Vorhabensbeschreibung

Zusammenfassung

Windenergieanlagen können Bodenerschütterungen verursachen, die hochempfindliche Erdbebenmessstationen stören können. Im Zuge der behördlichen Genehmigung neuer Windenergieanlagen (WEA) sind, diese Erschütterungsimmissionen, zuverlässig in zwei Schritten zu prognostizieren:

1. Abschätzung der Erschütterungsleistung der geplanten WEA durch Vergleich mit ähnlichen Anlagen, deren Erschütterungsleistung bekannt ist, und
2. Abschätzung der Dämpfung der Erschütterung auf dem Wellenweg zwischen Quelle und Einwirkungsort aufgrund der geologischen Gegebenheiten. Diese Abschätzungen sind durch Profilmessungen zu validieren.

Einzubeziehen ist eine mögliche Minderung des Konfliktes durch die Anwendung intelligenter Datenfilterung. Prognosen mit und ohne Datenfilterung sind gegenüberzustellen. 

Ziele des Vorhabens ist es, eine belastbare nachhaltige und öffentlich zugängliche Datenbasis zu schaffen sowie Filterverfahren in der Praxis zu testen. Notwendig sind hierzu: 

• Reihenuntersuchungen der Erschütterungsleistung an aktuellen WEA-Typen. Detailliertere Untersuchungen an Anlagen größerer Leistung (>4 MW).
• Eine homogenisierte Auswertung vorhandener Daten zur Dämpfung von Oberflächenwellen. Validierung durch Profilmessungen. Sicherung eines öffentlichen Datenzugangs.
• Fortschreibung des KIT-Prognosetools.

Weiterentwicklung intelligenter Datenfilter. Einbindung in die Routinedatenerfassung.
 

Ausgangslage und Projektziele

Windenergieanlagen (WEA) können Bodenerschütterungen verursachen, die zwar im allgemeinen nicht spürbar sind, aber dennoch hochempfindliche Erdbebenmessstationen in einem größeren Umfeld stören können. Durch die Vielzahl der Erdbebenmessstationen (seismologischen Stationen) in Deutschland und der Größe der angedachten Betrachtungsradien um diese Messstationen ist der Konflikt zwischen WEA und seismologischen Messstationen zu einem wesentlichen Hinderungsgrund beim Ausbau der Windenergie an Land geworden. Immer mehr Planer und Projektierer, aber auch Genehmigungsbehörden sind mit dieser Problematik konfrontiert und stehen vor der Aufgabe, die Störwirkung geplanter WEA auf vorhandene Messstationen abzuschätzen, zu quantifizieren und zu beurteilen. 

Im Zentrum dieser Aufgabe stehen oft sogenannte ‚Prognosetools‘, also Anweisungen, wie aus vorhandenen Daten und Informationen der jeweilige Störeinfluss einer projektierten WEA abgeschätzt werden kann. Dies ist dann die Voraussetzung dazu, ob und wie die Zulassungsstelle feststellen kann, ob eine Störung noch zulässig oder schon unzulässig sein wird. Dies kann die Genehmigung eines WEA-Neubaus nachhaltig verhindern, wenn keine Einigung auf Ausgleichsmaßnahmen gefunden wird, die beide Seiten befriedigt.

Die angesprochene Prognose leidet an mehreren Stellen an einer unzureichenden Datenlage, besonders für große moderne WEA (>4 MW). Zudem stammen die verfügbaren Daten meist aus isolierten Forschungsvorhaben und sind dementsprechend heterogen, sowohl im Hinblick auf die Datengewinnung (Messung) als auch im Hinblick auf die Datenauswertung und Ergebnisdarstellung. Sie können nur eingeschränkt homogenisiert und so einer einheitlichen Verwendung zugeführt werden, oft besteht, besonders international, kein Zugriff auf die Originalmessdaten.

Das Projekt DB MISS hat zum Ziel, eine ausreichend große homogene, nachhaltige und öffentlich verfügbare Datenbasis zu schaffen, um in Zukunft zuverlässige, wissenschaftsbasierte Prognosen alleine auf der Basis vorhandener Daten und Informationen zu ermöglichen und so aufwendige Zusatzmessungen im Einzelfall zu vermeiden. Die wissenschaftliche Entwicklung von Prognoseverfahren umfasst im Wesentlichen vier voneinander getrennte größere Bereiche:

