EISBALL
Standortspezifische Simulation von Eisfall und Eiswurf von Windenergieanlagen mittels ballistischer Modelle (EISBALL)
Projektlaufzeit: Mai 2018 - März 2021
Kontakt: Markus Drapalik
Windenergie soll im zukünftigen Energiemix Österreichs eine wichtige Rolle spielen. Hierbei wird der Ausbau der Windenergie unter anderem dadurch beschränkt, dass zahlreiche Gunstflächen bereits genutzt wurden. Auch der bereits stattfindende Austausch älterer Anlagen durch leistungsstärkere (Repowering) an Gunststandorten ist hinsichtlich der politischen Zielsetzung 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 Zuverlässigkeitsgrenzen bekannt, wodurch aus Sicherheitsgründen wesentlich höhere Abstände von Windkraftanlagen zu Infrastrukturen gewählt werden müssen.
Im vorliegenden Projekt wurden diese Probleme durch die Entwicklung eines neuartigen Modells und dazugehöriger Simulationswerkzeuge gelöst. Als Datenbasis dienten hierbei Beobachtungen und 1:1-Experimente. Letztere haben den entscheidenden Vorteil, wetterunabhängig große Stichprobenzahlen zu produzieren, wodurch statistisch signifikante Aussagen möglich wurden. Bei den Experimenten wurden Probekörper von Windenergieanlagen fallen gelassen bzw. abgeworfen. Die verwendeten Probekörper basieren auf 3D-Scans von realen Eisfragmenten, welche in mehreren Beobachtungskampagnen gesammelt und digitalisiert wurden. Mit Hilfe eines 3D-Druckverfahrens wurden diese in passender Dichte und ausreichender Anzahl reproduziert. Hierdurch wird ein bisher unerreichter Grad an Realitätsnähe erzielt.
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 den wirkenden Kräften auch die entstehenden Drehmomente berücksichtigt. Die entsprechenden Werte werden hierbei mittels numerischer Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics) vorberechnet. Sie stehen tabellarisch für die Simulation zur Verfügung um Rechenzeiten zu minimieren. Die entstehenden komplexen Trajektorien können mit einem Geländemodell geschnitten werden, um den Aufschlagpunkt zu ermitteln.
Insbesondere zeigt sich, dass sich im Vergleich zu etablierten Modellen im Schnitt geringere Fallweiten aber wesentlich breitere Verteilungen ergeben. Dies ermöglicht unter Umständen geringere Sicherheitsabstände. Gleichzeitig verändert sich aber die gesamte Risikoverteilung im Umfeld einer Windenergieanlage, wodurch ggf. Bereiche als gefährdet eingestuft werden, die dies bisher nicht wurden. Besonders hervorzuheben ist, dass die verbesserten Sicherheitsanalysen und validierten Werte für Eisfall und Eiswurf potenziell die Erschließung neuer Standorte ermöglichen, welche aktuell aufgrund übermäßig konservativer Sicherheitsabstände nicht oder nur eingeschränkt bebaut werden können. Somit besteht die Möglichkeit das Ausbaupotenzial in Österreich direkt zu beeinflussen.
Ausgewählte Ergebnisse
Für ausgewählte Eisfragmenttypen wurde eine Monte-Carlo-Simulation mit den bekannten Eingangsparametern der experimentellen Abwürfe durchgeführt. Die Modellergebnissen wurden mit den bekannten experimentellen Daten verglichen. Hierbei wurden die Modell-Eingangsparameter abhängig von der Zuverlässigkeit ihrer Werte zufällig variiert und damit 500 simulierte Abwürfe pro experimentellen Abwurf berechnet. Der qualitative Vergleich zwischen experimentellen und simulierten Aufschlagpunkten zeigt eine gute Abbildung der räumlichen Streuung.
Als Maß für den Vergleich der Simulationsergebnisse und der experimentellen Werte wurden die 90% Konfidenzintervalle der jeweiligen Werte gewählt. In der Darstellung ist die sehr gute Übereinstimmung zwischen beiden Ellipsen zu erkennen.
Partner
WEB Windenergie AG
www.windenergie.at
Energie Burgenland Windkraft
www.energieburgenland.at
Förderung
Dieses Projekt wurde im Rahmen des Programms Energieforschung (4. Ausschreibung) des Klima- und Energiefonds in Kooperation mit der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) gefördert.
Publikationen
Der Endbericht findet sich nach Freigabe durch die FFG hier.
Daten
Um Transparenz sowie eine unabhängige Bewertung der Projektergebnisse zu ermöglichen und die notwendige Sicherheit für Nutzer*innen der daraus abgeleiteten Sicherheitsbetrachtungen zu gewährleisten, werden hier die aggregierten experimentellen Daten frei zugänglich veröffentlicht. Zusätzlich wird der Quellcode sowohl des neu entwickelten Modells als auch anderer Referenzmodelle veröffentlicht, wodurch eine unabhängige Überprüfung des Modells möglich wird. Dies ist ein wesentlicher Fortschritt gegenüber den bisher durchgeführten Sicherheitsanalysen, deren Datenbasis und Modell nicht zugänglich und daher auch nicht überprüfbar sind. Bei Verwendung der Daten ist der Autor Markus Drapalik, Institut für Sicherheits- und Risikowissenschaften, Universität für Bodenkultur Wien zu zitieren, der Quellcode wird unter der MIT-Lizenz (dem Code beiliegend) veröffentlicht.
CFD-Ergebnissse (Input für 6DOF Modell):
Probekörper Typ DAV
Probekörper Typ DAJ
Probekörper Typ DAD
6 DOF Modell: 6DOF model optimzed for octave