Neven Josipovic Vortrag SW

Vier Fragen (und Antworten) zum neuen DFS-Bewertungsansatz für DVOR

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Die DFS verwendet seit dem 1. Juni 2020 eine überarbeitete Methodik zur Bewertung von möglichen Störeinflüssen von Windenergieanlagen auf DVOR. Vor allem aufgrund der Berechnungsformel für Winkelfehler entstehen Spielräume für den Ausbau von Windenergieanlagen im Umfang der Flugsicherungseinrichtungen. In der Praxis sind in dem Zusammenhang immer wieder Fragen aufgekommen, von denen vier in diesem Beitrag beantwortet werden.

Ein Beitrag von Dr. Neven Josipovic (TU Braunschweig) und Prof. Dr.-Ing. Robert Geise (HfT Leipzig)

I. Was wurde am Bewertungsansatz modifiziert?

Die Bewertung möglicher Störungen von Flugsicherungseinrichtungen nach dem Luftverkehrsgesetz umfasst drei Komponenten:

  • die Abschätzung bestehender Einflüsse durch das Gelände und elektromagnetisch wirksame Objekte,
  • die Prognose möglicher zusätzlicher Einflüsse durch geplante Bauwerke wie Windenergieanlagen und
  • den Abgleich der beiden Werte mit einem zulässigen Toleranzwert bzw. Grenzwert gemäß internationalen Vorgaben.

Das zentrale Novum im modifizierten Bewertungsansatz der DFS betrifft die Berechnungsformel, die für den zweiten Schritt (Prognose) verwendet wird. Bis 2020 wurden einzelnen Windenergieanlagen absolute Fehlerbeträge zugewiesen, die einfach aufaddiert wurden. Das wurde über Jahre hinweg von Experten als physikalisch unsinnig moniert. Weil die Rechtsprechung den Ansatz entgegen den Ansichten in der wissenschaftlichen Community aber immer wieder bestätigte, sah die DFS keinen unmittelbaren Handlungsbedarf. Das führte zu der über etwa zehn Jahre hinweg verfestigten „Blockade“ des Windenergieausbaus im Umfeld von DVOR und VOR.

Die seit 2020 verwendete modifizierte Bewertungsformel berücksichtigt im Gegensatz zur vorherigen Variante den theoretischen Verlauf eines DVOR-Störsignals (die Fehleroszillation um seinen Mittelwert). Die Modifikation führt dazu, dass grundsätzlich mehrere Windenergieanlagen erst einmal zu geringeren prognostizierten Störeinflüssen auf DVOR führen als bisher. Verwundern muss aber, dass für diese Anpassung, die auf einem seit mehr als 50 Jahren bekannten Zusammenhang basiert [1], offenbar sechs Jahre Forschung in zwei vom Bund geförderten Verbundprojekten notwendig waren. Hier deutet sich an, dass in der Diskussion um die DFS-Bewertungsmethodik wissenschaftliche Argumentation vielleicht nicht im Vordergrund stand.

Abgesehen davon hat sich am Bewertungsansatz nichts substanziell verändert. Der Störeinfluss einzelner Windenergieanlagen wird immernoch über einen einfachen Dreisatz skaliert, die tatsächliche Geometrie des betroffenen WEA-Modells bis auf die Höhe gänzlich unberücksichtigt lässt.

II. Wurde die neue DFS-Formel validiert?

Das mit der Überarbeitung der Formel beauftrage Forschungskonsortium WERAN zeigt in seinem Abschlussbericht einen Vergleich von exemplarischen Messkurven mit Ergebnissen der Prognoseformel und Ergebnissen einer elektromagnetischen Vollwellensimulation. Beide Kurven schwanken zwischen +0,2° und -0,2° bei ungefähr ähnlichen Verläufen des gleitenden Mittelwertes (vgl. Folien 44 und 45 der WERAN-Präsentation zum Stand der Forschung vom 19.12.2019). Das mag für Außenstehende zunächst nach einer guten Übereinstimmung aussehen. Aus wissenschaftlicher Sicht muss zu dieser „empirischen Validierung“ aber folgendes angemerkt werden:

In konsequenter Schlussfolgerung würde die „Validierung“ bedeuten, dass numerische Simulationen zur Berechnung des elektromagnetischen Störverhaltens von Windenergieanlagen, wie sie ebenfalls im WERAN-Projekt mit Großrechnern und zweiwöchiger Laufzeit pro Simulation durchgeführt worden sind, den gleichen Genauigkeitsgrad haben, wie die DFS-Formel, die sich in wenigen Sekunden auf einem Taschenrechner ausrechnen lässt und die Geometrie einer Windenergieanlage gar nicht berücksichtigt. Das müsste selbst Nicht-Wissenschaftler zumindest nachdenklich stimmen (hinsichtlich dieser sogenannten empirischen Validierung sei auf ein Gutachten im Auftrag der ENERCON Windpark GmbH verwiesen).

