Windenergieanlagen und die Gefahr durch Eiswurf

23. Januar 2017 | Simon Trockel

© Kira Crome

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Eisabwurf ist eine allgemeine Gefahr, die bei winterlichen Witterungsbedingungen z.B. an Häusern, Brücken und anderen baulichen Objekten entstehen kann. Bei Windenergieanlagen hängt die Eisbildung vom Standort ab. Je häufiger eine Anlage kalter und zugleich feuchter Witterung ausgesetzt ist, desto eher kann die Oberfläche der Rotorblätter vereisen. Sehr große Windräder in höheren Lagen sind besonders anfällig dafür. Der Fachartikel fasst die genehmigungsrechtlichen Anforderungen ebenso zusammen wie die gutachterliche Vorgehensweise sowie technische Lösungen.

Fachbeitrag von Simon Trockel, EnergieAgentur.NRW

Eine Vereisung von Windenergieanlagen entsteht entweder durch das Auftreffen kühler Wassertropfen auf das Rotorblatt oder durch die Bildung von Reif auf den Profilen. Es bilden sich dabei je nach meteorologischen Bedingungen sowohl großflächige Eisplatten über einen großen Bereich des Rotorblattes als auch kleinere Eisstücke, die von der Rotorblattkante abbrechen können. Auch wenn bisher in Deutschland keine Fälle bekannt sind, in denen Menschen durch herabfallendes Eis von Windenergieanlagen zu Schaden gekommen sind, besteht dennoch eine potenzielle Gefährdung. Wie hoch das Risiko eines konkreten Windenergievorhabens ist, muss daher im Zuge des Genehmigungsverfahrens untersucht werden. Es hängt unter anderem von der Vereisungshäufigkeit, den Windverhältnissen und dem Geländeprofil am Standort sowie der Nutzung der umliegenden Flächen ab.

Während der Betriebsphase ist der Betreiber verpflichtet, die Windenergieanlage zu stoppen, bevor kritische Eismassen aufwachsen, um das Umfeld vor Eisabwurf zu schützen. Gleichzeitig muss aber aus Betreibersicht auch die erhöhte Beanspruchung der Anlage aufgrund von Unwuchten unbedingt vermieden werden.

Wissenschaftliche Untersuchungen
Bisher gibt es nur wenige wissenschaftliche Studien zu dem Thema. Bereits Ende der Neunzigerjahre wurden in dem Projekt „Wind Energy Production in Cold Climates“ – WECO[1] Beobachtungen, Messungen, Simulationen und Berechnungen zur Vereisung von Windenergieanlagen in vereisungsgefährdeten Gebieten durchgeführt und Empfehlungen für die Praxis formuliert. Vor dem Hintergrund der Abschätzung einer maximalen Eiswurfweite gilt seitdem ein Orientierungswert von 1,5 x (Rotordurchmesser + Nabenhöhe) der Windenergieanlage als ausreichender Abstand zu gefährdeten Objekten.

Empirische Felduntersuchungen zu Eisabwurf von Windenergieanlagen sind ebenfalls selten. Ein Forschungsprojekt in den Schweizer Alpen[2] untersuchte 2012 eine Windenergieanlage mit 50 Metern Nabenhöhe und 40 Metern Rotordurchmesser. Die Hälfte der Eisstücke wurde dabei direkt innerhalb des Rotorradius der Anlage (20 m) gefunden. Die maximale Entfernung der Eisstücke von der Anlage lag deutlich unterhalb der theoretischen Annahme aus dem WECO-Bericht. Eindeutig war der Zusammenhang zwischen den Windverhältnissen und den gefundenen Eisstücken. So wurden fast ausschließlich Eisstücke in Windrichtung von der Anlage gefunden.

Genehmigungsvoraussetzungen
Für die Genehmigung einer Windenergieanlage müssen die Prüfaspekte des § 6 Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) gegeben sein. Dazu zählen öffentlich-rechtliche Vorschriften unter anderem des Bauordnungsrechts. Nach § 3 Abs. 1 Bauordnung NRW (BauO NRW) sind bauliche Anlagen so zu errichten und zu betreiben, dass die öffentliche Sicherheit und Ordnung, insbesondere Leben und Gesundheit, nicht gefährdet werden. Das gilt entsprechend auch für Windenergieanlagen. Die Gefährdung durch herabfallendes Eis wird daher im Zuge des immissionsschutzrechtlichen Genehmigungsverfahrens geprüft. Der Antragsteller hat entsprechende Gutachten vorzulegen. Zuständig für die Prüfung sind die jeweiligen Bauordnungsämter.

