Klimaatlas Nordrhein-Westfalen
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Windgeschwindigkeit

1. Grundlagen

2. Datenbasis

3. Kartenerstellung

4. Kartenbeschreibung

5. Literatur

Grundlagen

Die Windgeschwindigkeit ist der Weg, den Luft pro Zeiteinheit im Raum zurücklegt. Während der Wind in großer Entfernung von der Erdoberfläche wesentlich von den horizontalen Druckunterschieden bestimmt ist, wird er in Bodennähe, in der sogenannten atmosphärischen Grenzschicht, durch die Reibungskräfte dominiert.

 

Landeinwärts – d-h. mit zunehmender Entfernung vom Meer - bewirkt die geographische Lage bei gleicher Höhenlage, topographischer Form und gleicher Oberflächenrauhigkeit eine Abnahme der Windgeschwindigkeit von Norden nach Süden und von Westen nach Osten.  Gleichzeitig führen flache, ebene Landschaften im Vergleich zu Landschaften mit Geländehindernissen zu relativ hohen Windgeschwindigkeiten. Auch Kammlagen und Berggipfel weisen gegenüber ihrer Umgebung in der Regel höhere Windgeschwindigkeiten auf. Die Windgeschwindigkeitsabnahme nach Süden und Osten wird daher in höheren Lagen von einer höhenabhängigen Geschwindigkeitszunahme überlagert. Tallagen führen in der Regel nicht nur zu einer Verringerung der mittleren Windgeschwindigkeit, sondern modifizieren - durch Leiteffekte - auch die Verteilung der Windrichtung5.

 

In Städten und Wäldern sind die Windgeschwindigkeiten zumeist niedriger als über Freiflächen oder Äckern. Größere Wasserflächen dagegen bewirken - aufgrund ihrer geringen Oberflächenrauigkeit - eine Verstärkung der Windgeschwindigkeit. 

 

Die Windgeschwindigkeit wird mittels eines Anemometers in 10 m Höhe über ebenem, ungestörtem Gelände6 erfasst. Vom Deutschen Wetterdienst werden Schalenkreuzanemometer oder Ultraschallanemometer eingesetzt. Beim Schalenkreuzanemometer werden halbkugelförmige Hohlschalen durch den Wind in Rotation versetzt. Aus der Drehgeschwindigkeit wird dann die Windgeschwindigkit bestimmt. Bei Ultraschallanemometern wird die Windgeschwindigkeit mit Hilfe der Laufzeit von Ultraschallwellen und der durch den Wind auftretenden Laufzeitverzögerungen gemessen.

 

Daten der mittleren Windgeschwindigkeit sind insbesondere für die Standortplanung von Industrieanlagen, für das Bauwesen, für Versicherungen und im Bereich der erneuerbaren Energien für die Windenergienutzung von großer Bedeutung. Es sei allerdings an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Karten der mittleren Windgeschwindigkeit für die Standortbeurteilung von Windenergieanlagen nur erste Anhaltspunkte zum erwarteten Windenergieertrag liefern können. Für die Errichtung von Windenergieanlagen werden zur Absicherung der Wirtschaftlichkeitsrechnungen spezielle standortbezogene Gutachten benötigt!

Datenbasis

Das Windfeld in 10 m und 80 m über Grund8

 

Insgesamt wurden die Daten von 218 Windmessstationen des Deutschen Wetterdienstes, ergänzt durch  30 temporäre Windmessstationen, bei der Modellierung der Windgeschwindigkeit in 10 m Höhe mit dem statistischen Windfeldmodell (SWM) herangezogen. In dem Modell wurde die räumliche Verteilung des Jahresmittels der Windgeschwindigkeit in Abhängigkeit von verschiedenen Einflussfaktoren, wie z. B. der Höhe über dem Meeresspiegel, der geographischen Lage, der Geländeform und der Landnutzung mittels statistischer Verfahren bestimmt. Für eine ausführliche Beschreibung siehe DWD.

 

Das Windfeld in 100 m, 125 m, 135 m und 150 m über Grund

 

Die Simulation der Windfelder in 100, 125, 135 und 150 m Höhe erfolgte mit dem dreidimensionalen nichthydrostatischen Mesoskalenmodell FITNAH (Flow over Irregular Terrain with Natural and Anthropogenic Heat-sources ) (TRUTE et al. 2002). Als repräsen­tative meteorologische Situationen werden für die Windverhältnisse (Geostrophischer Wind, Höhenwind) in einer Höhe von 1.500 bis 2.000 m über Grund Daten der Wetter- und Ozeano­grafiebehörde der Vereinigten Staaten (NOAA 2011, National Oceanic and Atmospheric Administration) verwendet. Weiter finden ein digitales Geländemodell und das ATKIS-Basis-DLM der Landesvermessung NRWs (GeoBasis.NRW) für die Landnutzung Eingang in das Modell. Die verschiedenen Nutzungstypen wurden auf Basis von langjährigen Erfahrungswerten durch eine Hindernishöhe, einen Durchlässigkeitsbeiwert, eine Rauigkeitslänge und eine anthropogene Wärmefreisetzung gekennzeichnet. Für eine ausführliche Beschreibung der Datenbasis und des Modells siehe Potenzialstudie Erneuerbare Energien NRW, Teil 1 – Windenergie (LANUV 2012).