Die einzig logische Schlussfolgerung müsste doch vielmehr lauten: Der Störeinfluss einer Windenergieanlage ist im Regelfall ohnehin so gering bzw. gegenüber anderen viel dominanteren Störeffekten so weit vernachlässigbar, dass die Modellierung der geplanten Windenergieanlage nur eine untergeordnete Rolle spielt. Andere Störeffekte, die die WEA-Einflüsse überlagern, sind beispielsweise schlichtweg ein geringes Signal-Rauschverhältnis oder Reflexionen am Gelände. Anders ausgedrückt: Prognostizierte Winkelfehler von Windenergieanlagen sind unter realen Flugbedingungen im Regelfall nicht nachweisbar. Genau das hat sich auch in verschiedenen wissenschaftlichen Studien immer wieder bestätigt (vergleiche dazu u. a. eine Studie der Airbus Defence and Space GmbH und die Ergebnisse des Projekts "min-VOR-win" der TU Braunschweig). Der Einfluss des Rauschens bzw. die Untersuchung von Winkelfehlern in Abhängigkeit des Signalpegels fehlt im Übrigen gänzlich in der Fehlerbetrachtung, welche WERAN in seiner Validierung anführt, obwohl dies ein ganz zentraler Punkt in jeder messtechnischen Untersuchung sein sollte.

DFS und WERAN sollten somit nicht mit einer augenscheinlichen Interpretation eines Diagramms suggerieren, dass eine einfache Formel das elektromagnetische Störverhalten von Windenergieanlagen unter Berücksichtigung aller anderen Störeinflüsse auch im elektromagnetischen Fernfeld adäquat abbilden kann.

III. Was bedeutet die veränderte Formel für konventionelle VOR?

Für konventionelle VOR ändert sich nichts, und das mag verwundern. Die Frage muss also lauten: Wenn tatsächlich ein validiertes Prognosemodell vorläge, müsste man damit nicht auch Störeinflüsse bei konventionellen VOR berechnen können?

Die Reflexionseigenschaften von Windenergieanlagen, also wohin und wie stark ein Signal reflektiert wird, hängen grundlegend nicht von dem jeweiligen Antennensystem DVOR oder VOR ab. Mit einem validen Prognosemodell können daher Störeinflüsse für beide Varianten berechnet werden. Hier sei auch erwähnt, dass der Empfänger im Flugzeug für VOR und DVOR sogar derselbe ist. Wenn Störungen der amplitudenmodulierten (AM) und der frequenzmodellierten (FM) Signalkomponente in der modifizierten Formel tatsächlich richtig modelliert wären, wäre das Problem sowohl für DVOR als auch für VOR adressiert. In diesem Zusammenhang muss die Forderung des WERAN-Konsortiums, man solle alle VOR durch DVOR ersetzen, doch stark verwundern (vgl. WERAN-Präsentation zum Stand der Forschung vom 19.12.2019, Folie 96). Eine solche Forderung, ohne dass man in der Lage war, den Einfluss des VOR überhaupt zu untersuchen, ist wissenschaftlich haltlos. Sogar im Gegenteil: Die von der Airbus Defence and Space GmbH durchgeführte Studie und das Projekt min-VOR-win zeigen messtechnisch in repräsentativen Stichproben, dass es zwischen DVOR und VOR hinsichtlich der reslutierenden Winkelfehler gar keine großen Unterschiede gibt.

IV. Wie könnte man WEA-Projekte gemäß etabliertem Stand der Technik bewerten?

Zunächst seien die LeserInnen darauf hingewiesen, dass der etablierte Stand der Technik nicht ausschließlich durch das WERAN-Konsortium aufgestellt wird. Vielmehr entsteht ein Stand der Technik durch fortlaufende Diskussion in der Community und auch durch das Hinterfragen der eigenen Ergebnisse. Eine eben solche Diskussion wird vom WERAN-Konsortium in Deutschland allerdings abgelehnt.

Außerdem kann nur wiederholt werden, dass in der wissenschaftlichen Community seit Jahren Einigkeit zu den Grundprinzipien für eine VOR-Störungsbewertung nach dem Stand der Technik besteht. Das geht aus übereinstimmenden Ansichten in der wissenschaftlichen Literatur hervor und wurde schließlich im Jahr 2019 auch in einer gemeinsamen Expertenstellungnahme transparent dokumentiert. Danach sollte sich eine Bewertung nach dem Stand der Technik unter anderem an folgenden Prinzipien orientieren:

  • Zur Störungsbewertung sind diskret-numerische Simulationsprogramme, Messverfahren oder eine Kombination davon einzusetzen. Da je nach spezifischer Problemlage unterschiedliche Ansätze angewendet werden können, besteht eine Vielzahl an möglichen Methoden und Tools.
  • Der für die Störungsbewertung nach § 18a LuftVG maßgebliche ICAO-Toleranzwert beträgt 3,5° Winkelfehler auf Grundlage einer 95 %-Wahrscheinlichkeit. Der Wert bezieht sich auf den operativ relevanten Anteil des Winkelfehlers (sogenannte „bends“, definiert in ICAO Doc 8071, 5. Auflage, 2.3.48) und berücksichtigt den Anlagenfehler (Alignment).
  • Die wissenschaftlich validierten Anlagenschutzbereiche gemäß ICAO EUR Doc 015 sollten konsequent angewendet werden. Das würde mit sofortiger Wirkung dazu führen, dass Windenergieprojekte in mehr als 10 km Entfernung zu DVOR mit Blick auf § 18a LuftVG pauschal genehmigungsfähig wären.

Allein die Tatsache, dass die Deutsche Flugsicherung offenbar nicht in der Lage ist, gemäß den Prinzipien nach aktuellem Stand der Technik zu arbeiten, rechtfertigt es aus wissenschaftlicher Sicht nicht, weiterhin an der praktizierten Methode festzuhalten, die in der Mehrheit der Community als nicht valide und schon im Ansatz unzureichend gilt.

 


 Endnoten

[1] Anderson, S. R./R. B. Flint, The CAA Doppler Omnirange, in: Proceedings of the IRE 47 (5), 1959, S. 808 (813)

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