1. Erarbeitung der Erschütterungsleistung für eine repräsentative Zahl moderner WEA auf typischem Baugrund (Emissionen). Darüberhinausgehende Detailuntersuchungen an WEA höherer Leistung (über 4 MW).
2. Erarbeitung einer repräsentativen Zahl von Werten für die Güte Q (Kehrwert der Dämpfung) für eine Vielzahl typischer lokaler oberflächennaher geologischer Gegebenheiten (Transmissionsweg). Hier ist ein Bezug zu allgemein verfügbaren geologischen Kartenwerken (GIS) anzustreben. Aus der Erschütterungsleistung und dem Dämpfungswert sollen die Immissionen am Einwirkungsort bestimmt werden. Die Ergebnisse der Wellendämpfung und Immission sind durch Profilmessungen und andere Messdaten zu validieren.
3. Fortschreibung des KIT-Prognosetools insbesondere für WEA höherer Leistung (über 4 MW) aber auch mit Berücksichtigung weiterer Projektergebnisse.
4. Bei der Prognose ist die Möglichkeit der Anwendung intelligenter Datenfilter (Denoising) einzubeziehen. Hierzu ist nicht nur diese Art der Datenfilterung weiterzuentwickeln, sondern auch ihre Praxistauglichkeit für Erdbebendienste zu testen. Immissionsprognosen sind dementsprechend mit und ohne Anwendung von erfolgreich getesteten Datenfiltern zu vergleichen.

Die im Projekt zu erarbeitende Datenbasis kann ein Ausgangspunkt für eine zukünftige routinemäßige Datenerhebung sein, so dass die Datenbasis auch nach Projektende stetig weiterwachsen kann. Endziel ist eine Datenbasis, die wesentlich zuverlässigere und besser standortangepasste Immissionsprognosen ermöglicht, als dies heute auf der Basis spärlicher und zu heterogener Daten möglich ist.
 

Aktueller Stand von Wissenschaft und Technik

Der Eintrag von Erschütterungen durch Windenergieanlagen in den Untergrund wird seit einigen Jahren auch international in verschiedenen Forschungsvorhaben untersucht^1,2,3,4,5. Die Ergebnisse sind in einer Vielzahl von Veröffentlichungen in Fachzeitschriften verfügbar. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stand meist der mögliche Störeinfluss auf Erdbebenmessstationen und weniger die Möglichkeiten, diesen Störeinfluss zu mindern. Ist der Abstand von einer oder mehreren WEA zu einer Messstation ausreichend klein, kann die Messstation so gestört sein, dass ihr Nutzen für das seismologische Netzwerk, deren Bestandteil sie ist, nicht mehr gegeben ist. Dies ist weitgehend unstrittig. In diesem Fall kann entweder der Bau weiterer WEA untersagt werden, oder die Messstation ist zu verlegen oder durch den Zubau weiterer Messstationen in ihrer Funktionalität abzusichern. In jedem Fall ist die Funktionalität des Netzes zu erhalten.

Auch andere Ausgleichmaßnahmen, wie die Verlegung der Messstation in ein Bohrloch (mindestens 300m tief) oder der Ersatz eines Einzelsensors durch eine Sensorgruppe (Array, Bohrlocharray) werden diskutiert. Eine weitere Möglichkeit ist die Anwendung intelligenter Filtermethoden auf die Messdaten (engl. denoising) und die Anwendung robusterer Auswertemethoden.

Die Erschütterungsemissionen einer WEA werden zunächst durch die Einwirkung des Windes auf den Turm und die Rotorblätter der Anlage verursacht. Die Umströmung des Turmes und der Blätter erfolgt, in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit, meist turbulent, wobei es zu komplizierten Ablösungswirbeln kommt.

Durch diese Angriffskräfte wird der Turm zum Schwingen in verschiedenen Modalformen bzw. Eigenfrequenzen angeregt (siehe Abbildung 5). Diese Frequenzen liegen bei der Grundmode meist unterhalb von 1 Hz und bei den höheren Moden in einem Frequenzbereich zwischen 1 Hz und 10 Hz. Im Einzelnen sind diese Frequenzen neben der Turmhöhe (Nabenhöhe) auch von der Bauform des Turmes und der Gondelmasse abhängig .

Neben diesen Schwingungen, die durch den Angriff des Windes auf den Turm angeregt werden, werden auch Schwingungen angeregt, wenn ein Rotorblatt am Turm vorbeistreicht und so den unmittelbaren Windangriff kurzzeitig unterbricht. Hier entstehen Schwingungen mit der Drehklangfrequenz (engl. blade passing frequency) und Vielfache davon.

