Messkampagne Windrad Harsdorf 05/2020

Vom 21.05.2020 bis zum 04.06.2020 wurden mehrere Infraschallmessgeräte in Harsdorf durchgehend betrieben. Lediglich zum Auslesen der Daten wurden die Messungen für einige Minuten unterbrochen. Die Messgeräte waren an folgenden Standorten installiert:

  1. Wäldchen Altenreuth (300m zum Windrad)
  2. Pumpstation Altenreuther Tal (1000m zum Windrad)
  3. Mälzerei Harsdorf (2500m zum Windrad)
  4. An der Kirche (2700m zum Windrad)

Das Harsdorfer Windrad ist eine Enercon E-66 mit 1,5 MW Leistung, einer Nabenhöhe von 100m und einem Flügeldurchmesser von 66m.

Flügeldurchgangsharmonische (Blade Passing Harmonics - BPH)

Ziel der Messkampagne war es, Infraschallsignale vom Windrad zu detektieren und zu quantifizieren. Die nächste Grafik zeigt ein typisches Spektrogramm von der Messstation Altenreuth.

Spektrogramm Messtation Altenreuth

Man kann durchaus Strukturen im Spektrogramm erkennen. Die Linien sind jedoch nicht konstant und auch die meiste Zeit nicht scharf ausgeprägt. Die nächste Grafik zeigt die gleichen Daten kombiniert mit den Betreiberdaten:

Spektrogramm Messtation Altenreuth mit Betreiberdaten

Die grünen Bänder markieren den Bereich, in dem sich laut den 10-Minuten-Umdrehungszahlen des Betreibers die zweite, dritte und vierte Flügeldurchgangsharmonische (BPH) befinden müssen. Die Breite wird durch Minimum und Maximum der Umdrehungszahl im 10-Minutenintervall bestimmt. 

Der Abgleich mit den Betreiberdaten zeigt eindeutig, dass das Windrad Infraschallsignale erzeugt. Auch an der Messstation "Pumpstation" sind die Signale noch sichtbar. Aufgrund des größeren Abstands sind die Intensitäten geringer:

Spektrogramm Messtation Pumpstation

An den Messstationen "Mälzerei" und "An der Kirche" sind die Windradsignale nicht mehr zu erkennen. Dafür treten die Signale der Harsdorfer Mälzerei, insbesondere die zwei kräftigen Signale bei 8,75 und 9.23Hz deutlich hervor. Die starken Signale sind auch am Standort Pumpstation (Abstand zur Mälzerei ca. 1,5km) und sogar am Standort Altenreuth (Abstand zur Mälzerei ca. 2,2km) noch klar zu detektieren (siehe oben).

Spektrogramm Messtation MälzereiSpektrogramm Messtation An der Kirche 10

Quantifizierung des Schalldrucks der 2.BPH

Um den Schalldruck der zweiten Flügeldurchgangsharmonischen (2.BPH) zu quantifizieren, wurde wie folgt vorgegangen:

  1. Bestimmung des Frequenzbereichs über das Minimum und Maximum der Umdrehungszahl für ein 10-Minutenintervall aus den Betreiberdaten.
  2. Test auf Bereichsüberlappung: Falls die Bereiche der 2. und 3. Harmonischen überlappen, wurde das Intervall nicht ausgewertet.
  3. Selektion der Druckdaten aus der kontinuierlichen Messreihe.
  4. Berechnung einer Fouriertransformation mit Pegelbandbreite 0.02Hz
  5. Berechnung einer Basislinie als lineare Regression aus Pegelwerten (dB) außerhalb der Frequenzbereiche der Harmonischen.
  6. Test auf mindestend 5dB Abstand Peak/Basislinie: Bei Unterschreitung dieses Kriteriums wurde das Intervall nicht ausgewertet.
  7. Summierung der quadratischen Schallpegel aller im Frequenzbereich der Harmonischen liegenden Frequenzbänder.

Die folgende Grafik zeigt die ersten neun ausgewählten 10-Minutenintervalle vom Messstandort Altenreuth:

Berechnung Schalldruck 2.BPH

Man erkennt, dass die Breite der Peaks je nach Betriebszustand des Windrads stark variert. Zwischen 21 Uhr und 02:30 wurden die Zeiträume mangels Signalhöhe verworfen. Mit einsetzendem Wind nimmt die Höhe (Skalierung beachten) und die Breite der Peaks zu. Betreiberdaten und Infraschallmessungen passen hervorragend zusammen.

Ausgeführt auf die Standorte Altenreuth und Pumpstation ergibt sich folgende Statistik:

Statistik BPH-Auswertung Bei niedriger Leistung sowie bei steigender Entfernung steigt die Anzahl der nicht verwertbaren Intervalle. An der Station Altenreuth waren 1109 von 2173 10-Minutenintervallen verwertbar. Am Messpunkt Pumpstation waren es noch 633 von 1917.

