraggeber bestimmten zweiten Punkt in 50m und 100m
aus den Simulationsergebnissen ermittelt. Dieser zweiter Punkt hat die Schweizer Koordinaten
757.600/216.920 und eine Höhe von ungefähr 471 m Seehöhe. Er liegt knapp östlich des Rheins
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zwischen Balzers und Triesen.
Die aus den Modellergebnissen resultierenden mittleren Geschwindigkeiten (grüner Bereich in Tab.
3.1) der Szenarien wurden ins Verhältnis zu den entsprechenden Input-Geschwindigkeiten in
Vaduz gesetzt. Gewichtet mit der Häufigkeit der jeweiligen Szenarien ergibt sich eine mittlere
Jahreswindgeschwindigkeit an den gesuchten Punkten (oranger Bereich) und auch jeweils ein
Verstärkungsfaktor (blauer Bereich). Dieser wird auf die langjährigen Windmessungen in Vaduz
angewendet und somit für den gewünschten Standort eine abgeschätzte Häufigkeitsverteilung der
Windgeschwindigkeitsklassen berechnet.
Standorte Nord Süd ohne F Föhn West Jahr
v mittel, 100m Mast 4,0 3,0 12,0 4,0 4,2
v mittel, 50m 2. Ort 4,0 3,5 9,0 3,5 4,0
v mittel, 100m 2.Ort 4,0 4,0 12,0 4,0 4,4
Gewicht d Szenarien 0,428 0,211 0,050 0,312 1,001
v mittel, Vaduz 10m 1,82 1,46 5,82 2,06 1,92
Gewicht d Szenarien 0,090 0,431 0,050 0,407 0,978
Faktoren 100m Mast 2,20 2,05 2,06 1,94 2,08
Faktoren 50m 2. Ort 2,20 2,40 1,55 1,70 2,05
Faktoren 100m 2. Ort 2,20 2,74 2,06 1,94 2,23
Tab. 3.1: Aus den Strömungssimulationen entnommene mittlere Windgeschwindigkeiten für die einzelnen Szenarien
(grün hinterlegt), das gewichtete Jahresmittel der Windgeschwindigkeit (orange hinterlegt), das jahresbezogene
Gewicht dieser Szenarien in Balzers, die mittleren Windgeschwindigkeiten für die Szenarien in Vaduz und die dort
gültigen jahresbezogenen Gewichte und die Verstärkungsfaktoren an den gesuchten Orten für das ganze Jahr
gemittelt (blau hinterlegt).
Die so angepasste Häufigkeitsverteilung wird der Ertragsprognosesoftware ALWIN for Windows V
2.1b vorgegeben, um daraus eine ungefähre Abschätzung des Ertrags an den gesuchten
Standorten zu erstellen.
Tab. 3.2 bis 3.4 zeigen die berechneten Bruttoenergiebeträge (ohne Abzüge für Transformator-
verlust und Wirkungsgrad) für die zwei gesuchten Standorte Messmast in 100m Höhe, 2. Ort in
92m Höhe und 2. Ort in 100m Höhe. Als Lufttemperatur wurde 15°C angenommen, als
Rauhigkeitslänge 0,1 (landwirtschaftliches Gelände mit einigen Häusern und Hecken).
Turbinentyp Enercon E82, 100m Nabenhöhe, 2MW Leistung
Mittlere Leistung [kW] 347,6
Energie pro Jahr [mWh] 3044,6
Ausnutzungsgrad [%] 17,0
Tab. 3.2: Ertragsprognose für Standort Messmast in 100m Höhe, nach Weibull-Verteilung
Turbinentyp DEWIND 6, 92m Nabenhöhe, 1MW Leistung
Mittlere Leistung [kW] 189,5
Energie pro Jahr [mWh] 1659,7
Ausnutzungsgrad [%] 18,9
Tab. 3.3: Ertragsprognose für Standort 2. Ort in 92m Höhe, nach Weibull-Verteilung
Turbinentyp Enercon E82, 100m Nabenhöhe, 2MW Leistung
Mittlere Leistung [kW] 397,0
Energie pro Jahr [mWh] 3477,9
Ausnutzungsgrad [%] 19,4
Tab. 3.4: Ertragsprognose für Standort 2. Ort in 100m Höhe, nach Weibull-Verteilung
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4.) Empfehlungen für weitere Untersuchungen
● Erstellen einer windrichtungssektoren- und geschwindigkeitsklassenabhängigen
Korrelation
● Herstellen einer differenzierten Klimatologie für die Szenarien
● Erstellen einer Ertragswindrose
● Berücksichtigung der Verteilung der Turbulenzintensität bei der Standortwahl
5.) Literaturhinweise
Chimani, B., 2002: Hochaufgelöste Analysen von Druck- und Temperaturfeldern während Föhn im
Rheintal, Diplomarbeit Uni Wien.
Tschannett, S., 2003: Objektive hochaufgelöste Querschnittsanalyse. Diplomarbeit Uni Wien
H. Richner, K. Baumann-Stanzer, B. Benech, H. Berger, B. Chimani, M. Dorninger, P. Drobinski, M.
Furger, S. Gubser, T. Gutermann, C. Häberli, E. Häller, M. Lothon, V. Mitev, D. Ruffieux, G. Seiz, R.