In welchem Umfang diese vielfältigen Schwingungen in den Untergrund eingetragen werden, hängt von der Fundamentierung und dem Untergrund im Nahbereich der WEA ab. In dem kürzlich (Mai 2021) abgeschlossenen Forschungsvorhaben MISS⁷  wurde als Maß für den Erschütterungseintrag die Erschütterungsleistung vorgeschlagen⁸. Dies wurde auch in Analogie zum Lärmschutz gewählt, wo entsprechende Größen (Schalleistung) zur Quantifizierung der Schallemissionen einer Schallquelle üblich sind.

Es wird meist davon ausgegangen, dass Erschütterungsemissionen einer WEA deutlich von der Leistung (also der Größe) einer Anlage abhängen und leistungsstärkere Anlagen eben auch größere Erschütterungen verursachen. Quantitativ sind diese Zusammenhänge insbesondere für größere Anlagen mit Leistungen größer 4 MW nicht ausreichend untersucht. Da aber heute fast nur noch diese großen Anlagen errichtet werden, sind detaillierte Untersuchungen derartiger Anlagen überfällig. Sie sollten in diesem Projekt die Reihenuntersuchungen an Anlagen aller Leistungsklassen ergänzen. Die Ergebnisse sind insbesondere wichtig für die angedachte Fortschreibung des KIT-Prognosetools.

Zur Abschätzung der Erschütterungsimmissionen an einem Einwirkungsort, z.B.: dem Standort einer seismologischen Messstation (Immissionspunkt) ist neben der Kenntnis der Emission der Quelle eine Abschätzung des Abklingens der Erschütterungswellen bei ihrer Ausbreitung von der Quelle (WEA) zum Einwirkungsort (Erdbebenstation) notwendig. Hier gibt die DIN 4150-Teil 1⁹  eine Handhabe.

Die Erschütterungen, die sich von der WEA ausgehend im Untergrund ausbreiten, sind ihrem physikalischen Charakter nach vor allem sogenannte Oberflächenwellen, also Wellen deren Energietransport entlang der Erdoberfläche konzentriert ist. Diese Oberflächenwellen haben die größten Amplituden nahe der Erdoberfläche und nehmen mit der Tiefe stark (exponentiell) und frequenzabhängig ab. Die Bodenbewegungen verteilen sich auf die Mantelfläche eines Zylinders mit senkrechter Achse im Quellpunkt, also an der WEA. 

Da die Mantelfläche mit zunehmendem Quellabstand linear wächst, nehmen die Erschütterungsamplituden demensprechend ab. Dies ist die sogenannte geometrische Amplitudenabnahme (engl. geometrical spreading). Sie ist frequenzunabhängig und durch die Geometrie bzw. Entfernung vom Quellpunkt vorgegeben. Sie folgt einem Potentialgesetz, wobei der Exponent für Oberflächenwellen fest -0,5 ist.

Neben dieser geometrisch bedingten Abnahme nehmen die Amplituden der Erschütterungen zusätzlich durch Dämpfung (anelastische Absorption, intrinsische Dämpfung, Umwandlung in Wärme) und durch Streuung an im Untergrund immer vorhandenen Streukörpern ab. Hierdurch erfolgt, in beiden Fällen, die Abnahme nach einem frequenzabhängigen Exponentialgesetz.

In den Geowissenschaften ist es üblich, die Frequenzabhängigkeit zunächst als linear anzunehmen. Dies führt dann zu dem Dämpfungsgrad D und dessen Kehrwert, der Güte Q (engl. Q-factor oder quality factor). Zu der mit der Ausbreitung von Oberflächenwellen verbundenen Güte Q gibt es umfangreiche Literatur¹⁰ . In der Literatur werden Q-Werte mit verschiedenen Methoden aus seismologischen Aufzeichnungen abgeleitet. Diese werden im Projekt getestet und geeignete Verfahren ausgewählt. Die erhaltenen Q-Werte liegen meist zwischen 20 und 200. Die DIN 4150-1 hat für den Fall, dass keine weiteren Erkenntnisse vorliegen, Q = 100 vorgegeben, wobei man in der DIN 4150-1 allerdings einen höheren Frequenzbereich betrachtet.