Die Stationen Mälzerei und An der Kirche lieferten überwiegend keine klaren Windrad-Signale und wurden nicht mit diesem Verfahren ausgewertet. Lediglich einige ausgewählte Abschnitte der Station An der Kirche wurden analysiert (vgl. Reichweite Infraschallsignale Harsdorfer Windrad).

Schalldruck der 2. BPH in Abhängigkeit von Windradleitung und Entfernung

Schalldruck 2. BPH als Funktion der Windradleistung

Ganz offensichtlich gibt es eine Abhängigkeit des Schalldrucks von der Entfernung und der Windradleistung. Extrapoliert auf die maximale Windradleistung (1,5MW) ergibt sich ein Schalldruck von 59dB in 300m Entfernung bzw. 49dB in 1000m Entfernung.
Der Messpunkt "An der Kirche" lieferte zu wenige Daten, um eine sinnvolle Modellanspassung vorzunehmen. Die größte detektierbare Signalstärke betrug 38dB bei einer Windradleistung von 556kW.

Diskussion

Schmalbandige und frequenzkonstante BPH-Signale

Immer wieder findet man in der Literatur (z.B. C. Pilger, L. Ceranna, Journal of Sound and Vibration 388 (2017) 188–200 oder O. Marcillo, S. Arrowsmith, P. Blom, K. Jones, J. Geophys. Res. 120 (2015) 9855–9868) Spektrogramme mit sehr schmalen und über mehrere Stunden/Tage frequenzkonstanten Signalen, die Aufgrund der Frequenz Windenergieanlagen zugeschrieben werden, ohne einen direkten Abgleich mit den Betreiberdaten vorzunehmen.

Bei der durchgeführten Messkampagne waren alle eindeutig dem Windrad zuzuschreibenden Signale nicht frequenzkonstant und in den seltensten Fällen schmalbandig. Der Grund ist einfach: Das Windrad hat selbst bei maximaler Leistung keine konstante Umdrehungsgeschwindigkeit. Die Windradregelung nutzt die flexible Umdrehungsgeschwindigkeit, um auf Windböen reagieren zu können. In der Konsequenz gibt es keine schmalbandigen BPH-Signale. Das zeigen auch die Messungen des LUBW. In den Schmalbandspektren (0.1 Hz) sind die Peaks deutlich breiter als die relativ grobe Bandbreite. In den 10-Minuten Einzelpeakauswertungen (siehe oben) kann man erkennen, dass die Peak-Breite eines 10-Minutenintervalls durchaus 0.5 Hz betragen kann. Wählt man längere Messzeiträume, werden die Peaks tendenziell breiter.

Die folgende Grafik erläutert diesen Zusammenhang. Sie zeigt Frequenzspektren vom Messstandort Altenreuth (Start 28.05.2020 06:00 Uhr) mit unterschiedlicher Zeitreihenlänge sowie unterschiedlicher Frequenzauflösung.

Frequenzspektren - Windrad

Ceranna hatte 2004 an einem 200kW Windrad mit zwei festen Umdrehungsgeschwindigkeiten gemessen. Dieses lieferte scharfe BPH-Signale. Moderne Windräder im MW-Leistungsbereich arbeiten jedoch alle mit dynamischer Umdrehungszahl und werden keine schmalbandigen und über einen längeren Zeitraum frequenzkonstanten BPH-Signale produzieren. 

Auch die Messungen von Sven Johannson (GuSZ GmbH - Johannson 2015 - abgerufen 25.03.2020 ) nutzen eine sehr hohe Frequenzauflösung von 0.001Hz. Dies erfordert einen Messzeitraum von 1000s. Im Frequenzspektrum werden Peaks von mit einer Breite von ca. 0.01Hz einem Windpark in 10.9km Entfernung zugeschrieben. Nach den Erkenntnissen vom Harsdorfer Windrad halte ich es für ausgeschlossen, dass diese scharfen Peaks von einem Windpark stammen.

Auch bei meinen Messungen wurden schmalbandige frequenzkonstante Signale gefunden. Diese Signale stammen jedoch nachweislich nicht vom Harsdorfer Windrad (vgl. Schmalbandige, frequenzkonstante Signale).

Bewertung des Schalldrucks

In seinen Berechnungen gibt Ceranna den Schalldruck der 2. BPH eines 1.5MW Windrads mit 95dB in 300m Entfernung bzw. 75dB in 1000m Entfernung an. Diese Schalldrücke werden am Harsdorfer Windrad (59dB 300m, 49dB 1000m bei Volllast) bei weitem nicht erreicht. Auch die Messungen des LUBW zeigen deutlich niedrigere Schalldrücke. Zwischen den Messergebnissen am Harsdorfer Windrad und den Modellrechnungen von Ceranna besteht eine Diskrepanz von 26 bis 36dB.

Gerade diese Frage des Schalldrucks von großen Windendergieanlagen ist eine große Diskussion bei Windkraftgegnern (z.B. https://www.windwahn.com/2020/03/03/spannender-diskurs-zur-unterschiedlichen-qualitaet-der-messungen-von-lubw-und-bgr/).

 

 

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