Das hessische Start-up Air Profile hat ein weltweit einzigartiges Lidar-Fernmessverfahren für die berührungslose Windmessung entwickelt.

(WK-intern) – Als Folge dessen können Windgeschwindigkeit und Windrichtung in den für Windturbinen relevanten Höhen bis 200 Meter exakt gemessen werden.

Investoren wie auch Projektierer von Windparks benötigen sehr genaue Angaben darüber, welchen Ertrag ihre Investitionen am vorgesehenen Standort zukünftig erwirtschaften.

Windgeschwindigkeiten in Höhe des Rotors müssen daher vorab exakt bestimmt werden. Windmess-Masten erlauben zwar genaue Messungen, ihr Bau ist jedoch teuer und die Höhe moderner Windkraftanlagen setzt dieser Technologie zunehmend Grenzen. Günstiger und flexibler sind sogenannte Lidar-Systeme, die vom Boden aus mittels Laser einen Luftbereich scannen. Anhand winziger Partikel, die der Wind mitträgt, bestimmen sie die Windstärke. Verwirbelungen im gescannten Bereich, die insbesondere in komplexen Geländeklassen wie Hügel, Berge oder auch Städten vermehrt auftreten, führen bei bisherigen Verfahren allerdings zu inakzeptablen Messabweichungen, so dass Lidar-Systeme noch nicht uneingeschränkt verwendet werden können.

Air Profile ändert dies nun. Das patentierte Lidar-Verfahren verringert die Messunsicherheit durch ein innovatives Zusammenspiel aus Laser und Opto-Elektronik signifikant. Statt eines ganzen Bereichs samt Verwirbelungen zu scannen, schicken die Kasseler nur einen Laserstrahl vertikal Richtung Himmel. Auch bei ihrem System werden Windgeschwindigkeiten durch mitgewehte Partikel ermittelt. Allerdings ist das durchgeführte berührungslose Punktmessverfahren unempfindlich gegenüber Verwirbelungen und gewährleistet damit genauere Ergebnisse unabhängig der Standorteigenschaften.

Laser-Technik
Als Strahlungsquelle hat sich für diese Anwendung der kompakte und luftgekühlte Onda 532 nm (von Acal BFi/Bright Solutions) inkl. der digitalen Steuerbox sowie der neuen proprietären Softwareschnittstelle im besonderen Maße bewährt. Die Gründe hierfür liegen insbesondere in der geeigneten Kombination aus Pulswiederholrate und Energie pro Puls des aktiv gütegeschalteten Lasers, der mit seiner Kompaktheit, Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungsbedingungen, einfacher Handhabung und Integration sowie großer Flexibilität während des Betriebs überzeugt. Aus messtechnischen Gründen arbeitet das Lidar der Air Profile in einem Frequenzbereich zwischen 10kHz und 50kHz. In diesem Bereich bietet der Onda 532nm mit seiner maximalen Pulsenergie von 400µJ und seinen kurzen Pulslängen von 2 bis 10 ns beste Voraussetzungen, um atmosphärische sowie bedingt durch die geringe Größe der im Messvolumen reflektierenden Partikel entstehende Verluste zu kompensieren und eine für eine erfolgreiche Messung erforderliche Lichtmenge zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang spielen aber auch die gute Strahlqualität ebenso wie die Puls-zu-Puls-Stabilität des Lasers eine tragende Rolle. Diese beiden Größen beeinflussen in erheblichem Maße die Modulation der Frequenzen, die letztendlich durch das Messsystem erfasst und aus denen die Windgeschwindigkeiten abgeleitet werden. Im Vergleich mit anderen getesteten Lasern schnitt der Onda 532nm in diesen Bereichen am besten ab.

Fraunhofer IEE und PTB unterstützen mit Infrastruktur bei Validierung des Lateral Lidar
Für die erfolgreiche Überführung der Messtechnik in die Praxis sind höchste Anforderungen an Messgenauigkeit und Datenverfügbarkeit zu erfüllen. In den vergangenen zwei Jahren fanden neben Langzeitmessungen am firmeneigenen Referenzmessmast daher Tests in Kooperation mit versierten Forschungsinstituten mit unterschiedlicher Zielsetzung statt.