Im Zuge des hier angestrebten Aufbaus einer Datenbank ist die Erarbeitung von Q-Werten für unterschiedliche geologische oberflächennahe Gegebenheiten ein zentrales Thema. Auch wenn die gefundenen Werte nur zwischen 20 und 200 variieren, hat dies dennoch einen entscheidenden Einfluss auf die Immissionsprognosen. Q-Werte stehen oft in einem engen, nachweisbaren Zusammenhang mit den Scherwellengeschwindigkeiten (vs) in den betrachteten Formationen. Scherwellengeschwindigkeiten und deren Tiefenverteilung lassen sich oft aus Dispersionskurven ableiten, die ihrerseits aus den Messdaten extrahiert werden können. Diese Methoden müssen auf die tonal dominierten Erschütterungen, wie sie von WEA ausgehen, angepasst werden. Oft wird ein Verfahren mit mehreren Schritten notwendig sein

• Erarbeitung von Dispersionskurven, Scherwellengeschwindigkeiten
• Umrechnung in Q-Werte
• Inversionsprozesse
• Numerische Modellierung der Dämpfung

Dementsprechend kann auch die Erarbeitung von Scherwellengeschwindigkeiten einen indirekten Zugang zu Q-Werten darstellen. Die Extraktion von Scherwellengeschwindigkeiten aus Seismogrammen kann u. U. methodisch einfacher sein als die direkte Extraktion von Q-Werten. Auf dem Umweg über Scherwellen kann es auch leichter möglich sein, eine Beziehung zu den in allgemein verfügbaren geologischen Karten oder auch in 3D-Modellen ausreichender Tiefe dargestellten Größen herzustellen. Dies würde das Verwenden derartiger Karten bei den Immissionsprognosen im Einzelfall erleichtern. Vergleichbar ist dies mit dem Geothermieportal des Geologischen Dienstes, in dem oberflächennahe Geologieinformationen und Tausende von Bohrungen aufgearbeitet wurden . Ein Beispiel ist hier auch das Tool 3D Ruhr-Marie. Der räumlichen Auflösung wird bei diesem Vorgehen durch die Wellenlängen der Erschütterungen eine Grenze gesetzt.

Intelligente Filter (denoising) werden derzeit von Erdbebendiensten nicht routinemäßig eingesetzt. Die Messdaten werden allenfalls bezüglich ihres Frequenzinhalts durch Bandpass-Filterung beschränkt. Dies hilft bei WEA-Emissionen aber nicht viel, weil die Erdbebensignale in demselben Frequenzbereich wie die Störungen liegen. Es bestehen Vorbehalte gegenüber Denoising-Filtern, da diese auch die Signalform der Erdbebenwellen beeinträchtigen können. Die WEA-Störschwingungen unterscheiden sich aber in anderen Charakteristika deutlich von den Erdbebensignalen unter anderem durch ihre Tonalität. Diese Eigenschaft macht die WEA-Signale hochgradig vorhersagbar (für die nächsten 20-30 Sekunden). Diese Eigenschaft kann nun für intelligente Filterverfahren (prediction error filter und Ähnliches) genutzt werden.

Die Filteroperatoren können auf unterschiedliche Art und Weise bestimmt werden, beispielsweise durch klassische least-square-Verfahren (Wiener Filter) aber auch mit heute oft üblichen Verfahren der künstlichen Intelligenz (AI, Denoising Autoencoder, DAE), also ein Operatorbestimmung durch Training an entsprechenden Trainings-Seismogrammen.

 

Derartige Filter haben sich bei Einzelversuchen schon bewährt, eine Einbindung in den Datenstrom einer Dauerregistrierung und somit eine Praxiserprobung steht aber noch aus. Diese wird erfahrungsgemäß noch Anpassungen des Filterprozesses notwendig machen. Zu erproben sind verschiedene Alternativen der Realisierung derartiger Filter.

Technologische und wissenschaftliche Innovation des Vorhabens

Da sowohl zur Bestimmung der Erschütterungsimmissionen als auch zu Bestimmung der Dämpfungswerte Q die entsprechenden Verfahren und Messvorschriften schon in dem Projekt MISS erarbeitet wurden, scheint die technologische und wissenschaftliche Innovation des Vorhabens DB MISS zunächst gering. Es ist jedoch zu erwarten, dass bei der routinemäßigen Anwendung der vorgeschlagenen Verfahren vielfältige weitere Gesichtspunkte auftreten und geklärt werden müssen und daher einer erneuten wissenschaftlichen Bearbeitung bedürfen. Das Projekt MISS hat hier zwar die Grundlagen gelegt, aber eine Anwendungspraxis wurde noch nicht erreicht.
Vollständiges Neuland ist der auszuarbeitende Bezug des Dämpfungsmaße Q zu in Karten verfügbaren geologischen Daten. In der Literatur wurden diese Zusammenhänge erwähnt, gelegentlich wird ein Bezug zwischen Q und der Scherwellengeschwindigkeit gesehen, den dann seinerseits wieder einen Bezug zur oberflächennahen Geologie hat. Es soll versucht werden, diese Beziehungen auch tiefenabhängig zu erarbeiten, wobei wegen der großen Wellenlängen der tieffrequenten Signale auch größere Tiefen interessant sind. Ebenso fehlt noch eine datenbasierte Validierung der vorhergesagten Immissionen.

