Windmessung mit Drohnen und Ultraschall-Anemometern

Wie mobile Messsysteme Windmessungen in komplexem Gelände ergänzen können

Bei der Planung von Windenergieanlagen sind zuverlässige Informationen über die lokalen Windverhältnisse entscheidend. Langzeitmessungen mit meteorologischen Masten, Lidar-Systeme und numerische Strömungssimulationen (Computational Fluid Dynamics, CFD) liefern dafür wichtige Grundlagen. Besonders in hügeligem, bewaldetem oder anderweitig strukturiertem Gelände können lokale Effekte jedoch schwer vollständig abzubilden sein.

Eine mögliche Ergänzung sind mobile Messungen mit Drohnen. Dazu wird ein Multikopter mit einem dreidimensional messenden Ultraschall-Anemometer ausgestattet. Die Drohne wird zu definierten Messpunkten geflogen, hält dort ihre Position und erfasst die Windgeschwindigkeit und Windrichtung. So entsteht ein flexibles Messsystem, mit dem sich die räumliche Verteilung des Windes an mehreren Positionen und Höhen untersuchen lässt.

Die Methode ersetzt Langzeitmessungen oder Simulationen nicht grundsätzlich. Sie kann aber zusätzliche Messdaten liefern, lokale Strömungseffekte sichtbar machen und dazu beitragen, CFD-Modelle oder andere Bewertungen des Windpotenzials zu überprüfen und weiterzuentwickeln.

Wie funktioniert die Windmessung mit einer Drohne?

Das Messsystem besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten:

• einem Multikopter als Trägerplattform,
• einem Ultraschall-Anemometer zur Erfassung der Windbewegung,
• einer Mess- und Auswerteeinheit zur Positionsbestimmung, Datenspeicherung und Kompensation von Einflüssen des Fluggeräts.

Ultraschall-Anemometer bestimmen die Windgeschwindigkeit und Windrichtung, ohne bewegliche mechanische Teile im Messvolumen zu benötigen. Bei einem dreidimensionalen Anemometer werden mehrere Geschwindigkeitskomponenten erfasst. Daraus lassen sich unter anderem die resultierende Windgeschwindigkeit, die Windrichtung und – abhängig von Messstrategie und Auswertung – weitere Größen wie Turbulenz oder die Neigung der Strömung ableiten.

Ein Multikopter bietet gegenüber einem Starrflügler einen wesentlichen praktischen Vorteil: Er kann an einem Messpunkt in der Luft schweben. Das Messgerät bleibt dadurch für einen definierten Zeitraum an einer bestimmten Position, anstatt die Messdaten während eines kontinuierlichen Überflugs aufzunehmen. Die Messdauer, die Flughöhe und die Positionen können an die jeweilige Fragestellung angepasst werden.

Warum ist die Positionierbarkeit ein Vorteil?

Bei räumlich stark wechselnden Windverhältnissen reicht eine einzelne Messstelle häufig nicht aus, um die Strömungssituation eines Areals zu beschreiben. Geländeformen, Waldflächen, Böschungen, Gebäude oder Kuppen können die Windgeschwindigkeit und die Windrichtung lokal beeinflussen.

Mit einem drohnengetragenen Messsystem lassen sich Messpunkte gezielt ansteuern. Je nach Aufgabenstellung kann die Drohne beispielsweise:

• ein Raster über einem definierten Geländeabschnitt abfliegen,
• Messungen in unterschiedlichen Höhen durchführen,
• Bereiche an Geländekanten oder Hängen untersuchen,
• Messpunkte in schwer zugänglichen Bereichen erreichen,
• Messungen unter verschiedenen Windrichtungen oder Wetterbedingungen wiederholen.

Der GPS-gestützte Schwebeflug kann dabei eine stabile Grundlage für zeitlich definierte Messungen bilden. Für belastbare Ergebnisse müssen jedoch die Flugbewegungen, die Rotoren und der durch die Drohne erzeugte Luftstrom berücksichtigt werden. Die Messwerte sollten deshalb nicht allein aus der Position der Drohne abgeleitet werden. Entscheidend ist die Kombination aus geeigneter Sensorposition, Bewegungsdaten, Kompensationsverfahren, Referenzmessung und einer passenden Messstrategie.