Kartenerstellung

Das Windfeld in 10 m und 80 m über Grund

 

Die flächendeckende Verteilung der mittleren Windgeschwindigkeit in 10 und 80 m über Grund wurde mit Hilfe des statistischen Windfeldmodells (SWM) des Deutschen Wetterdienstes für ganz Deutschland modelliert. Die Windkarten für NRW sind Ausschnitte dieser Deutschlandkarten. Die Rastergröße beträgt 200 x 200 m, der Bezugszeitraum ist 1981 bis 2000. Die Grenzen der einzelnen Klassen der Windkarten sind nicht als eine exakte vorgegebene Grenze zu interpretieren, sondern als räumlich fließend anzusehen. Für eine ausführliche Beschreibung siehe DWD.

 

Das Windfeld in 100 m, 125 m, 135 m und 150 m über Grund

 

Die Simulation der Windfelder in 100, 125, 135 und 150 m Höhe in dem dreidimensionalen nichthydrostatischen Mesoskalenmodell FITNAH ist ausführlich in der Potenzialstudie Erneuerbare Energien NRW, Teil 1 – Windenergie (LANUV 2012) nachzulesen.

Kartenbeschreibung

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Abb. 1: Jahresmittel der Windgeschwindigkeit in 10 m über Grund in m/s in Nordrhein-Westfalen im Zeitraum 1981-2010 (Datengrundlage: DWD).

Beispiel für Bodennahe Windgeschwindigkeit (10 m über Grund)

 

In den ebenen Bereichen NRWs wird die Windgeschwindigkeitsverteilung hauptsächlich durch die Bodenrauigkeit bestimmt. Im offenen Gelände steigen die Werte auf bis zu 4,5 m/s. Waldgebiete treten durch reduzierte mittlere Windgeschwindigkeiten bis unter 3 m/s hervor. Vergleichbar oder noch stärker ist der Einfluss der Städte. Bspw. gehen die Mittelwerte der Windgeschwindigkeit in Düsseldorf, Köln oder dem Ruhrgebiet auf unter 2,5 m/s zurück.

 

Vergrößern
Abb. 2: Jahresmittel der Windgeschwindigkeit in 150 m über Grund in m/s in Nordrhein-Westfalen im Zeitraum 1981-2010.

Deutlich anders stellt sich die Windverteilung in den Mittelgebirgsregionen dar. Die orographische Struktur mit Bergen bis über 800 m und engen Tälern spiegelt sich deutlich im Windfeld wider. Nicht nur die Kammlagen mit mittleren Windgeschwindigkeiten bis über 4,5 m/s treten nun deutlich hervor, sondern auch die windgeschützten Täler mit häufig unter 2 m/s. Der Einfluss der Oberflächenrauigkeit tritt hier gegenüber den orographischen Effekten deutlich zurück, wobei auch eine Rolle spielt, dass die Höhenlagen nahezu durchgängig bewaldet sind.

 

Beispiel für Windfeld in größeren Höhen (150 m über Grund)

 

In 150 m über Grund weisen so gut wie alle Flächen in NRW Windgeschwindigkeiten von über 6 m/s auf. Auf 8 % der Flächen werden sogar mittlere Windgeschwindigkeiten von über 7 m/s erreicht. Diese Standorte sind vor allem in der Eifel, dem Haarstrang und den Baumbergen zu finden. Aber auch Teile im Westen der Niederrheinischen Bucht weisen solche hohen Windgeschwindigkeiten auf.

Literatur

  • MÜLLER-Westermeier, G., A. Kreis, E. Dittmann (1999 - 2005): Klimaatlas Bundesrepublik Deutschland in 4 Teilen. Hrsg: Deutscher Wetterdienst. Offenbach a.M.
  • Der Minister für Umwelt, Raumordnung und Landwirtschaft des Landes Nordrhein-Westfalen (1989): Klima-Atlas von Nordrhein-Westfalen. DWD, Offenbach.
  • DWD – Deutscher Wetterdienst: Wetterlexikon unter www.dwd.de.
  • Gebrüder Bornträger (1994): Windkarten von Deutschland. Meteorologische Zeitschrift, N.F. 3, 67-77.
  • Wippermann, F (1987).: Die Kanalisierung von Luftströmungen in Tälern, in PROMET 3/4' 87, Offenbach.
  • VDI (2000): VDI-Richtlinie 3786, Bl. 2: Umweltmeteorologie : Meteorologische Messungen für Fragen der Luftreinhaltung ; Wind
  • Deutscher Wetterdienst (2008): Windkarten und Winddaten für Deutschland: Windkarten Info
  • LANUV (2012): Potenzialstudie Erneuerbare Energien NRW, Teil 1 – Windenergie. Recklinghausen 2012.
  • TRUTE, P., TH. FREY und G. GROSS (GEO-NET) 2002: Die Anwendung numerischer Simulationsmodelle zur Berechnung des Windenergiepotenzials für Windkraftanlagen. UVP-Report, H. 1+2, S. 32 – 36.