Emissionsfreies System zur Nachtkennzeichnung kann in Serie gehen

19. Juli 2018 | Kira Crome

Das Parasol-System „lauscht“ in den Luftraum eines Windparks, erkennt über reflektierende Rundfunksignale sich nähernde Flugzeuge und steuert entsprechend die Kollisionsbefeuerung © Fraunhofer FHR.

Die Möglichkeit, die nächtliche Befeuerung an Windenergieanlagen auf ein Mindestmaß zu reduzieren und dem tatsächlichen Bedarf entsprechend zu steuern, ist um eine technische Lösung reicher: Das Passiv-Radar-System Parasol nutzt vorhandene Fernseh- und Mobilfunkwellen zur Überwachung des Luftraums über einem Windpark. Das emissionsfreie System ist kürzlich von der Deutschen Flugsicherung zugelassen worden. Damit haben jetzt drei Systeme Marktreife erlangt.

Der Name des technischen Systems zur bedarfsgerechten Kennzeichnung von Windenergieanlagen ist Programm: Wie ein Sonnenschirm spannen die Parasol-Sensoren einen Schutzbereich über dem Windpark auf und erfassen so, ob im Dunkel der Nacht ein niedrigfliegendes Flugzeug den hohen Anlagen gefährlich nahe kommt. Wird eine Flugbewegung ausgemacht, schaltet das System die weithin sichtbaren roten Kollisionswarnlichter an den Türmen automatisch an – und auch wieder aus, wenn sich das Flugzeug aus dem Luftraum entfernt hat. Anders als andere Primärradar-Systeme sendet das Parasol-System keine eigenen Radarsignale aus, sondern nutzt für die Ortung von Flugzeugen die vorhandenen Frequenzen des Digitalfernsehens. Weil es keine zusätzlichen Radaremissionen erzeugt, gilt das Verfahren als besonders umweltverträglich.

Den Luftraum belauschen
Entwickelt wurde Parasol (kurz für: Passiv Radar basierte Schaltung der Objektkennzeichnung für die Luftfahrt) am Bonner Fraunhofer Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik mit finanzieller Unterstützung des Bundesumweltministeriums. Das System besteht aus drei im Windpark montierten Sensoren, die jeweils mit zwei Antennen ausgestattet sind. Sie „belauschen“ sozusagen ohnehin schon vorhandene Signalquellen der digitalen Fernseh- und Mobilfunknetze DVB-T1/2 und DAB plus. „Deren Signale sind für die passiven Radarsensoren, die im Projekt Parasol zum Einsatz kommen, besonders dienlich“, erklärt Professor Daniel O’Hagan, Abteilungsleiter am Fraunhofer FHR, „weil die Rundfunksender ihre Signalenergie bei niedrigen Höhen unter 1.000 Meter bündeln. Die ausgesendeten Signalformen und Verarbeitungsalgorithmen eignen sich gut für die Unterscheidung unterschiedlicher Objekte in dem Luftraum.“

Technisch basiert die Objekterkennung auf der Auswertung von Radarechos: Die Parasol-Sensoren tasten die Rundfunksignale ab und erkennen Abweichungen, die von einem bewegten Objekt in der Luft erzeugt werden. Diese Reflexionen zeigen sich als Frequenzverschiebungen, die das System mathematisch auswertet. So können Ort und Geschwindigkeit eines Objekts bestimmt werden. „Konkret nutzen wir das Ausstrahlungssignal von DVB-T2“, sagt O’Hagan. „Durch einen Vergleich mit dem Originalsignal und dem, was Parasol tatsächlich empfängt, kann das System feststellen, ob ein Flieger in der Umgebung ist. Das Signal wird durch die Reflexion am Rumpf des Flugzeugs so verzerrt, dass Ort und Geschwindigkeit aus dem ‚Echo‘ ermittelt werden können.“ Die Bildqualität in heimischen Wohnzimmern werde im Übrigen durch die Messungen nicht beeinflusst, beruhigt der Wissenschaftler. Dafür seien die Flugzeugechos gegenüber dem direkten Sendesignal schlicht zu gering.

Die Parasol-Sensoren erfassen im Passivradar die Echos bewegter Objekte im Windpark-Luftraum: Die Rotorblätter (mittig) sind deutlich von der Spur eines vorbeifliegenden Kleinflugzeugs (rechts) zu unterscheiden. © Fraunhofer FHR

In der Praxis getestet wurde das Parasol-System über mehrere Jahre hinweg im Windpark Reußenköge der Dirkshof-Gruppe in Nordfriesland. Ziel der Messkampagnen und Testflüge war es, die sensible Echodeutung technisch-mathematisch korrekt zu interpretieren. Weil die Radarechos, die durch ein Flugobjekt hervorgerufen werden, so geringfügig ausfallen, lag eine besondere Herausforderung der Entwicklung darin, die Frequenzabweichungen im Parasol-Lauschbereich mathematisch zu klassifizieren und bewegte Objekte eindeutig voneinander zu unterscheiden. Verzögert wurde die Projektentwicklung durch die Signalumstellung des digitalen Fernsehens auf DVB-T2. Weil dessen Signalwellen vergleichsweise mehr Informationen beinhalten, musste das Parasol-System daran entsprechend angepasst werden.

