„LiDAR wird sich als zentrales Werkzeug etablieren“

Interview mit Axel Albers über Unterschiede und Einsatzmöglichkeiten von LiDAR und SoDAR für die Windmessung.

Herr Albers, Sie verfügen über langjährige Erfahrungen mit bodengestützten Messsystemen. Wie funktionieren SoDAR und LiDAR?

Axel Albers: Beide Systeme nutzen meistens den sogenannten Dopplereffekt: Beim SoDAR (= Sound Detecting And Ranging) wird ein kurzer Schallimpuls in drei Raumrichtungen ausgesendet, in der Atmosphäre reflektiert und wieder empfangen. Aus der Frequenzverschiebung des zurückgestreuten Schallsignals wird jeweils die Windgeschwindigkeitskomponente entlang des Sendestrahls ermittelt. Durch Verwendung von mindestens drei Schallstrahlen können schließlich Windgeschwindigkeit und Windrichtung bestimmt werden. Die Messhöhe wird durch die Messung der Laufzeit zwischen dem Senden des Schallimpulses und dem Empfang des rückgestreuten Signals ermittelt. Durch Vorgabe von verschiedenen Zeitfenstern für den Empfang kann das Windfeld in verschiedenen Höhen gemessen werden.

Beim LiDAR (= Light Detection And Ranging) wird auf ähnliche Weise vorgegangen, allerdings werden hier Lichtimpulse als Trägersignal genutzt: Ein Teil der ausgesendeten Lichtimpulse wird an Partikeln in der Luft, den sogenannten Aerosolen, reflektiert. Beim Empfang der Signale wird die durch den Dopplereffekt verursachte Frequenzverschiebung ausgewertet, um daraus die Windgeschwindigkeit und -richtung in den entsprechenden Messhöhen zu errechnen.

Was sind die zentralen unterschiede der beiden Verfahren?

Der entscheidende Unterschied ergibt sich im Grunde aus der Geschwindigkeit der Signale: Da sich Licht um ein Vielfaches schneller durch den Raum bewegt als Schall, erreichen LiDARs eine weit höhere Abtastrate als SoDARs, was die Qualität der Messergebnisse deutlich erhöht. Hinzu kommt, dass das Signalrauschen etwa 50 Mal niedriger ist als bei einem SoDAR, da Licht gegenüber äußeren Einflüssen unempfindlicher ist als Schall. Außerdem ist die Richtcharakteristik von Laserlicht wesentlich besser als die von Schall. All dies wirkt sich nicht nur auf die Genauigkeit der Messungen aus, sondern auch in Bezug auf die Signalverfügbarkeit ist der Einsatz der optischen Messung klar im Vorteil.

Auch bei den Wetterbedingungen ist die LiDAR-Technik im Vorteil, da die schallgestützte Messung bei Regen keine brauchbaren Daten liefern kann – diese müssen dann herausgefiltert werden. Aber auch LiDAR stößt an seine Grenzen, wenn beispielsweise dichter Nebel herrscht oder die Aerosoldichte, z.B. im Hochgebirge, nicht ausreichend ist.

Das heißt, der Einsatz einer LiDAR-Messung ist in den meisten Fällen der schallgestützten Messung vorzuziehen. Gilt das auch im Vergleich zur klassischen Methode mit Messmast und Schalenanemometern?

Letztere hat sich in den letzten Jahren stark weiterentwickelt, eine Mastmessung verspricht zum jetzigen Stand mit Standardunsicherheiten von 1 bis 2 Prozent nach wie vor die genauesten Messergebnisse. Bei einem guten LiDAR liegt sie im flachen Gelände zwischen 2 und 3 Prozent, beim SoDAR kann sie leicht 5 Prozent betragen. Das ist eine ganze Menge, wenn man bedenkt, dass der Ertrag bei einer Abweichung des Windaufkommens von 5 Prozent um bis zu 15 Prozent schwanken kann.