Rechtliche Vorgaben
Wegen der Gefahr des Eisabwurfes sind in Nordrhein-Westfalen Abstände von Windenergieanlagen zu Verkehrswegen, Erholungseinrichtungen und Gebäuden einzuhalten oder funktionssichere technische Einrichtungen zur Gefahrenabwehr erforderlich. Der Windenergie-Erlass NRW (Kapitel 5.2.3.5) verweist für die detaillierten Anforderungen auf die Muster-Liste der Technischen Baubestimmungen (LtB). Diese enthält eine Vielzahl technischer Regeln für die Planung, Bemessung und Konstruktion baulicher Anlagen. Vor dem Hintergrund des WECO-Berichts gelten Abstände zu Verkehrswegen und Gebäuden größer als 1,5 x (Rotordurchmesser + Nabenhöhe) der Windenergieanlage demnach in nicht besonders eisgefährdeten Regionen als ausreichend (LtB Anlage 2.7/12, Absatz 2). In diesem Fall bedarf es in der Regel keiner weiteren Prüfung im Zuge des Genehmigungsverfahrens.

Sind die Abstände zu Schutzobjekten geringer als die 1,5-fache Höhe oder soll die Windenergieanlage in einer eisgefährdeten Region errichtet werden, ist die Stellungnahme eines anerkannten Sachverständigen notwendig und das Risiko für Sach- und Personenschäden durch Eisabwurf standortspezifisch zu bewerten.

Des Weiteren ist in diesem Fall die Windenergieanlage mit funktionssicheren technischen Einrichtungen auszustatten, die eine Abschaltung bei Eisansatz sicherstellen (Eiserkennungssysteme) bzw. einen Eisansatz generell verhindern (Enteisungssysteme). Auch darüber ist ein gutachterlicher Nachweis einzureichen. (Anlage 2.7/12, Absatz 3.3). Dieser wird entweder durch den Hersteller der technischen Einrichtung oder durch den Hersteller der Windenergieanlage, in die das System eingebaut wird, zur Verfügung gestellt.

Eiserkennungssysteme
Es sind verschiedene zertifizierte Eiserkennungssysteme auf dem Markt, die sich technologisch unterscheiden. Bereits länger etabliert sind Messstationen, die auf dem Maschinenhaus der Windenergieanlage angebracht werden und verschiedene meteorologische Parameter überwachen. Lassen die Witterungsbedingungen die Gefahr von Eisbildung erkennen, wird die Windenergieanlage automatisch abgestellt. Erscheint nach einer längeren Tauphase ein sicherer, eisfreier Betrieb wieder möglich, kann die Anlage gegebenenfalls wieder angefahren werden. Der Betreiber muss vorher die tatsächliche Vereisung vor Ort, gegebenenfalls auch über eine zusätzlich angebrachte Webcam, optisch überprüfen und sich vergewissern, dass ein problemloses Wiederanfahren der Anlage möglich ist.

Andere Systeme überwachen nicht die Witterungsbedingungen, sondern das aerodynamische Verhalten der Anlage mit Hilfe der Betriebsdaten. Insbesondere wird die tatsächliche Leistung einer Anlage mit der vermessenen Leistungskurve verglichen. So lassen sich Anzeichen für eine Vereisung ebenfalls frühzeitig erkennen und die Anlage schaltet ab, bevor es zu kritischen Eisbildungen kommt.

In den letzten Jahren wurden neue Systeme entwickelt, die ein sogenanntes Rotorblattmonitoring ermöglichen. Dieses Monitoring wird unter anderem zur Eiserkennung genutzt. Die Überwachung erfolgt dabei mithilfe von Sensoren, die die Verschiebung der Eigenfrequenzen der Rotoren messen. Manche Systeme nutzen dazu elektrische Sensoren, die die Änderung des elektrischen Widerstands von eisumschlossenen Leitern überwachen. Andere Anbieter setzen auf faseroptische Sensoren, die das Schwingungsverhalten der Rotorblätter messen. Aufgrund der Gewichtszunahme von vereisten Rotorblättern und der entsprechenden langsameren Schwingungen kann der Grad der Vereisung berechnet werden. Die Monitoringsysteme erkennen bereits bei sehr geringen Windimpulsen im Bereich des Trudelbetriebs, ob die Windenergieanlage wieder eisfrei ist. Daher können diese Systeme auch das Wiederanfahren der Anlage automatisch regeln. Eine aufwendige und teure Überprüfung vor Ort ist damit nicht mehr notwendig.

