Risikoanalysen – Eiswurf und Eisfall werden berechenbarer

Im Winter 2020/21 gelangte von Anfang bis Mitte Februar vor allem Deutschlands Norden, später auch das gesamte Land, in den Einflussbe­reich skandinavischer Hochdruckgebiete. Das sorgte vorübergehend für eisige Kälte mit gebietsweisen Temperaturen unter ­20 °C. Beispielsweise verzeichnete Schleswig­Holstein insgesamt 12 Eistage bei maximal 0°C. Auch mit dem kommenden Winter geraten wieder verstärkt Risiken in den Blick, die bei kälteren Temperaturen auftreten können: Sammeln sich Frost und Schnee auf den Rotorblättern von Windenergieanlagen, besteht zum Beispiel die Gefahr von Eisfall oder Eiswurf.

Die meisten WEA verfügen über ein Eiserkennungssystem, das die Anlage bei Vereisung abschaltet oder in den sogenannten Trudelbetrieb versetzt. Dabei werden die Rotorblätter aktiv aus dem Wind gedreht und die Rot­ordrehzahl reduziert. Taut es anschließend, lösen sich die Eisstücke von der Anlage und fallen ab (Eisfall). Starker Wind kann sie in Einzelfällen bis zu mehrere hundert Meter weit verwehen. Erkennt das System die Ver­eisung nicht zuverlässig oder ist kein Eiserkennungssystem verbaut, bleibt die Anlage im Betriebsmodus und wirft die Eisstücke bei einer hohen Umdrehungsgeschwindigkeit ab (Eiswurf). Dadurch vergrößert sich der potenziell gefährdete Bereich um die Anlage.

Gefahren erkennen und beherrschen

Sachverständige untersuchen die Risiken bestehender Windparks oder neuer Anlagen auf Basis der regulatorischen Anforderungen vor Ort. Dafür berücksichtigen sie zahlreiche standortspezifische Parameter wie die Topografie, die meteorologischen Eingangsdaten und die Anlagen­konfigurationen.

Beispielsweise hat das Höhenpro­fil der Landschaft Einfluss darauf, wie weit die Eisstücke fallen. Bei der Simulation spielen die zu er­wartenden Vereisungstage eben­falls eine Rolle (meist 10 bis 20 Tage im Jahr). Das kritische Temperaturfenster bewegt sich dabei zwischen minus 2°C bis plus 1°C, während die Luft bei geringe­ren Temperaturen (bspw. minus 10°C) zur Eisbildung bereits zu troken ist. Die Sachverständigen beziehen neben Anlagenkenndaten wie die Drehzahlkennlinien auch die Windverhältnisse in die Berechnungen ein, etwa welche Windgeschwindigkeiten und ­richtungen zu erwarten sind.

Anhand dieser Parameter simulieren sie den Eisfall von der Anlage und den Eiswurf unter dem Windeinfluss. Daraus entsteht eine Verteilung von fiktiven Eisstücken um die Anlage, aus der sich die Wahrscheinlichkeit von Personenschäden berechnen lässt. Dafür werden Berechnungsmethoden verwendet, die den möglichen Eisfall präzise simulieren. Statt zwei vorgegebene Größen von Eisstücken anzunehmen, bildet ein Zufallsgenerator die Gewichtsverteilung der simulierten Eisstücke realistischer ab. Bei der Modellierung der Eisstücke werden die beiden Vereisungsszenarien Rau­reif und Klareis verwendet.

Das individuelle Risiko für eine beliebige Person berechnen Experten aus

• der Wahrscheinlichkeit, dass an einer bestimmten Stelle ein Eisstück landet,
• der Häufigkeit, dass sich dort Personen befinden (bspw. Winter­wanderwege) und
• dem zu erwartenden Schadensausmaß.

Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, unterstützen die Prüfinge­nieure ggf. bei risikomindernden Lösungen. Technische Maßnahmen sind etwa die Installation einer Rotorblattheizung, was auch die Ertragsausfälle aufgrund von Vereisung minimieren kann. Kosteneffiziente, organisato­rische Maßnahmen sind beispielsweise das Aufstellen von Warnhinweis­schildern, damit betroffene Wege an potenziellen Vereisungstagen vermie­den oder bei Arbeiten in der Umgebung Schutzhelme getragen werden.