Das Gesamtpaket des vorgeschlagenen Projektes hat in seiner Zielsetzung in jedem Fall einen hohen Anteil an technologischer und wissenschaftlicher Innovation, der dringend für den Ausbau der Windkraft benötigt wird. Diese Fortschritte werden allerdings verknüpft mit einer ersten Anwendung gefundener Methoden auf eine größere Zahl von Anwendungsfällen. Gerade bei der Vielfalt sowohl der Typen und Ausführungen der WEA einschließlich deren Gründung, als auch der Vielfalt der in NRW angetroffenen Gegebenheiten der oberflächennahen Geologie ist diese Vielzahl der Anwendungen unerlässlich. Nur so lässt sich die notwendige statistische Zuverlässigkeit erreichen, die eine Grundvoraussetzung für eine spätere Routineanwendung ist. Unabhängig davon wird eine gewisse Konzentration auf Anlagen höherer Leistung angestrebt, da hier die Datenlage noch vergleichsweise dünn ist.

In Bezug auf Filtertechnik wird Neuland beschritten. Zwar wurden auch schon im Projekt MISS verschiedene Filterverfahren entwickelt, teilweise auch mit Verfahren der künstlichen Intelligenz. Alle diese Verfahren zielen darauf ab, besondere Eigenschaften der Störschwingungen (z.B. ihre Tonalität) zu erkennen und sie dann auf Basis dieser Kenntnisse abzuschwächen. Diese Verfahren befinden sich alle noch im Versuchsstadium. Sie müssen weiterentwickelt werden, Alternativen müssen gesucht und gefunden werden und insbesondere steht eine Langzeit-Praxiserprobung durch Erdbebendienste an.

Arbeitsplan

Arbeitspaket 1    Wissenschaftliche Koordination

Beteiligte Partner: HD

Die wissenschaftliche Koordination umfasst die bei Verbundvorhaben übliche Koordination zwischen den Projektpartnern, aber auch mit dem Projektträger. Darüber hinaus ist der permanenten Kontakt zum wissenschaftlichen Umfeld und zur Öffentlichkeit zu pflegen. Insbesondere Reihenuntersuchungen an Windkraftanlagen und die Detailuntersuchungen an Anlagen größerer Leistung setzen eine gewisse Mitarbeit von Herstellern und Betreibern der WEA voraus. Hier wird die Projektkoordination mit einer Reihe von Assoziierten Partnern aus der Windbranche abstimmen.
Ein weiteres Koordinationsfeld ist die Datenbeschaffung zu AP 3 insbesondere von Daten aus der Explorationsseismik. Die langjährigen Aktivitäten von HD auf diesem Gebiet sind hier hilfreich.

 

Arbeitspaket 2    Reihenuntersuchung zur Ermittlung der Erschütterungsleistung verschiedener Windenergieanlagen. Detailuntersuchungen an Anlagen höherer Leistung (größer 4 MW)

Beteiligte Partner: DMT, KIT

Das AP 2 ist ein zentrales Anliegen dieses Projektes. Die große Zahl unterschiedlicher Windenergieanlagen, beschrieben u.a. durch Nennleistung, Nabenhöhe, Gondelmasse, Turmkonstruktion, Fundament und Untergrund, bedingt die Notwendigkeit einer größeren Zahl von Messungen (50 – 100). Somit können für neu projektierte WEA ausreichend Messergebnisse an realen WEA bereitgehalten werden, die mit geplanten WEA vergleichbar sind. Diese Messungen sind nach einer einheitlichen Messvorschrift (FA Wind an Land) durchzuführen, um vergleichbare Ergebnisse zu liefern. Die im MISS Projekt erarbeitete Messvorschrift ist so gestaltet worden, dass mit vertretbarem Aufwand für die Einzelmessung durchgeführt werden kann.
WEA mit Leistungen von 4 MW oder mehr werden erst seit relative kurzer Zeit gebaut, sind aber heute schon fast die Regel. An diesen Anlagen sind ausführlichere Untersuchungen der Erschütterungsemissionen, auch mit längeren Messzeiten nötig. Hier sollten so auch Aussagen zu weiteren Einflussfaktoren (über die Leistung hinaus) möglich werden.
Es ist vorgesehen, dass diese Untersuchungen durch die Mitarbeitenden der DMT, geplant, vorbereitet, durchgeführt und ausgewertet werden. Die verwendeten Messgeräte werden ebenfalls von DMT zur Verfügung gestellt, teilweise im Rahmen des Forschungsvorhabens angeschafft.
Auch die Auswertung der Messungen, insbesondere also die Ermittlung von Erschütterungsleistungen liegt in der Verantwortung der DMT, wird aber von HD mit betreut. Die Assoziierten Partner aus der Windbranche bei der Beschaffung und Bewertung von Kenndaten der WEA und auch bei der Auswahl der WEA mitwirken.
Die Auswertung der Detailmessungen an größeren Anlagen erfolgt durch das KIT und DMT.

