Vindkraft – et pilot-problem?

”I gamle dage kunne man bruge windmøllerparker som navigationshjælpemidler. I Nordtyskland var der bare 1, da jeg lærte at flyve. Så vidste man, at man skulle svinge til højre. Men den tid er forbi. Nu er der vindmøller overalt”.

Det siger Dr. Ing Prof. Frank Janser, Luft- und raumfarthtechnik, Fachhochschule i Aachen. Han er en entusiastisk fritidspilot og ingeniør med speciale i strømningsmekanik. Han interesserer sig for forholdet mellem vindmøller og luftsport, 2 emner som er på stigende kollisionskurs.

Dr. Ing Prof. Frank Janser, Luft- und raumfarthtechnik, Fachhochschule i Aachen.

Konsekvenserne af at flyve for nær på en vindmølle kan være pludselige stalls, downdrafts og en roll-rate som overstiger flyets egen ror-autoritet.

Fakta er, at de seneste år er antallet af Megawatt installeret i onshore-møller øget med faktor 6, og møllerne bliver større og større. Man kan kun øge en vindmølles energiproduktion ved at øge rotordiameteren:

”Som aerodynamiker kan jeg sige med sikkerhed, at jo større vindmøllen er, jo bedre er virkningsgraden. Derfor bliver møllerne større i fremtiden, og dermed bliver påvirkningen af omgivelserne også større. Vi er gået fra 75 kW-møller med en rotordiameter på 17 meter til nutidens kraftværker på 5-7 MW og en rotordiameter på 150 meter. Det er ikke usandsynligt, at vi i fremtiden får 20 MW-møller med en rotordiameter på 250 meter”, siger Frank Janser.

Fig. 1
Tendensen er klar. CO2-problematikken har ført til en naturlig acceleration i vindkraft. Øgningen fra 2015 til 2016 svarer fx til hele den samlede kumulative installation fra fra 1994-2004.

Fig. 2
Vertikal Lidar-måling af vindfelt umiddelbar bag vindturbine. Farverne indikerer variationen i vindhastigheder – helt op til 16 m/s over et meget lille område, hvilket i ”worst case scenario” kan lede til ”loss of control i små fly.

Fig. 3
Udviklingen i vindturbiner viser tydeligt, at ”bigger is better” – større turbiner giver større virkningsgrad. De største konstruktioner i dag er på 7 megawatt og øgende i effekt. Men det betyder også, at meget høje vindturbiner kan udgøre en øget risiko kollisions- og turbulens-risiko for lavtflyvende lufttrafik. (foto: Windenergie Report Deutschland 2014, Fraunhofer Institut (IWES))

Den potentielle problematiske sameksistens mellem vindkraft og flyvning forværres yderligere jo mindre flyvepladsen er. I USA er flyvepladserne ofte vældig store. Til sammenligning er de fleste europæiske flyvepladser meget små. Jo mindre flyveplads, jo mindre afstand har flyvepladstrafikken til vindturbinerne.

”Min egen flyveplads Aachen Merzbruck er 520 meters asfalt. Jeg fløj engang med en amerikansk kollega som troede, at det var en helipad. Han var vant til meget større flyvepladser”, siger Frank Janser.

Men når vindmøllerne bliver større, hvad gælder så de aerodynamiske forhold som gælder omkring disse anlæg? Hvornår er belastningerne for en flyvemaskine for høj?
”Disse svar har vi søgt, fordi vi gerne vil vide, hvilken afstand en vindturbine bør have til en flyveplads. Her tænker vi på en flyveplads med alle tænkelige former for luftsport; Svævefly, motorfly, ultralette fly, hang- og paragliding, faldskærmshop og sågar også ballonflyvning. Selvfølgelig har vi undersøgt disse fænomener i computeren via CFD (Computional Fluid Dynamics), men når virkeligheden bliver for kompleks så søger vi altid eksperimenterne, hvor vi kan efterprøve beregningerne i virkeligheden.”, siger Frank Janser.

Derfor har Janser og hans team gennemgået eksisterende simuleringer, men også efterprøvet de psykologiske effekter af vindmøller i umiddelbar nærhed af flyvepladser.
Stuttgart Universitet har fx beregnet simuleringer med en stor vindmølle med 125 meter rotordiameter vs svævefly af typen Discus (520 kg) og Egenius (930 kg) “fordi alle universitetsfolk fra Stuttgart er patologiske svæveflyvere”, som Janser bemærker om forholdet mellem Stuttgart og nærliggende Schempp-Hirth.

Synlig turbulens bag vindturbine på Horns Rev, vest for Esbjerg, Danmark.

At flyve ind i området bag en stor vindmølle er som at flyve ind i en lille tornado med et lille felt med lav vindhastighed efterfulgt af et andet område med store vindhastigheder.

”Simuleringen har vist, at dette genererer belastninger på – 06 til + 2,4 g og giring på op til 20 grader på under 1 sekund. Dette er virkelig meget”, konkluderer Janser.

