Windmessung und Windverfügbarkeit

Der Landkreis Pfaffenhofen a.d.Ilm wird mit einer gemittelten Windgeschwindigkeit von 22,5 m/s in 10 Meter Höhe in ebenem, offenen Gelände der Windlastzone I (Schwachwindstandorte) zugeordnet. In dieser Zuordnung nach DIN 1991-1-4 geht es um Regeln zur Ermittlung von Windlasten, die auf Gebäude wirken. Eine Einordnung als Schachwindstandort sagt daher zunächst wenig über die Eignung als Standort für Windenergieanlagen aus. In der Planungsphase eines Windkraftprojektes werden während einer Standortanalyse die möglichen Standorte genau geprüft und Windmessungen auf Nabenhöhe durchgeführt: Wie stark und beständig weht der Wind dort oben?

Der Bayerische Windatlas macht die erste Einschätzung der Windverhältnisse sichtbar und dient als Planungs- und Orientierungshilfe.

Die folgende Tabelle gibt ungefähre Jahresmittelwerte für den Landkreis Pfaffenhofen an, basierend auf dem Windatlas und lokalen Referenzanlagen:

Folgendes Diagramm zeigt die mittlere Windgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Höhe über Grund (0 m bis 400 m) für einen typischen Standort im Landkreis Pfaffenhofen a.d. Ilm. Die Daten basieren auf aktueller Windklimatologie und Modellierungen (u.a. das DWD-Projekt QuWind100 sowie COSMO-CLM und HIRVAC-2D) und wurden durch regionale Messwerte ergänzt.

In Bodennähe (< 20 m) ist die Strömung durch Rauigkeit (Wälder, Gelände) stark gebremst und liegt bei nur 3–4 m/s im Mittel. Bereits um 50 m Höhe nimmt der Einfluss der Bodenreibung ab, sodass ca. 5 m/s erreicht werden können.

Auf 100 m über Grund (typische Nabenhöhe älterer Windräder) liegt die mittlere Windgeschwindigkeit in Pfaffenhofen bei 5-6 m/s. Zum Vergleich: Im Norden Deutschlands (Windzone III) sind auf 100 m Höhe eher Geschwindigkeiten von 7 m/s üblich.

Ab 100 m führt die weitere Höhenzunahme zu moderater aber kontinuierlicher Steigerung. Auf 150-160 m (moderne Nabenhöhe) liegen die mittleren Geschwindigkeiten bei ca. 6 m/s. Dies gilt zum Beispiel für das Windrad im Lustholz mit 149 m Nabenhöhe und im Windpark Gerolsbach mit 140 m Nabenhöhe.

Auf 200 m Höhe werden etwa 6,5-7 m/s erwartet. Eine Abschätzung aus der Windklimatologie ergibt z.B. ca. 6,2 m/s auf 200 m Höhe in einem vergleichbaren Waldgebiet (Karlsruhe) und ca. 7,3 m/s auf 175 m in einer offenen Gegend (Hamburg) – Pfaffenhofen liegt mit ca. 6,5 m/s dazwischen.

Oberhalb von 200 m Höhe verringert sich der logarithmische Anstieg etwas, da man sich der atmosphärischen, reibungsfreien Strömung nähert. Dennoch steigt die mittlere Windgeschwindigkeit bis 300-400 m weiterhin an. Extrapoliert man die Modellergebnisse, dürften in 300 m Höhe etwa 7 m/s und in 400 m Höhe rund 7,5–8 m/s erreicht werden.

Diese Abschätzung stimmt auch mit der Faustregel überein, wonach jede Verdoppelung der Höhe grob eine 20–30 % höhere mittlere Windgeschwindigkeit ergibt. In Pfaffenhofen (leicht hügelig, teils bewaldet) ist eine Zunahme um ~25% von 100 m auf 200 m realistisch – im Diagramm erkennbar als steiler Anstieg in diesem Bereich.

Ein interessanter Effekt ist ein nächtliches Windmaximum in ca. 150–300 m Höhe, das sich in Deutschland in 10-20 % der Nächte entwickelt (Grenzschichtstrahlströme oder Low-Level Jets). Bei austauscharmen, stabil geschichteten Nächten kann sich oberhalb der bodennahen Luftschicht ein Starkwindband bilden, das Windgeschwindigkeiten von z.B. 8–15 m/s in 200 m Höhe bringt, während am Boden Flaute herrscht. Messungen in Augsburg haben ein Auftreten in etwa 15 % der Nächte ergeben mit Geschwindigkeiten von 7 bis 13 m/s. Solche Low-Level Jets erhöhen vor allem nachts den Ertrag hoher Windräder. Das Windenergiepotenzial kann um bis zu 20 % unterschätzt werden, wenn Low-Level Jets nicht berücksichtigt werden. Das QuWind100-Modell hat diese Phänomene integriert, indem es tages- und jahreszeitliche Effekte auf das Windfeld berücksichtigt. Dadurch knickt das mittlere Windprofil nicht künstlich ab, sondern spiegelt realistische nächtliche Beschleunigungen wider. Im Mittel sorgen Low-Level Jets dafür, dass das Profil insbesondere zwischen 100-200 m etwas flacher ansteigt als ein reines Bodenreibungs-Profil am Tag, aber insgesamt dennoch ein deutlicher Höhengewinn verbleibt.

Für die Planung von Windenergieanlagen bedeutet dieses Profil: Höher ist besser.

Jeder Meter an zusätzlicher Turmhöhe erschließt höhere Windgeschwindigkeiten und somit überproportional mehr Energie, denn diese verhält sich proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit. Nach einer Daumenregel steigt der Stromertrag mit jedem Meter, den ein Windrad höher gebaut wird, um 1 Prozent.

Im Landkreis Pfaffenhofen werden daher verstärkt sehr hohe Anlagen projektiert – zuletzt wurden im Bürgerwindpark Pfaffenhofen Türme mit einer Nabenhöhe von 160 m kombiniert mit großen Rotoren mit einer Rotorblattlänge von 69 m und einer Gesamthöhe von 229 m in Betrieb genommen. Im Diagramm ist exemplarisch ein Windrad dieser Größe eingezeichnet: vom Boden bis zur Rotorspitze. Man erkennt, dass die Rotorfläche dieser Windenergieanlage größtenteils in Höhen mit gemittelten Windgeschwindigkeiten zwischen 5,5 und 7 m/s liegt, während niedrigere Anlagen deutlich niedrigere Windgeschwindigkeiten abbekommen würden.

Durch den Einsatz solcher hohen Anlagen (oft speziell für Schwachwindgebiete ausgelegt) kann Pfaffenhofen wirtschaftlich Windstrom produzieren.

Im Windpark Gerolsbach weht der Wind auf Nabenhöhe durchschnittlich mit 22 km/h oder 5.9 m/s. Bei einem durchschnittlichen, jährlichen Stromertrag von 5,7 Millionen Kilowattstunden und einer Nennleistung von 2400 Kilowatt ergeben sich 2375 Volllaststunden.

Die 229 m hohe Anlage Enercon E-138 kann im Bürgerwindpark Pfaffenhofen voraussichtlich 7,3 Millionen Kilowattstunden Strom im Jahr erzeugen. Ohne die Höhengewinne wäre das nicht möglich. Die wissenschaftlich fundierte Kenntnis des Windprofils – wie in QuWind100 ermittelt – ist daher entscheidend, um Anlagendesign und Standortwahl zu optimieren.