Das Expertenteam des Fraunhofer-Instituts für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE erforscht seit vielen Jahren Lidar-Fernmesstechnik im komplexen Gelände und kennt das Messverhalten unterschiedlicher Lidar-Geräte und Mesverfahren in dieser besonders herausfordernden Geländeklasse bestens. Für Untersuchungen der Messperformance des lateralen Messverfahrens der Air Profile GmbH stellte das Institut hierfür seinen 200 Meter hohen Forschungsmessmasten zur Verfügung. Die hier aufgenommenen Daten bestätigten die grundsätzliche Eignung des neuen Punktmessverfahrens für Standorte mit komplexen Strömungsbedingungen und führten zu weiteren Optimierungen von Sende- und Empfangsoptik.

In dem 2020 gestarteten vom BMWK geförderten Forschungsprojekt ROSE – Forschungslabor für die Entwicklung von Kalibrierverfahren für neue Windfernmesstechnologien und innovativen Messdienstleistungen – des Fraunhofer IEE und der Wind-consult GmbH werden weitere Forschungsarbeiten erfolgen. Unter Berücksichtigung des neuen Messverfahrens der Air Profile GmbH sollen heutige Standards zur Klassifizierung und Kalibrierung von Wind-Lidar-Systemen angepasst werden. Bisher erforderliche mehrwöchige Verifikationsmessungen am Messmast sollen hierdurch maßgeblich verkürzt oder bestenfalls hinfällig werden.

Im Oktober 2021 gelang den Entwicklern von Air Profile ein weiterer wichtiger Schritt auf dem Weg zur Validierung Ihrer Technologie: Eine Vergleichsmessung mit einem Laser-Doppler-Anemometer (LDA) als Bezugsnormal in der neuen Windkanalmesseinrichtung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig, einem Teil des ansässigen „Kompetenzzentrum für Windenergie“ (CCW). Der Versuchsaufbau ist insofern einmalig, da marktübliche Wind-Lidar-Systeme aufgrund ihrer großvolumigen Messverfahren technisch nicht in der Lage sind horizontale Windgeschwindigkeiten in einem Windkanal zu messen. Für deren Validierung ist stets der deutlich zeitintensivere und mit höheren Unsicherheiten belastete „Umweg“ mittels einer Vergleichsmessung zum Messmast im Freifeld bzw. der daran angebrachten Anemometer notwendig. Für die Forscher der Air Profile sind die im Windkanal der PTB erzielten Ergebnisse ein eindeutiges Indiz für das großes Potential des neuartigen Punktmessverfahrens.

Bilder: Das Lateral Lidar der Air Profile GmbH in den Schweizer Alpen (sehr komplexes Gelände)
(Anmerkung: Die Messsituationen wurde aus Gründen der besseren Veranschaulichung digital nachbearbeitet.)

Ausblick und weitere Entwicklungen / Anwendungen
Neben der Standortbewertung im Windenergiesektor wurde in einem kürzlich beendeten hessischen Förderprojekt in Kooperation mit dem FB Verteilte Systeme der Universität Kassel das innovative Messverfahren klein skaliert, um weitere Anwendungsgebiete zu erschließen. Hier sind vor allem die Überwachung der Wind- und Strömungssituation bei kritischen Infrastrukturen wie Flughäfen und urbanen Helikopterlandeplätzen relevant. Interesse kommt auch von der Feuerwehr sowie dem Katastrophenschutz bei der Unterstützung, Koordination und Planung von Löscheinsätzen anhand lokaler Windbestimmung und -kartierung.
Das sicherlich interessanteste zukünftige Einsatzgebiet beschäftigt sich mit der Eroberung des urbanen Luftraums. Um eine vertikale Infrastruktur innerhalb von Städten zu schaffen, bedarf es eines Systems, welches die dynamischen Autobahnen der Lüfte live überwacht und managet. Das erfolgte Forschungsverbundprojekt prüfte auch Lösungsansätze, wie laterale Lidar-Systeme sich hier als Baustein integrieren lassen können.

PM: Air Profile GmbH

PB: Dem Wind auf der Spur