Arbeitspaket 3 Homogenisierte Erarbeitung von Dämpfungswerten (Güte Q) aus vorhandenen Daten insbesondere der Explorationsseismik

Beteiligte Partner: Universität Münster, DMT, GD

Voraussetzung dieses AP 3 ist die Verfügbarkeit von Daten. Dies können Daten der Explorationsseismik oder anderer seismologischer Messungen sein, aber auch andere Daten, bei denen Oberflächenwellen in verschiedenen Quellentfernungen aufgezeichnet wurden. Da diese Daten unterschiedliche Frequenzbereiche überdecken können, die nicht immer dem hier hauptsächlich angesprochenen Frequenzbereich von 03, - 10 Hz entsprechen, muss darauf geachtet werden, dass die Ergebnisse hier brauchbar sind.
Es ist vorgesehen, dass die Bearbeitung (Processing) dieser Daten durch die wissenschaftlichen Mitarbeitenden der Universität Münster durchgeführt werden. DMT exportiert und führt ein Vorab-Processing der möglichen vorhandenen Datensätze, beispielsweise aus der Explorationsseismik, durch und stellt diese der Universität Münster zur Verfügung. Des Weiteren ist vorgesehen, dass synthetische Wellenformdaten in die Erarbeitung der Dämpfungswerte mit einbezogen werden, um eine Bewertung der Ergebnisse der Auswertungen der Explorationsseismikdaten durchführen zu können. Außerdem sollen hier auch Noise-Aufzeichnungen seismologischer Stationen, die über Kreuzkorrelationen ausgewertet werden (ambient noise interferometry), herangezogen werden, insbesondere um die Extrapolation zu niedrigeren Frequenzen abzusichern.
Da die in AP 3 gewonnen Daten in AP 4 weiterverwendet, werden sind Fachleute des GD auch in AP 3 zu beteiligen. In AP 5 wird die Ergebnis-Validierung am KIT durchgeführt.

Arbeitspaket 4 Bezug der Dämpfungswerte (Q) zu verfügbaren Daten (Karten) der lokalen oberflächennahen Geologie

Beteiligte Partner: GD, Universität Münster

Einen Bezug zwischen Dämpfungswerten und kartierten geologischen Gegebenheiten herzustellen ist in erster Linie eine geologische Aufgabe. Hierbei spielt es eine entscheidende Rolle, die Verfügbarkeit und Relevanz geologischer, meist in Karten vorliegender Informationen, einzuordnen. Dies ist eine Aufgabe, die der GD übernimmt. Ein Bezug zu den Arbeiten des AP 3 wird dadurch hergestellt, dass auch hier ein Theoretiker der Universität Münster mitarbeitet.
Endziel dieses AP 4 ist eine Verfahrendbeschreibung, in dem beschrieben wird, wie man in einem konkreten Einzelfall, also bei der Vorgabe einer Position für eine (neue) WEA und der Position einer seismologischen Messstation unter Zuhilfenahme geologischer Karten und Profile zu einer Abschätzung der lokalen Dämpfung kommt. Damit kann dann das Abklingen der Erschütterungen mit der Entfernung für einen konkreten Fall bestimmt werden. Dies kann ein wesentlicher Bestandteil einer Erschütterungs-Immissionsprognose sein. In diesem AP 4 arbeiten Geophysiker und Geologen von Universität Münster und GD zusammen. In AP 5 wird die Validierung am KIT durchgeführt.