Enteisungssysteme
Über sogenannte Rotorblattheizungen kann ein Eisansatz von Windenergieanlagen technisch mittlerweile reduziert oder sogar gänzlich verhindert werden. Durch die Erwärmung feiner Heizdrähte in der Oberfläche der Rotorblätter oder die warme Luftdurchströmung der Hohlräume kann bei Eiserkennung das schnelle Abtauen bewirkt werden. So lassen sich Stillstandzeiten und damit unnötige Betreiberverluste von Windenergieanlagen verringern. Allerdings ist der Einsatz von solchen Enteisungssystemen in Deutschland noch eher selten, da er sich an den meisten Standorten unserer gemäßigten Breiten wirtschaftlich noch nicht lohnt. In Frage kommen Rotorblattheizungen für Betreiber bisher allenfalls in Bergregionen.

Geforscht wird derzeit außerdem an speziellen eisabweisenden Oberflächenbeschichtungen auf Basis pyroelektrischer Polymere. Diese Polyelektrika reagieren auf Temperaturveränderungen mit einer veränderten Oberflächenladung. Durch die elektrostatische Abstoßungsreaktion wird der Ansatz von Eispartikeln deutlich erschwert. Allerdings ist diese Grundlagenforschung im Projekt „Aktive eisabweisende Oberflächen“ (EISAB) derzeit noch ein gutes Stück von der praktischen Anwendung entfernt.

Risikoanalyse und -bewertung
Für die Risikobewertung ist zwischen Eisabwurf und Eisabfall zu unterscheiden. Eisabwurf meint die Ablösung von Eisstücken während des Betriebs der Windenergieanlage, während Eisabfall die Ablösung von der stillstehenden bzw. trudelnden Anlage meint. Verfügt das geplante Windrad nicht über ein funktionssicheres System der Eiserkennung und ist somit der Eisansatz im Betrieb nicht ausgeschlossen, muss die Stellungnahme des Sachverständigen das Risiko durch Eisabwurf untersuchen. Ist eine solche Einrichtung vorhanden, bezieht sich die Risikoanalyse in der Regel auf den möglichen Eisabfall der stillstehenden Anlage, da die Gefahr herunterfallender Eisstücke nie gänzlich ausgeschlossen werden kann. Auch beim zusätzlichen Einsatz eines Enteisungssystems kann der Eisansatz an den Rotorblättern und insbesondere an Gondel und Nabe nicht vollständig verhindert werden.

Die Risikoanalyse und Risikobewertung durch Eisabwurf bzw. Eisabfall an einem konkreten Standort ist immer mit Unsicherheiten verbunden, z.B. aufgrund der Datengrundlage (Windverhältnisse, Vereisungstage am Standort etc.). Grundsätzlich berechnen die Gutachter das Risiko daher unter sehr konservativen Annahmen. Die Berechnungsmethodik ist dabei nicht standardisiert und die Vorgehensweise der Sachverständigen unterscheidet sich in dem einen oder anderen Detail. Der Ablauf der Erstellung des Gutachtens ist aber immer ähnlich: Zunächst wird der konkrete Standort in den Blick genommen. In Abstimmung mit dem Projektentwickler werden die zu betrachtenden Schutzobjekte ermittelt. Dann wird der Bewertungsmaßstab festgelegt, d.h. es wird in der Regel ein Grenzwertbereich definiert, der für die verschiedenen Schutzobjekte (Straßen, Betriebstätten etc.) unterschiedlich sein kann. Grundlage dafür bilden verschiedene Datenquellen, beispielsweise Unfallstatistiken.

