Mensch und Umwelt

COLORS: Auf dem Weg zum Vogelschutz in Windparks

Detektion eines quer fliegenden Hexacopters im Windpark über mehrere nebeneinanderliegende Antennenkeulen.
© Fraunhofer FHR

Detektion eines quer fliegenden Hexacopters im Windpark über mehrere nebeneinanderliegende Antennenkeulen.

Experimente an der Mosel in Koblenz.
© Fraunhofer FHR

Experimente an der Mosel in Koblenz.

Detektion eines Kormorans vor dem Hintergrund des durch die Fließbewegung der Mosel erzeugten dynamischen Clutters.
© Fraunhofer FHR

Detektion eines Kormorans vor dem Hintergrund des durch die Fließbewegung der Mosel erzeugten dynamischen Clutters.

In Zeiten des Klimawandels rücken erneuerbare Energien, insbesondere die Windenergie immer weiter in den Vordergrund. Im Rahmen des Projekts COLORS wurde die Eignung eines Radarsensors als brückenschlagende Technologie zwischen rentabler Nutzung von Windkraft und gesetzlichem Vogelschutz untersucht.

Hintergrund und Ziele der Studie

Ziel der Studie war die Detektion von Vögeln in direkter Umgebung von Windenergieanlagen (WEA) sowie die Analyse ihrer Bewegung, um basierend darauf eine Gefährdungsanalyse durchführen zu können. Bei einer direkten Gefahr für den Vogel könnte ein solches Radar ein entsprechendes Signal an das Steuernetzwerk des Windparks senden, wodurch der Betrieb betroffener Anlagen unterbunden werden kann.

Hintergrund der Arbeiten sind Gerichtsurteile ähnlich dem Beschluss des Verwaltungsgerichts Minden [VG Minden, 08.08.2016 – 1 L 1155/16]. Solche beinhalten die nachträgliche Betriebseinschränkung im Sinne einer zeitweisen Abschaltung einzelner WEA sofern ein signifikant erhöhtes Tötungsrisiko für artgeschützte Vögel besteht. Im zitierten Fall handelt es sich um eine Schwarzstorchpopulation, die sich in unmittelbarer Umgebung von WEA angesiedelt hat. Das Gericht verweist darauf, »dass kein milderes Mittel, welches den Überlebensschutz des Schwarzstorches in gleicher Weise gewährleisten würde, ersichtlich sei«. Das Projekt COLORS stellt einen ersten wichtigen Schritt auf dem Weg zu einem solchen Mittel dar.

Vorarbeiten

Die zur Umsetzung eines entsprechenden Sensors erforderlichen Systemparameter wurden im Rahmen einer im Vorfeld durchgeführten Machbarkeitsstudie aus 2014 ermittelt. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass für die gegebenen Anforderungen ein Radar im Ku-Band mit 20 W Sendeleistung geeignet ist. Dabei wurde auch die Aussicht auf eine spätere Genehmigung des Systems durch die Bundesnetzagentur berücksichtigt. Ein Kernergebnis der Machbarkeitsstudie ist die Erfordernis einer hohen Update-Rate der Antenne, um eine möglichst große räumliche Überwachung des Windparks zu gewährleisten. Im Rahmen der COLORS-Studie lag daher u. a. ein Schwerpunkt auf der detaillierten Untersuchung eines elektronisch schwenkenden Antennenkonzepts.

Experimentelle Untersuchungen

Die Funktionalität des entwickelten Demonstrator-Systems wurde im Rahmen von Experimentalmessungen überprüft. Erste Messungen erfolgten innerhalb eines Windparks, um die Auswirkungen der WEA zu untersuchen. Da während dieser Messungen kein geeigneter Vogel innerhalb des Windparks zur Verfügung stand, diente stattdessen ein Hexacopter als kalibriertes Messobjekt.

Dieser weist, vergleichbar mit einem Vogel, eine über die Zeit variierende Flugbahn auf. Vermessen wurde ein Bereich von 40° Ausdehnung, in welchem sowohl WEA als auch offene Felder lagen. Trotz der Reflexionen, die durch die WEA-Rotoren im Windpark entstanden, konnte der Hexacopter detektiert und sein Bewegungsverlauf gemessen werden. Abbildung 1 veranschaulicht die Kapazitäten des Radar-Demonstrators. Sie zeigt einen Diagonalflug des Copters im Windpark. Die Bewegung ist gekennzeichnet durch eine radiale Beschleunigung bei gleichzeitiger »Wanderung« durch die Antennenkeulen. Sowohl laterale als auch radiale Bewegungen können somit von diesem Radar registriert werden. Die vertikale Linie in allen Teilgrafiken der Abbildung 3 zeigt die kurzzeitige Störung durch einen WEA-Rotor in unmittelbarer Umgebung des Hexacopters. Diese kann aufgrund der periodischen Bewegung der Rotoren geeignet prädiziert werden.

Weitere Messungen an einer Staustufe der Mosel in Koblenz (vgl. Abb. 2) ermöglichten darüber hinaus die Vermessung eines Kormorans, welcher bzgl. seiner Körpergröße mit dem Storch aus [VG Minden, 08.08.2016 – 1 L 1155/16] vergleichbar ist. Während der Messung startete der Vogel in ca. 500 m Entfernung gerade seinen Flug. Die ansteigende Geschwindigkeit ist in Abb. 4, dem Doppler-Spektrogramm einer einzelnen Raumrichtung, deutlich erkennbar.

Ausblick

Für eine zukünftige Weiterentwicklung des Demonstrator-Systems sind Langzeituntersuchungen erforderlich, die eine Bestimmung des Einflusses der Windenergieanlagen bei unterschiedlichen Wetterlagen erlauben. Da sowohl die Geschwindigkeit als auch die Ausrichtung der WEA von äußeren Umwelteinflüssen bestimmt werden, konnte in den ersten Testmessungen nicht jedes mögliche Szenario untersucht werden. Darüber hinaus sind Untersuchungen geplant, die Signalform hinsichtlich einer eventuellen zusätzlichen Microdoppler-Analyse des Flügelschlags zu optimieren.