Der Knackpunkt ist aber letztlich, dass für die bodengestützten Messmethoden keine Baugenehmigung nötig ist. Und das kann bei einem Messmast schon bis zu sechs Monate dauern. Zudem brauchen die bodengestützten Systeme weder Fundamente noch Platz für die Abspannung.

Ist die alleinige Messung mit einem Li-DAR nach dem derzeitigen Stand ausreichend oder sollten die Messmethoden besser miteinander kombiniert werden?

Bis vor ein paar Jahren waren für So-DARs wie LiDARs noch keine konkreten Anforderungen in den entsprechenden IEC-Richtlinien definiert. Das hat sich zwischen 2009 und 2011 geändert, sie wurden in einen Entwurf des maßgebenden Standards für die Leistungskurvenmessungen von Windenergieanlagen eingearbeitet. Seitdem stößt insbesondere LiDAR auf immer mehr Zustimmung in der Branche und kann durchaus auch als Stand-alone-Lösung eingesetzt werden. Auch die Banken akzeptieren das mittlerweile, wenn die aus der Messung resultierende Genauigkeit hoch genug ist. Das lässt sich mit einem guten LiDAR an relativ flachen Standorten leicht erreichen. Im komplexeren Gelände ist das aller­dings nur möglich, wenn prinzipbedingte Messfehler durch geeignete Maßnahmen in einem akzeptablen Rahmen gehalten werden können.

Welche Messdauer ist nach Ihrer Erfahrung notwendig?

In den entsprechenden Richtlinien wird eine Messdauer von einem Jahr als ausreichend empfohlen. Nach diversen wissenschaftlichen Untersuchungen kommen aber auch schon nach acht oder neun Monaten akzeptable und realistische Ergebnisse zustande, weswegen meine persönliche Empfehlung eher in diese Richtung geht. Denn je länger gemessen wird, desto höher sind letztlich auch die Kosten dafür.

Stichwort Kosten: ist eine LiDAR-Messung deutlich günstiger als eine klassische Messung mit Mast?

Das kann man so nicht unbedingt sagen, da es bei der klassischen Methode stark auf die Messhöhe ankommt: Liegt diese bei 100 Metern, muss man mit etwa 100.000 Euro im Jahr rechnen, bei 140  Metern sind es knapp 150.000 Euro. Wobei das noch stark variieren kann, je nachdem wie die Bodenbeschaffenheit ist und damit auch der Aufwand für die Fundamente. Im Vergleich dazu kostet eine einjährige Messung mit einem guten LiDAR etwa 150.000 Euro, wobei die Messhöhe und der Untergrund bei seinem Einsatz so gut wie keine Rolle spielen.

Lohnt sich der Kauf eines LiDAR, wenn ein größeres Projekt ansteht, oder ist es günstiger, ein Gerät mit entsprechendem service zu mieten?

Ein Service ist immer empfehlenswert, denn es gehört schon allein eine Menge Know-how dazu, das Messgerät opti­mal zu platzieren und die Daten korrekt auszuwerten. Zudem muss ja auch eine Unsicherheitsanalyse erstellt werden, was eine recht aufwendige Angelegenheit ist. Der Messvorgang gehört auf jeden Fall in professionelle Hände. Aber das hängt ja nicht unbedingt davon ab, ob ein Gerät gekauft oder gemietet wird.

Wenn Windparkplaner mehrere Projekte planen, lohnt sich in der Regel auch der Kauf der Geräte, da die Miete auf Dauer natürlich teurer ist, als die Geräte selbst zur Verfügung zu haben.

Wie schätzen sie die Zukunft der Windmessung ein? Wird sich die LiDAR-Mes­sung stärker am Markt durchsetzen?

Bei LiDAR hat die Entwicklung ja gerade erst angefangen. Ich rechne fest damit, dass wir in einigen Jahren Geräte haben werden, die noch weitaus exakter messen als die heutigen. Sicher wird es immer Bedingungen geben, bei denen eine Messung mit Schalensternanemometern unumgänglich ist. Aber abgesehen davon bin ich überzeugt, dass sich die LiDAR-Technologie als zentrales Werkzeug für Windmessungen etablieren wird.