Arbeitspaket 5    Validierung der Ergebnisse der AP 3 und 4 durch Profilmessungen (Langprofile), Fortschreibung des KIT Prognosetools

Beteiligte Partner: KIT

In diesem AP sollen die Messungen aus AP 2 (Erschütterungsleistungen von WEA), AP 3 (Erarbeitung von Dämpfungswerte) und AP 4 (Dämpfungswerte und lokale oberflächennahe Geologie) zusammengeführt und mit Profilmessungen validiert werden. Es soll speziell untersucht werden, ob das theoretische Zusammenwirkungen der Einzeldaten (Erschütterungsleistung, Dämpfungswerte und lokale Geologie) den Realfall ausreichend widerspiegelt, oder ob zusätzliche Faktoren berücksichtigt werden müssen. Hierbei sollen auch die Unsicherheitsbereiche der Einzeldaten berücksichtigt werden.
Das KIT wird in ausgewählten Regionen mit verschiedenen zu erwartenden Dämpfungswerten Profile vermessen. Als Messgeräte sind Seismometer einzusetzen, die den angesprochenen Frequenzbereich abdecken, vorzugsweise solche, die in 3 Komponenten registrieren. 
Dabei sind unverfestigtes bis verfestigtes Gestein und verschiedene lithologische Schichtungen zu berücksichtigen. Diese Profile beginnen an der WEA, erreichen mehrere Kilometer Entfernung zur WEA und können auch in unterschiedliche Richtungen gehen. Es werden dort experimentell Abklingkurven bestimmt und mit den Prognoseergebnissen aus AP 2 - AP 4 verglichen. Weiterhin werden vorhandene Profilmessungen für Vergleichsanalysen verwendet. Basierend auf den Profilmessungen können die Prognose-Eingabedaten validiert oder ggf. verbessert werden. So kann das vorhandene KIT-Prognosetool fortgeschrieben werden.
Unter Zusammenfassung aller Projektergebnisse wird das KIT das 2020 eingeführte KIT-Prognosetool fortschreiben. Dies wird nicht erst zu Projektende erfolgen, Zwischenergebnisse schon während der Projektlaufzeit werden angestrebt. Insbesondere wird dabei eine Erweiterung für WEA mit Leistungen von 4 MW und mehr von Bedeutung.

 

Arbeitspaket 6 Nachhaltige Archivierung aller Original-Daten. Sicherung eines öffentlichen Zugangs

Beteiligte Partner: GD

Die im Projekt vorgesehene Bereitstellung umfangreicherer Daten zur Erschütterungsleistung und zur Dämpfung stellen einen Anfang dar zur weiteren Entwicklung derartiger Datenbanken in der Zukunft. Es muss vorgesehen werden, dass diese Datenbanken auch nach Projektende weiterbetrieben werden und weiter wachsen. Die inneren Strukturen der Datenbanken müssen für diesen Zuwachs ausgelegt sein. Neben Auswertedaten müssen Originaldaten (meist Seismogramme) sicher vorgehalten werden. Ein freier Zugang (open access) zu diesen Daten ist langfristig sicherzustellen. Während der Projektlaufzeit ist dies durch den GD gewährleistet. Gegen Projektende ist zu besprechen und festzulegen, wie mit diesen Datenbanken weiter verfahren wird. Hierbei sind länderübergreifende, teilweise durch die BGR koordinierte Möglichkeiten und Regelungen aufzugreifen.

 

Arbeitspaket 7 Weiterentwicklung und Praxiserprobung intelligenter Filter (denoising)

Beteiligte Partner: DMT, GD, RUB

Im Projekt MISS wurden sowohl von der DMT als auch von der RUB funktionsfähige Datenfilter erarbeitet, erprobt und vorgestellt. Diese Filter beruhen darauf, dass die von tonalen Anteile dominierten Störschwingungen der Windenergieanlagen hochgradig voraussagbar sind, währen seismische Ereignisse (Erdbeben) völlig unerwartet auf der Station eintreffen. Entsprechende numerische Filteroperatoren können entweder klassisch durch least-square-Verfahren (Wiener Filter) erarbeitet werden oder aber durch moderne Verfahren der künstlichen Intelligenz. Dabei lernt ein Autoencoder an Hand eines Trainingsdatensatzes zwischen Störsignal und Erdbebensignal zu unterscheiden. Der trainierte Operator kann anschließend auf die Registrierdaten der Station angewendet werden.
Derartige Datenfilter sind in der Praxis zu erproben und zu verbessern, und in den Datenstrom eines seismologischen Netzes einzubinden. Eine besondere Beachtung muss Veränderung des Nutzsignals durch das Filter finden, und zwar in Hinblick auf die vorgesehenen Auswerteschritte (Magnitudenbestimmung, Ortung, Herdlösungen).
Die Entwicklung der Filter wird von der DMT und der RUB durchgeführt werden, die Praxiserprobung beim GD und der RUB, was erfordert, dass diese beiden Partner zu diesem Thema eng zusammenarbeiten.