Was zeigen Untersuchungen zur Messgenauigkeit?

Ein veröffentlichtes Forschungsprojekt der RWTH Aachen untersuchte ein UAV-basiertes Messsystem unter anderem über komplexem Gelände. Das System bestand aus einem Multikopter, einem Gill WindMaster 3D-Ultraschall-Anemometer sowie einer selbst entwickelten Kompensations- und Datenerfassungseinheit.

Die Forschenden prüften die Messung auf zwei Ebenen:

Rechnerische Betrachtung der Messunsicherheit

Für einen einzelnen Messpunkt wurde nach dem Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) eine Standardunsicherheit von ±0,37 m/s berechnet. In diese Betrachtung flossen relevante Einflussgrößen des Systems ein. Der Wert beschreibt die erwartete Unsicherheit des untersuchten Systems unter den zugrunde gelegten Annahmen. Er ist nicht automatisch auf andere Drohnen, Sensoren oder Einbausituationen übertragbar.

Vergleich mit stationären Referenzmessungen

Zusätzlich wurde das drohnengetragene System mit stationären Anemometern verglichen. Bei positionsgeregelten Schwebeflügen lagen die Unterschiede der 10-Minuten-Mittelwerte der Windgeschwindigkeit in den beschriebenen Versuchen unter 0,12 m/s. Für die Windrichtung wurden maximale mittlere Abweichungen von 2,4° angegeben.

Diese Ergebnisse zeigen, dass drohnenbasierte Windmessungen unter geeigneten Bedingungen eine hohe Übereinstimmung mit Referenzmessungen erreichen können. Sie sind jedoch als Ergebnisse des untersuchten Messaufbaus zu verstehen. Die tatsächliche Messqualität hängt unter anderem vom Sensor, der Montagehöhe über der Rotorenebene, der Bewegungs- und Strömungskompensation, der Flugführung sowie den Umgebungsbedingungen ab.

Windmessung für die Planung von Windparks

Für die Standortbewertung von Windenergieanlagen werden in der Praxis verschiedene Datenquellen kombiniert. Langzeitmessungen liefern Informationen über die zeitliche Entwicklung der Windverhältnisse. Lidar-Systeme können Windprofile berührungslos erfassen. CFD-Simulationen unterstützen die räumliche Betrachtung des Windfeldes und berücksichtigen dabei unter anderem Gelände, Oberflächenrauheit und atmosphärische Randbedingungen.

In komplexem Gelände bleiben dennoch Modellunsicherheiten und lokale Effekte bestehen. Eine drohnenbasierte Messkampagne kann hier zusätzliche Informationen liefern. Die Drohne misst nicht nur an einem festen Maststandort, sondern kann mehrere Punkte innerhalb des relevanten Areals untersuchen. Dadurch lassen sich beispielsweise Windgeschwindigkeitsunterschiede im Bereich von Kuppen, Hängen oder Geländekanten erfassen.

Die Messdaten können anschließend dazu dienen,

• lokale Strömungseffekte mit Simulationsergebnissen zu vergleichen,
• räumliche Abweichungen innerhalb eines geplanten Windparkareals zu untersuchen,
• Annahmen zur Windgeschwindigkeitsverteilung zu überprüfen,
• geeignete Referenzpunkte für eine Messkampagne zu bewerten,
• CFD-Modelle und die zugrunde liegenden Randbedingungen weiter zu beurteilen.

Eine einzelne Drohnenmessung ersetzt dabei keine langfristige Erfassung des Windpotenzials. Sie liefert vielmehr eine räumlich flexible Momentaufnahme oder Messkampagne, die im Zusammenhang mit den übrigen Datenquellen interpretiert werden muss.

Weitere mögliche Anwendungen

Die Kombination aus Drohne und Ultraschall-Anemometer ist grundsätzlich nicht auf die Windparkplanung beschränkt. Je nach Sensor, Trägerplattform und Genehmigungsrahmen kommen beispielsweise folgende Aufgaben infrage:

Untersuchung lokaler Windfelder

In hügeligen, bewaldeten oder bebauten Gebieten können Messungen an frei wählbaren Punkten helfen, lokale Unterschiede der Strömung besser zu erfassen.