Fallbeispiel aus Bayern

Der Betreiber einer 3 MW­Anlage mit 135 m Nabenhöhe und einem Rotordurchmesser von 101 m beauftragte eine Eisfallanalyse. In einem Abstand von mindestens 60 m befanden sich westlich und nördlich der WEA zwei Obstplantagen, auf denen in den Herbst­ und Wintermonaten gearbeitet wird. Zur Eiserkennung nutzte die WEA das sogenannte Leistungskurven­ Verfahren, bei dem über die Differenz der erwarteten zur tatsächlichen Leistung auf Eisansatz geschlossen wird. Allerdings funktioniert dieses System nur im Betrieb, wenn eine gewisse Leistung generiert wird. Zusätzlich ist deshalb ein Sensor auf der Gondel zur Erkennung von Eisansatzbedingungen installiert. Bei niedrigen Drehzahlen besteht den­noch die Gefahr von Eiswurf von den Rotorblättern. Die Prüfingenieure untersuchten, ob und inwieweit sich die Plantagenflächen im gefährde­ten Radius befanden.
Vereisungsbedingt befand sich die WEA im Trudelbetrieb (maximal 3 U/min). Zur Risikominderung wurde die Gondel so positioniert, dass die Wurflinie des Rotors von den Plantagen abgewandt war. Um den Einfluss der Windgeschwindigkeit auf den Eisfall zu berücksichtigen, standen keine standortspezifische Winddaten zur Verfügung. Deshalb nutzten die Experten auf Basis eines Windgutachtens die Windstatistik einer meteorologischen Station in der Nähe. Allerdings unterliegt dieses Vorgehen Unsicherheiten, die sie durch eine Erhöhung der Windge­schwindigkeiten relativierten. Das führte zu einer konservativen Berech­nung der Eisfallweiten.

Simuliert wurde der Eisfall für die Vereisungsszenarien Raureif und Klar­eis. Das meiste Eis wurde in unmittelbarer Nähe der Anlage abgeworfen (50 m Radius – weniger als die halbe Nabenhöhe). Die größten Fallweiten erreichte der leichtere Raureif (sehr selten über 155 m, aber bis zu 235 m). Aufgrund der Hauptwindrichtung aus dem Westen bzw. Südwesten wur­den die Eisstücke aber eher gen Osten/Nordosten getragen. Demnach lag das Risiko für die Plantage im Westen im akzeptablen Bereich oder war sogar geringer, sodass dort keine Maßnahmen erforderlich waren.

Das größte Risiko für die Plantage im Norden lag im tolerablen Bereich, sodass nicht zwingend Maßnahmen erforderlich waren. Um das Risiko dennoch weiter zu reduzieren, empfahlen die Sachverständigen, eine Warnleuchte auf bzw. in der Nähe der Plantage anzubringen, die an das Eisansatzerkennungssystem der WEA gekoppelt ist. Vor dem Wieder­anfahren in den regulären Betrieb sollte zudem die Eisfreiheit durch eine Sichtkontrolle vor Ort sichergestellt werden und bei Eisansatz ein Sicherheitsabstand von 85 m zur WEA eingehalten bzw. ein Schutzhelm getragen werden.

Fazit

Mit der Eisfallanalyse beugen Sie nicht nur Personen­ und Sachschäden vor. Sie sorgen zudem für den Erhalt der Betriebsgenehmigung und Rechtssicherheit. Wer frühzeitig eine unabhängige Prüforganisation einbindet, vermeidet darüber hinaus Fehlinvestitionen.

Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, unterstützen die Prüfinge­nieure ggf. bei risikomindernden Lösungen. Technische Maßnahmen sind etwa die Installation einer Rotorblattheizung, was auch die Ertragsausfälle aufgrund von Vereisung minimieren kann. Kosteneffiziente, organisato­rische Maßnahmen sind beispielsweise das Aufstellen von Warnhinweis­schildern, damit betroffene Wege an potenziellen Vereisungstagen vermie­den oder bei Arbeiten in der Umgebung Schutzhelme getragen werden.

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