Zeit- und Meilensteinplanung
 

 

Der Balkenplan für das Projekt DB MISS zeigt, dass die zentralen Arbeitspakete AP2, AP3, AP 5 und AP7 über die gesamte Projektlaufzeit gehen. Die Arbeiten an den Paketen AP 4 und AP 6 werden etwas zeitversetzt mit vorbereitenden Arbeiten beginnen, werden aber dann ihre Schwerpunkte in der zweiten Projekthälfte oder gegen Projektende haben.
Meilensteine im klassischen Sinn haben in diesem Projekt zur Projektsteuerung nur eine untergeordnete Bedeutung, da es sich sowohl bei der messtechnischen Erfassung von Erschütterungsleistungen (AP 2) als auch bei der Erarbeitung von Q-Werten aus Bestandsdaten (AP 3) um einen andauernden, fortlaufenden Prozess handelt. Die Arbeitspakete sind wenig voneinander abhängig. Arbeitspaket 5 baut zwar inhaltlich auf den AP 3 und 4 auf, ist aber dennoch zeitlich unabhängig davon.
Maßnahmen der Projektsteuerung sind dann erforderlich, wenn es Schwierigkeiten gibt, beim Zugang zu einer ausreichenden Zahl von Windenergieanlagen, um die geplanten Messungen durchzuführen. Die positiven Erfahrungen beim Projekt MISS lassen jedoch erwarten, dass die Zusammenarbeit mit Herstellern und Projektierern von Windenergieanlagen reibungslos sein wird. Diese sind als Assoziierte Partner am Projekt beteiligt. 
Formal wurden 2 Meilensteine eingefügt:

• Meilenstein 1, Ausreichende kooperierende WEA wurden gefunden/ nicht gefunden
• Meilenstein 2, Ausreichende Daten für eine Datenbank wurden erarbeitet/ nicht erarbeitet

Ebenfalls ist davon auszugehen, dass die für der Ermittlung von Q-Werten notwendigen Bestandsdaten zu erhalten sind. Hier kann u.U. auch das neue Geologie-Datengesetz hilfreich sein, da es sich weitgehend um Geo-Daten handelt, deren Verfügbarkeit in diesem Gesetz geregelt wurde. Für NRW sind diese Daten beim Projektpartner GD NRW hinterlegt und verfügbar. Die Zusammenarbeit mit den Geologischen Diensten anderer Länder ist gesichert.

¹ MISS, Forschungsvorhaben des Leitmarkwettbewerbs, https://www.uni-muenster.de/Physik.GP/MISS/project.html 
² DMT - Fachstelle für Erschütterungsmessungen GEE3-2016-825 Teilbericht Arbeitspaket 1 Datum Seite 21.12.2017 104/134 noise radiated by a wind turbine. Soil Dyn Earthq Eng 99:108–123
³ Neuffer, T. (2020). Microseismic Noise Induced by Wind Turbines. PhD thesis, Ruhr-Universität Bochum.
⁴ Inter-Wind: http://www.medicalschool-hamburg.de/forschung-institute/forschung/forschungscluster/umwelt-sozialer-raum-und-nachhaltigkeit/inter-wind/
⁵ WINSENT: https://www.zsw-bw.de/forschung/systemanalyse/themen/windenergie-forschung.html
⁶ Nagel, S., Zieger, T., Luhmann, B., Knödel, P., Ritter, J. and Ummenhofer, T., 2019. Erschütterungsemissionen von Windenergieanlagen, Stahlbau, 88, 559-573.
⁷  MISS, Forschungsvorhaben des Leitmarkwettbewerbs, https://www.uni-muenster.de/Physik.GP/MISS/project.html
⁸  FA Wind an Land Hintergrundpapier, Richtlinie zur Ermittlung der Erschütterungsleistung bzw. des 
Erschütterungsleistungspegels einer Windenergieanlage, 2021, https://ww.fachagentur-windenergie.de/themen/seismologische-stationen/
⁹  DIN 4150-1:2001-06 (2001). Erschütterungen im Bauwesen. Beuth-Verlag.
¹⁰ Gao, L., Pan, Y., Tian, G. et al. Estimating Q Factor from Multi-mode Shallow-Seismic Surface Waves. Pure Appl. Geophys.
¹¹ https://www.geothermie.nrw.de/
¹² Lerbs, N., Korn, M., 2020, Definition von Schutzradien um seismologische Messeinrichtungen bei der Errichtung von Windkraftanlagen, Schriftenreihe des LfULG, Heft 13/2020|2
¹³ https://www.gd.nrw.de/pr_kd_geologische-karte-50000.php, aufgerufen 16.07.2021