Steinacker, S. Tschannett, S. Vogt and R. Werner, 2006: Unstationary aspects of foehn in a large
valley part I: operational setup, scientific objectives and analysis of the cases during the special
observing period of the MAP subprogramme FORM. Meteorol Atmos Phys 92, 255-284.
Furger, M., P. Drobinski, A. S. H. Prévôt, R. O. Weber, W. K. Graber, and B. Neininger, 2001:
Comparison of horizontal and vertical scintillometer crosswinds during strong foehn with lidar and
aircraft measurements. J. Atmos. Oceanic Technol., 18, 1975-1988.
Drobinski, P., R. Steinacker, H. Richner, K. Baumann-Stanzer, G. Beffrey, B. Benech, H. Berger, B.
Chimani, A. Dabas, M. Dorninger, B. Dürr, C. Flamant, M. Frioud, M. Furger, I. Gröhn, S. Gubser, T.
Gutermann, C. Häberli, E. Häller-Scharnhorst, G. Jaubert, M. Lothon, V. Mitev, U. Pechinger, M.
Piringer, M. Ratheiser, D. Ruffieux, G. Seiz, M. Spatzierer, S. Tschannett, S. Vogt, R. Werner, and G.
Zängl, 2007: Föhn in the Rhine Valley during MAP: A review of its multiscale dynamics in complex
valley geometry. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 133, 897-916 doi: 810.1002/qj.1070.
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Abb. 3.1: Modellausschnitt zur Berechnung der Windfelder. Die grünen Kreuze zeigen die verwendeten Stationen: 1
= Vaduz, 2 = Weite, 3 = Heiligkreuz, 4 = Vilters, 5= Luzisteig. Das blaue Kreuz zeigt die Lage des Messmastes. Der
Abstand zwischen zwei Achsenbeschriftungen beträgt in x-Richtung 1 km, in y-Richtung 2 km.
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Abb. 3.2: Ausschnitt des Modellbereichs mit horizontalem Windfeld (Vektoren und Isotachen) in 50m Höhe über
Grund für das Szenario „Föhn“. Der Abstand zwischen zwei Achsenbeschriftungen beträgt 1 km. Weitere
Erläuterungen im Text.
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Abb. 3.3: Ausschnitt des Modellbereichs mit horizontalem Windfeld (Vektoren und Isotachen) in 100m Höhe über
Grund für das Szenario „Föhn“. Der Abstand zwischen zwei Achsenbeschriftungen beträgt 1 km. Weitere
Erläuterungen im Text.
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Abb. 3.4: Ausschnitt des Modellbereichs mit horizontalem Windfeld in 50m Höhe für Szenario „Nord“. Erläuterungen
für die Windvektoren (oben) und die Isotachen (in m/s, unten) im Text. Der Abstand zwischen zwei
Achsenbeschriftungen beträgt 1 km.
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Abb. 3.5: Ausschnitt des Modellbereichs mit horizontalem Windfeld in 100m Höhe für Szenario „Nord“.
Erläuterungen für die Windvektoren (oben) und die Isotachen (in m/s, unten) im Text. Der Abstand zwischen zwei
Achsenbeschriftungen beträgt 1 km.
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Abb. 3.6: Ausschnitt des Modellbereichs mit horizontalem Windfeld in 50m Höhe für Szenario „Süd ohne Föhn“.
Erläuterungen für die Windvektoren (oben) und die Isotachen (in m/s, unten) im Text. Der Abstand zwischen zwei
Achsenbeschriftungen beträgt 1 km.
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Abb. 3.7: Ausschnitt des Modellbereichs mit horizontalem Windfeld in 100m Höhe für Szenario „Süd ohne Föhn“.
Erläuterungen für die Windvektoren (oben) und die Isotachen (in m/s, unten) im Text. Der Abstand zwischen zwei
Achsenbeschriftungen beträgt 1 km.
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Abb. 3.8: Ausschnitt des Modellbereichs mit horizontalem Windfeld in 50m Höhe für Szenario „West“. Erläuterungen
für die Windvektoren (oben) und die Isotachen (in m/s, unten) im Text. Der Abstand zwischen zwei
Achsenbeschriftungen beträgt 1 km.
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Abb. 3.9: Horizontales Windfeld in 100m Höhe für Szenario „West“. Erläuterungen für die Windvektoren (oben) und
die Isotachen (in m/s, unten) im Text. Der Abstand zwischen zwei Achsenbeschriftungen beträgt 1 km.
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Abb. 3.10: Gesamter Modellbereich mit horizontalem Windfeld (Vektoren und Isotachen) in 50m Höhe über Grund
(oben) und 100m über Grund (unten) für das Szenario „Föhn“. Der Abstand zwischen zwei Achsenbeschriftungen
beträgt 2 km. Weitere Erläuterungen im Text.
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Abb. 3.11: Gesamter Modellbereich mit horizontalem Windfeld (Vektoren und Isotachen) in 400m Höhe über Grund
für das Szenario „Föhn“. Der Abstand zwischen zwei Achsenbeschriftungen beträgt 2 km. Weitere Erläuterungen im
Text.
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