Emissionsfreie Befeuerungstechnik für schlanke Riesen

1. April 2014 | Kira Crome

Windräder blinken nur bei Bedarf

Die Sensoren werden am Windmast befestigt. Die Warnleuchten blinken nur, wenn das Radarsystem ein Flugzeug erfasst.
© Fraunhofer FHR

Um herannahende Flugzeuge zu warnen, müssen Windenergieanlagen nachts und bei schlechter Sicht befeuert werden. Weil die weithin sichtbaren Dauerleuchtfeuer vielerorts Kritik schüren, sollen innovative Steuerungssysteme Abhilfe schaffen: Sie erfassen Flugbewegungen und schalten die Befeuerung nur dann ein, wenn sich ein Flugzeug tatsächlich nähert. Das Fraunhofer Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik hat jetzt erfolgreich einen Prototyp getestet, der anders als Transponder- oder Primärradar-Systeme auf Passiv-Radar basiert.

Die Idee ist einfach: Die Kollisionswarnlichter an Windenergieanlagen, die das Luftverkehrsgesetz für Anlagen ab 100 Metern Nabenhöhe vorschreibt, schalten sich nachts oder bei schlechten Sichtverhältnissen nur dann ein, wenn sich tatsächlich ein Flugzeug oder ein Helikopter auf einem kritischen Kurs befindet. Eine solche clevere Steuerung würde die Dauer der blinkenden Warnlichter, die viele Anwohner in der Nähe von Windparks stört, erheblich verkürzen. Das Interesse an einer bedarfsgerechten Regelung wächst. Das liegt auch am Trend zum Repowering, bei dem ältere Windparks mit kleineren Windenergieanlagen verkleinert und durch moderne leistungsstärkere Anlagen ersetzt werden. Die aber sind meist höher als 100 Meter und fallen daher als Luftfahrthindernis unter die gesetzlich vorgeschriebene Kennzeichnungspflicht. „Viele Gemeinden und Windparkbetreiber fürchten um die Akzeptanz ihrer Projekte bei den Bürgern. Vorkehrungen zur Verringerung der nächtlichen Lichtbelastung tragen dazu bei, Zustimmung für Windenergieprojekte zu gewinnen“, sagt Heinz-Jürgen Schütz vom EnergieDialog.NRW der EnergieAgentur.NRW.

An einer Lösung wird in der Windbranche fieberhaft gearbeitet. Doch die ist technisch komplex. Denn eine bedarfsgerechte Regelung der nächtlichen Befeuerung setzt voraus, dass alle Flugbewegungen in der Umgebung einer Windenergieanlage erfasst und analysiert werden. Derzeit werden unterschiedliche Systeme, die kritische Flugbewegungen um einen Windpark herum erkennen können, in Feldversuchen erprobt.

Erste Prototypen: Transponder und Aktiv-Radar
Ein Pilotsystem im schleswig-holsteinischen Windpark Wiemersdorf etwa nutzt die Transpondersignale, die Flugzeuge und Helikopter gegenüber der Luftraumüberwachung und anderen Flugobjekten in der Umgebung aussenden. Empfänger an Windenergieanlagen nehmen diese Signale auf, werten sie aus und schalten die Leuchtfeuer im Bedarfsfall an. Allerdings besteht derzeit noch keine gesetzliche Pflicht zur Nutzung eines Transponders für alle niedrig fliegenden Flugzeuge. Ein anderer Ansatz, der derzeit im Bürgerwindpark Ockholm-Langenhorn in Schleswig-Holstein getestet wird, arbeitet mit Primär- oder sogenanntem Aktiv-Radar. Das technisch vergleichsweise komplexere System sendet eigene Ortungssignale aus, errechnet aus den empfangenen Echos die Annäherung von Flugobjekten und regelt die Befeuerung entsprechend. Weil das System eine eigene Frequenz benötigt, setzt jeder Standort, an dem das System zum Einsatz kommen soll, eine entsprechende behördliche Frequenzzuteilung voraus. Ein weiterer Nachteil: Weil die Sensoren so positioniert werden müssen, dass sie vom Rand des Windparks nach außen lauschen, bleibt ein „blinder Fleck“ im Inneren des Windparks.

„Mit den Passiv-Radar-Sensoren spannen wir über dem Windpark quasi einen Schutzbereich wie einen Sonnenschirm auf.“

Passiv-Radar: Nutzung vorhandener Rundfunksendernetze
Das Fraunhofer Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik (FHR) hat jetzt eine Methode entwickelt, die mit emissionsfreien Passiv-Radar-Sensoren arbeitet. Das bedeutet, dass sie – anders als beim Aktiv-Radar – keine eigene Radarstrahlung abgeben. Sie nutzen stattdessen vorhandene Rundfunksendernetze, um Flugzeuge auf eventuellem Kollisionskurs zu orten. „Digitale Radio- und Fernsehsignale wie DAB+ und DVB-T eignen sich aufgrund ihrer Signalformen besonders, um Objekte zu unterscheiden“, erklärt Heiner Kuschel, Abteilungsleiter am FHR in Wachtberg. Die Rundfunksender senden Signale aus, die von den beobachteten Objekten reflektiert werden. Mithilfe mathematischer Algorithmen vergleicht das Passiv-Radar-Sensorsystem das Echosignal mit dem direkt empfangenen Rundfunksignal. Dieser Vergleich erlaubt die Berechnung von Entfernung, Ort und Geschwindigkeit eines sich nähernden Flugobjekts.

„Wir können das System ohne eigenes Sendemodul betreiben. Deshalb erfordert dieses Verfahren keine Sendegenehmigung wie bei anderen, aktiven Verfahren“, so Kuschel. Das sei nicht nur kostengünstiger und weniger genehmigungsintensiv. Es löse auch das Problem der blinden Zone: Das System setzt sich aus drei Sensoren zusammen, die jeweils aus einer Antenneneinheit am Windradmast und einer Signalverarbeitung im Mast bestehen. „Mit den Passiv-Radar-Sensoren spannen wir über dem Windpark quasi einen Schutzbereich wie einen Sonnenschirm auf.“ Die Kollisionswarnlichter werden nur dann eingeschaltet, wenn sich ein Flugzeug in einem Umkreis von vier Kilometern befindet und unter einer Höhe von 700 Metern fliegt.

Noch keine Serienproduktion
Ein Prototyp der Anlage wurde im vergangenen Oktober im Bürgerwindpark Reußenköge bei Husum installiert und erfolgreich getestet. Aktuell optimieren Heiner Kuschel und sein Team die Algorithmen zur Signalanalyse. „Wir hoffen, dass wir mit unserem System bald in Betrieb gehen können“, sagt der Abteilungsleiter, dessen Forschungsvorhaben vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) mit rund 1,2 Millionen Euro gefördert wird.

Noch ist keines der drei unterschiedlichen Systeme zur Windpark-Befeuerung, bis auf die laufenden Versuchsprojekte, zugelassen. Ein entsprechender Gesetzentwurf, der die nötigen Rahmenbedingungen zur Einführung einer bedarfsgerechten Befeuerung von Windenergieanlagen schaffen soll, ist beim zuständigen Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung in Arbeit.

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