Validierung von Simulationsmodellen

Messwerte aus mehreren Höhen und Positionen können genutzt werden, um Simulationsergebnisse mit realen Bedingungen zu vergleichen. Die Daten können damit eine Grundlage für die fachliche Bewertung und gegebenenfalls Weiterentwicklung von Modellen bilden.

Meteorologische Unterstützung in schwer zugänglichen Bereichen

In Waldbrandgebieten oder anderen Einsatzlagen könnten mobile Messungen lokale Informationen über Windrichtung und Windgeschwindigkeit liefern. Ob ein solcher Einsatz sinnvoll und zulässig ist, hängt unter anderem von Sicherheitsanforderungen, Sichtbedingungen, Flugfreigaben und der konkreten Einsatzorganisation ab.

Entwicklung und Erprobung von Drohnen

Bei der Entwicklung von Fluggeräten kann ein Ultraschall-Anemometer dazu beitragen, das Verhalten der Drohne unter unterschiedlichen Windbedingungen zu untersuchen. Dabei sind insbesondere die Wechselwirkungen zwischen Rotoren, Flugbewegung und Messsensor relevant.

Diese Beispiele beschreiben technisch plausible Einsatzmöglichkeiten. Sie sind nicht als dokumentierte Anwendungserfolge des genannten Forschungsprojekts oder als pauschale Leistungszusage zu verstehen.

Worauf kommt es bei der Auswahl und Auslegung an?

Vor dem Aufbau eines drohnengetragenen Windmesssystems sollten mehrere Punkte geklärt werden:

• Welche Messgrößen werden benötigt: Windgeschwindigkeit, Windrichtung, 3D-Windvektor, Turbulenz oder Strömungsneigung?
• In welchen Höhen und Entfernungen soll gemessen werden?
• Wie lange muss die Drohne pro Messpunkt in Position bleiben?
• Welche Messunsicherheit ist für die Anwendung akzeptabel?
• Wie werden Rotor-induzierte Strömungen und Flugbewegungen kompensiert?
• Wo wird der Sensor relativ zur Rotorenebene positioniert?
• Welche Referenzmessung steht zur Verfügung?
• Wie werden Zeitstempel, Positionsdaten und Sensordaten synchronisiert?
• Welche Windgeschwindigkeiten, Temperaturen und Umgebungsbedingungen sind zu erwarten?
• Welche Anforderungen gelten für Betrieb, Genehmigung, Sichtflug und Arbeitssicherheit?

Auch das Gewicht des Systems spielt eine Rolle. Das in der RWTH-Untersuchung eingesetzte Gesamtsystem wog einschließlich Sensorik 8,5 kg. Kompaktere Sensoren und Messaufbauten können grundsätzlich den Einsatz kleinerer Drohnen ermöglichen. Ob dies im Einzelfall realisierbar ist, muss anhand von Nutzlast, Flugzeit, Sensoranforderungen und Sicherheitsreserven geprüft werden.

Fazit: Flexible Ergänzung für räumlich aufgelöste Windmessungen

Drohnen mit Ultraschall-Anemometern eröffnen eine flexible Möglichkeit, Windverhältnisse an frei wählbaren Punkten und in unterschiedlichen Höhen zu untersuchen. Besonders bei komplexem Gelände können solche Messungen zusätzliche Informationen liefern, die mit stationären Messpunkten allein nur schwer zugänglich sind.

Die Untersuchungen der RWTH Aachen zeigen, dass mit einem geeigneten Messaufbau und einer abgestimmten Kompensation präzise Vergleichsergebnisse möglich sind. Für die praktische Nutzung sind jedoch eine sorgfältige Sensorintegration, eine geeignete Referenzmessung und eine auf die Fragestellung abgestimmte Messstrategie erforderlich.

Damit kann die drohnenbasierte Windmessung eine sinnvolle Ergänzung zu Mastmessungen, Lidar-Daten und CFD-Simulationen sein – insbesondere dann, wenn lokale Strömungseffekte in komplexen Landschaftsstrukturen genauer untersucht werden sollen.

Verwendete Quellen

• Ingenhorst, C.; Jacobs, G.; Stößel, L.; Schelenz, R.; Juretzki, B.: Method for airborne measurement of the spatial wind speed distribution above complex terrain. Wind Energy Science, 6, 427–440, 2021. DOI: https://doi.org/10.5194/wes-6-427-2021