Det tyske Karmann-institut har fx også undersøgt forholdene bag en vindmølle med 82 m rotordiameter, hvilket er halv størrelse i forhold til de største vindmøller i dag, og ved 13 m/sek vindhastighed er luften bag vindmøllen så turbulent, at man behøver mindst 1200 meters sikkerhedsafstand ved passage i almenfly.

Fig 5
Simulering af ”wake turbulence” ud fra fabrikant af vindturbine og afstand til rotor. Helt ude på en distance på 15 x rotordiameter er der moderat turbulens. (Frauenhofer Institute)

I East Midlands Airport har University of Liverpool i 2015 undersøgt vindmøllers effekt på trafikflyvning med laser

”Her man målt giring (yaw om højaksen) på op til 10 grader under indflyvning med store trafikfly. Og i 22,5 gange afstanden på rotordiameteren er de aerodynamiske påvirkninger eksisterende.”, siger Frank Janser.

Eksperimentelle undersøgelser af rotorhvirvler
Fra simuleringer har man ganske længe haft en ide om hvordan luften bevæger sig efter passager af et vindturbine. Men i et studie fra Aachen-universitetet har man i praksis målt luftens bevægelser bag en rotor på en vindmølle med en vind-lidar. I praksis får man et kegleformet snit op gennem lufthavet som viser vindhastighed, turbulens og variation i vindretning. I dette forsøg har man fået bekræftet, at der findes meget store fluktuationer i vindfeltets hastighed og retning i et zig-zag-mønster med meget kort afstand. I undersøgelsen konkluderer man, at skal holde en afstand på mindst 7 x rotordiameter.

Men hvor er det overhovedet lovligt at bygge en vindmølle? De tyske byggeregler siger henholdsvis 400 meter / 850 meter fra det sted, hvor flytrafikken flyver sin vanlige trafikrunde for landing. I alle tilfælde er det langt under de eksisterende påvirkninger som kan følge i stor afstand fra en given vindmølle, påpeger Frank Janser.

Pilotbelastning under forbiflyvning af vindturbinepark
Forskningen viser, at der findes aerodynamiske konsekvenser ved installation af vindmølleparker, men hvad betyder det for hvilke belastning piloten kommer ud for i nærkontakt med en vindkraftinstallation? Her findes fx ”Nasa Task Load Index”. Dette er en multidimensional score som bl.a. inkluderer psykisk og fysisk stress + tidsfaktor (hvor længe belastningen varer).

Forskerne på universitet i Aachen har undersøgt pilot/installation-forholdet på flyvepladsen omkring Cuxhaven, hvor der i relativ nærhed er opstillet en større vindmøllepark.
”Det er en miltær kontrolzone så det gør ikke så meget, at vi flyver forbi med vores slæbefly, når befolkningen er vant til en Tornado-jet. Vi har studeret de psykologiske effekter, når vi flyver forbi i 300 meters højde og med 300 meters afstand.

Med en eyetracker monteret på piloten kan man i forsøget konstatere, at ca 50 % af tiden er fokus på vingespidserne på vindturbinen.
”Når man kan konstatere, at fokus er hektisk ude i hjørnet af synsfeltet, så ved man med sikkerhed, at det er noget som stresser piloten – og det kan man måle videnskabeligt”, siger Frank Jansen om forsøget.

Man har også forsøgt samme eksperiment med forbiflyvning i samme højde og afstand af et mere stationært objekt, nemlig et TV-transmissionstårn – også i Cuxhaven, og her viser data, at stressniveauet for den samme pilot i det samme fly den samme dag er betydeligt lavere.

Piloterne er forsøget var med meget stor spredning i erfaringsniveau – lige fra 0-timers elever til 10.000-timers testpiloter. Man kunne i øvrigt også konstatere, at ældre og mere erfarne piloter passere vindturbinerne på en langt større afstand end de unge og helt uerfarne piloter, selv (även, red.) om piloterne havde fået samme opgave, nemlig at passere vindturbinerne på 300 meters afstand. De erfarne piloter var markant længere borte.

Under forsøget med forbiflyvning af tv-tårnet i Cuxhaven var afstanden i praksis for alle piloter meget mindre, hvilket i praksis siger noget om stressniveauet og det opfattede fareniveau. Som bekendt så bevæger et tv-tårn sig ikke (statisk forhindring vs dynamisk forhindring), og afstanden er subjektivt enklere at bedømme.

Men uanset erfaring viste forsøget, at passage af vindturbiner forøger stressniveauet og at piloter har større opmærksomhed rettet mod vindturbinerne end mod ubevægelige forhindringer.

Vi ved fra havarirapporter, at når piloter er optaget af andet end at flyve flyvemaskinen, så stiger risikomomentet markant. Desuden så kan man konstatere, at når en pilot kigger på et vindturbine, så har han eller hun ikke længere fokus på anden lufttrafik.

Det sidste ord er nok ikke sagt i denne sag.

Se hele Dr. Frank Jansers præsentation fra Aero-messen i videoen herunder

Referencer (PDF)

Windenergieanlagen_an_Flugplaetzen_Friedrichshafen__1_-min (11 mb)

caa_wind_turbine_report (11 mb)