DFS-Zulassung liegt vor
Im Mai hat das alternative System für die bedarfsgerechte Nachtkennzeichnung nun die für den breiten Einsatz vorgeschriebene Anerkennung der Deutschen Flugsicherung (DFS) erhalten. Damit kann Parasol nun in Serie gehen. Seine Entwickler sprechen schon von einer regen Nachfrage. Neben dem Wegfall zusätzlicher elektromagnetischer Strahlung, wie sie andere Primärradar-Systeme benötigen, schreiben die Parasol-Entwickler dem System weitere praktische Vorteile zu: Es macht eine Frequenzfreigabe durch die Bundesnetzagentur verzichtbar. Es arbeite unabhängig von Witterungseinflüssen und sei zudem wartungsärmer, weil keine aktiven Systeme verbaut würden. Damit sei das System kostengünstig. Bei einem Windpark mit mehreren Dutzend Anlagen belaufen sich die Anschaffungskosten nach eigenen Angaben auf etwa 450.000 Euro. Enthalten seien darin Installation und die für die DFS-Genehmigung erforderlichen Testflüge vor Inbetriebnahme.

Damit sind nun drei verschiedene Systeme zur bedarfsgerechten Nachtkennzeichnung am Markt, die von der DFS zugelassen und in ersten Windparks im Einsatz sind. Die beiden anderen Primärradar-Systeme neben Parasol, Airspex von Enertrag und Quantec Networks mit einem System des dänischen Unternehmens Terma, das auch der Windenergieanlagenhersteller Nordex verwendet, arbeiten hingegen mit Aktiv-Radar. Das heißt: Sie sind mit Sendern und Empfängern ausgestattet, die eigene elektromagnetische Signale aussenden und die von einem sich dem Windpark nähernden Flugzeug reflektierten Echos aufzeichnen. Weil Aktivradar-Systeme jeweils eine eigene Frequenz benötigen, setzt jeder Standort, an dem das System zum Einsatz kommen soll, eine entsprechende behördliche Frequenzzuteilung voraus.

Mit diesen Systemen könnte das nächtliche Dauerblinken der roten Kollisionswarnlichter an Windenergieanlagen bald der Vergangenheit angehören. Das Interesse an den technischen Lösungen, die die Befeuerung auf ein Mindestmaß reduzieren und dem tatsächlichen Bedarf entsprechend steuern können, wächst. Nicht nur weil mit einer entsprechenden Änderung der Allgemeinen Verwaltungsvorschrift zur Kennzeichnung von Luftfahrthindernissen (AVV) zum 1. August 2015 solche beeinträchtigungsmindernden Lösungen grundsätzlich möglich sind. Das liegt auch am Trend zum Repowering, bei dem ältere, kleinere Windenergieanlagen durch moderne leistungsstärkere Anlagen ersetzt werden. Weil diese aber inzwischen meist höher als 100 Meter sind, fallen sie als Luftfahrthindernis unter die gesetzlich vorgeschriebene Kennzeichnungspflicht. Viele der Anlagen der ersten Generation erreichen in den kommenden Jahren ihre betriebliche Leistungsgrenze. Zudem ist in Mecklenburg-Vorpommern eine Befeuerung nach Bedarf seit Anfang des Jahres mit der Novellierung der Landesbauordnung verpflichtend für alle Windparks, die mehr als vier Windenergieanlagen umfassen. In Nordrhein-Westfalen wird derzeit die Einführung einer allgemeinen Pflicht zur bedarfsgerechten Befeuerung für neue Windenergieanlagen diskutiert. Systeme zur automatischen bedarfsgerechten Nachtkennzeichnung könnten in der Debatte um die ungestörte Dunkelheit des Nachthimmels praktische Abhilfe schaffen, hofft die Branche.

Weiterführende Informationen:
EnergieDialog.NRW, 15.02.2017: Befeuerung verträglich gestalten: Welche akzeptanzsteigernden Lösungen erlaubt die neue Verwaltungsvorschrift?

Fachagentur Windenergie an Land (2016): Bedarfsgerechte Nachtkennzeichnung von Windenergieanlagen. Hintergrundpapier.