EISBALL

Standortspezifische Simulation von Eisfall und Eiswurf von  Windenergieanlagen mittels ballistischer Modelle (EISBALL)

Projektbeginn: Mai 2018

Kontakt: Markus Drapalik

Windenergie soll im zukünftigen Energiemix Österreich eine wichtige Rolle spielen. Hierbei wird der Ausbau der Windenergie unter anderem dadurch beschränkt, dass zahlreiche Gunst-flächen bereits genutzt wurden. Auch der bereits stattfindende Austausch älterer Anlagen durch leistungsstärkere (Repowering) an Gunststandorten ist hinsichtlich der politischen Ziel-setzung nicht ausreichend. Daher müssen neue Flächen erschlossen werden, wodurch technisch anspruchsvollere Standorte wie zum Beispiel Wald und (vor-)alpine Gegenden interessant werden.

Mit zunehmender Komplexität des Geländes bzw. größerer Vereisungshäufigkeit steigt auch die Bedeutung von Risikoanalysen zum Eisfall bzw. –wurf. Dafür werden üblicherweise ballistische Modelle eingesetzt, die zur Berechnung der Fallweiten dienen. Die derzeit eingesetzten Modelle weisen jedoch wesentliche Schwachstellen auf. So zeigt der Vergleich zwischen Experimenten und Modellrechnungen, dass keines der bisherigen Modelle die Fallweiten befriedigend reproduzieren kann. Weiters sind für die bestehenden Modelle keine Zuverlässigkeits-grenzen bekannt, wodurch aus Sicherheitsgründen wesentlich höhere Abstände von Wind-kraftanlagen zu Infrastrukturen gewählt werden müssen. Schließlich wurden die verwendeten Simulationsprogramme zumeist für ebenes oder gleichmäßig geneigtes Terrain ausgelegt, komplexere Strukturen werden schlecht oder gar nicht erfasst.

Dieses im Rahmen des Energieforschungsprogramms der FFG geförderte Projekt nimmt sich dieser Probleme durch die Entwicklung eines neuartigen Modells und dazugehöriger Simulationswerkzeuge an. Als Datenbasis dienen hierbei Beobachtungen und 1:1-Experimente. Letztere haben den entscheidenden Vorteil, wetterunabhängig große Stichprobenzahlen zu ermöglichen, wodurch statistisch signifikante Aussagen möglich werden. Bei den Experimenten werden Probekörper von WEA fallen gelassen oder abgeworfen. Die verwendeten Probekörper basieren auf 3D-Scans von realen Eisfragmenten, welche in Vorprojekten gefunden und digitalisiert wurden. Mit Hilfe eines 3D-Druckverfahrens können diese in passender Dichte und ausreichender Anzahl reproduziert werden. Diese Herangehensweise stellt ein Alleinstellungsmerkmal dar, da diese Methode von keinem anderen Akteur in diesem Forschungsfeld eingesetzt werden kann bzw. wird. Die prinzipielle Machbarkeit dieser Studien wurde vom ISR in Vorprojekten gezeigt (Eisfall-Experimente, Urbane Windenergie – links) und geeignete Vorrichtungen entwickelt.

Das Modell selbst basiert auf einem Modell mit sechs Freiheitsgraden (6 Degrees of Freedom Model), für die vollständige Abbildung aller Möglichkeiten von Translation und Rotation. Gegenüber anderen Modellen werden hier neben dem Strömungswiderstand auch zusätzliche Kräfte durch Autorotation berücksichtigt. Die dafür notwendigen Parameter werden durch numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics) ermittelt. Das Modell wird in eine Simulationsumgebung eingebettet, die sowohl Brüche der Eisfragmente während des Fallens berücksichtigt, als auch komplexes Terrain.

Das entwickelte Tool ermöglicht nicht nur verbesserte Sicherheitsanalysen, sondern auch Ableitungen für technologische Anpassungen und Optimierung von WEA an bestimmte Standortbedingungen. Besonders hervorzuheben ist, dass die verbesserten Sicherheitsanalysen und validierten Werte für Eisfall und Eiswurf die Erschließung neuer Standorte ermöglichen, welche aktuell aufgrund übermäßig konservativer Sicherheitsabstände nicht oder nur eingeschränkt bebaut werden können.

Partner

WEB Windenergie AG – www.windenergie.at/

Energie Burgenland Windkraft – http://www.energieburgenland.at/oekoenergie/windkraft/unternehmen/kurzportraet.html

Universität für Bodenkultur Wien