Im nächsten Schritt wird dann das konkrete Risiko analysiert. Dazu wird zunächst die Vereisungshäufigkeit betrachtet. Unterschiedliche Eiskarten, etwa des Deutschen Wetterdienstes, liefern dafür Anhaltspunkte. Idealerweise erhalten die Gutachter stattdessen reale Messdaten von bereits länger vorhandenen Anlagen in der Nähe des Standorts. Das Ergebnis dieses Arbeitsschrittes ist eine Prognose der Vereisungshäufigkeit in Prozent und der Vereisungstage pro Jahr an dem konkreten Standort. Im Anschluss daran wird auf Grundlage der vorhandenen empirischen Erkenntnisse die Anzahl der abfallenden Eisobjekte pro Vereisungsereignis berechnet und mit den Vereisungstagen multipliziert. Unter Berücksichtigung der typischen Windgeschwindigkeiten und -richtungen am Standort können nun im nächsten Schritt die Flugbahnen der Eisstücke und ein maximaler Gefährdungsradius ermittelt werden. Liegt ein Schutzobjekt innerhalb dieses Radius, ist eine Detailbetrachtung der Schadenshäufigkeiten und -höhen auf der Fläche anzustellen. Dabei wird berücksichtigt, wie oft sich eine Person, ein Auto etc. an diesem Ort aufhält. So kann letztlich das individuelle sowie das kollektive Risiko bezogen auf ein Schutzobjekt berechnet werden.

Abschließend erfolgt die Bewertung dieses Risikos. Liegt der Wert außerhalb des zuvor festgelegten Grenzwertbereichs, ist eine übermäßige Gefährdung des Schutzobjekts nicht anzunehmen. Ist der Grenzwertbereich jedoch betroffen, das Risiko also entsprechend erhöht, werden typischerweise verschiedene Maßnahmen zur Risikominimierung empfohlen. Diese reichen – je nach Schadenswahrscheinlichkeit – von der Parallelstellung des Rotors zur Straße während des Eisansatzes über die zeitweise Sperrung einzelner Wegabschnitte mittels Wechselverkehrszeichen, das Anbringen aktiver Warnleuchten, den Einsatz einer Rotorblattheizung, bis hin zur Verschiebung des Standortes. Das Anbringen von Hinweisschildern im Bereich unter Windenergieanlagen, die bei Eisansatz abschalten, wird zudem in der Regel empfohlen, um auf die verbleibende Gefährdung durch Eisabfall aufmerksam zu machen.

Fazit
Das standortspezifische Risiko durch Eisabwurf bzw. Eisabfall wird im Rahmen der Genehmigung einer Windenergieanlage gutachterlich geprüft, wenn Verkehrswege oder Betriebsgelände potenziell gefährdet sind. Eine pauschale Beurteilung des Risikos gibt es nicht, da die Eiswurfweiten und -richtungen stark von den Windverhältnissen und der Topographie vor Ort abhängen. Auch die tatsächliche Nutzung der umliegenden Flächen muss im Einzelfall betrachtet werden. Die zu erstellenden Gutachten müssen dabei zwangsläufig mit Annahmen arbeiten, entsprechend konservativ wird das Risiko berechnet. Die heute am Markt verfügbaren Eiserkennungssysteme sind technisch geeignet, das Risiko von Eisabwurf auszuschließen bzw. auf den Eisabfall bei stillstehender oder trudelnder Anlage zu reduzieren. Weitere Maßnahmen, die Teil der Genehmigung sein können, tragen notfalls dazu bei, das Restrisiko soweit zu senken, dass ein Schadensfall nicht anzunehmen ist.

[1] Seifert, Henry (1999): Betrieb von Windenergieanlagen unter Vereisungsbedingungen. Ergebnisse und Empfehlungen aus einem EU-Forschungsprojekt.

[2] Ronsten, Gören et al (2012): IEA Wind Task 19. State-of-the-Art of Wind Energy in Cold Climates.

Ein Gedanke zu „Windenergieanlagen und die Gefahr durch Eiswurf

  1. Ein sehr guter Artikel, der die aktuelle Situation der Eiswurf-Problematik toll zusammenfasst. Zu erwähnen wäre noch, dass sich Eisdetektoren auf der Gondel besonders darin von den Rotorblatteisdetektoren unterscheiden, dass diese das Phänomen „In-Cloud Icing“ nicht erfassen können. Gerade bei modernen großen WEAs deren Rotorblätter in Bergregionen mehrere Luftschichten durchstreichen ist In-Cloud Icing als kritisch anzusehen. Nur mit Rotorblatteisdetektoren ist es hier möglich die Anlage sicher abzuschalten. Rotorblatteiserkennungsysteme meint hier nicht zwangsläufig Systeme die nachgerüstet werden. Auch die genannte Methode Eiserkennung durch Auswertung der Betriebsdaten wird mittlerweile recht von den vielen Herstellern beherrscht und kann ein entstehen von In-Cloud Icing detektieren.

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