Erneuerbare Energien
Windrichtung und Windgeschwindigkeiten spielen eine zentrale Rolle bei der Suche nach geeigneten Standorten für eine neue Windkraftanlage. Mit Hilfe eines einfachen Feldexperiments soll den Studierenden daher das Phänomen "Wind" greifbar gemacht werden. Ausgeführt wurde das Experiment auf der Schwengimatt (CH), wo eine grössere Windkraftanlage geplant ist.
Aufgabenstellung
Die Studierenden sollen Windrichtung und Windgeschwindigkeiten entlang eines Hangs in zwei unterschiedlichen Höhen (1 m und ca. 3 m über Gelände) messen. Dabei stehen folgende Fragen im Vordergrund:
- Wie variabel ist der Wind in Bodennähe?
- Ist die Windgeschwindigkeit in 3 m Höhe bereits messbar stärker als in 1 m Höhe?
- Wie wird der Wind durch das Terrain beeinflusst?
- Wie verlässlich sind die von uns erhobenen Daten?
Feldexperiment
Für die Messungen der Windgeschwindigkeiten stehen den Studierenden einfache Hand-Anemometer zur Verfügung. Für die Bestimmung der Windgeschwindigkeiten in 3 m Höhe wurde das Anemometer an entsprechend lange Stangen gebunden.
Die Windrichtung wurde auf einfache Weise mit Hilfe von Seifenblasen und Kompass bestimmt.
Die Aufnahmen der beiden Parameter Windrichtung und Windgeschwindigkeiten erfolgte entlang vorgegebener Transekten.
Die Messungen sollten ungefähr etwa alle 25 m durchgeführt werden. Die Distanz wurde mit Hilfe von Schrittlängen abgeschätzt.
Die nebenstehende Abbildung zeigt die vorgegebenen Transekten. Zusätzlich wurden die Standorte der potentiellen Windanlagen eingezeichnet.
Crowd-Sampling Phase
Insgesamt nahmen 26 Studierende an diesem Feldexperiment teil. Die Messungen erfolgten in 2er- oder 3er-Gruppen. Eine Gruppe war dabei entweder für die Erfassung der Windrichtung und -geschwindigkeit auf der Höhe von 1 m oder von 3 m verantwortlich.
Nach einer kurzen Einführung in die Geräte und in die App hatten die Studierenden ca. 30 Minuten Zeit, Messpunkte aufzunehmen und in die App zu übertragen. Ihren aktuellen Standort konnten die Studierenden bei aktivierter GPS Funktion mit einer Genauigkeit von 2-3 m im Eingabefeld sehen.
In der zur Verfügung stehenden Zeit wurden ca. 100 Datenpunkte aufgenommen. Die Erfassung erfolgte in Echtzeit, d.h. die Studierenden konnten ihre eigenen, aber auch die Messwerte der anderen Exkursionsteilnehmenden, unmittelbar sehen. Die Ergebnisse sind nachfolgend abgebildet:
Diskussion
Mit Hilfe dieses einfachen Experiments konnte den Teilnehmenden gezeigt werden, dass der Wind ganz offensichtlich dem Terrain folgt. Die Windgeschwindigkeiten an diesem Tag waren insgesamt sehr gering. Trotzdem zeigen die Messergebnisse, dass die Windstärke direkt über dem Boden um einiges schwächer war als in 3 m Höhe und von Messpunkt zu Messpunkt durchaus stark variieren kann. Insgesamt konnte den Studierenden mit diesem Experiment veranschaulicht werden, dass die richtige Höhe einen entscheidenden Einfluss auf die Produktivität und somit wiederum auf den Ertrag einer Windkraftanlage hat.
In der Messreihe von 2015 zeigte sich dank dem Vergleich mit den Daten der anderen Gruppen ein systematischer Fehler eines Teams bei der Bestimmung der Windrichtung. Dies ermöglichte eine konstruktive Diskussion über Datenqualität.
Feedback
"Erneuerbare Energien" war die erste Exkursion, bei der ein Feldexperiment mit mobiler Datenerfassung eingeplant wurde. Seitens der Studierenden fiel das Feedback überwiegend positiv aus:
- "Durch das Experiment konnten wir selber erkennen, wie variabel der Wind je nach Standort und Höhe sein kann."
- "Eine tolle Sache, die Daten via Handy abzuspeichern. Hat Spass gemacht, und die Resulte waren ja auch recht schön, womit wir gut sehen konnten wie sich der Wind in Erdnähe verhält, und wie das Terrain ihn beeinflusst."
- "Anhand des selbst durchgeführten Experiments blieben einem die Ergebnisse sehr gut in Erinnerung. Besser, als wenn wir es theoretisch vorgestellt bekommen hätten."
Einige wenige Studierenden bemängelten, dass das Experiment nur wenig mit dem eigentlichen Thema der Exkursion zu tun hatte bzw. dass die Messungen in einer Höhe durchgeführt wurden, wo nie eine Windkraftanlage Wind generieren würden.
Seitens der Exkursionsleitung fiel das Feedback ebenfalls positiv aus: "Mich hat es sehr fasziniert, wie wir ein komplexes Phänomen, nämlich die Variablilität von Wind im komplexen Gelände, mit einer Gruppe von 30 Studierenden in kurzer Zeit erfassen, visuell darstellen und gleich zusammen diskutieren konnten." (Prof. Heini Wernli, Insitut für Atmosphäre und Klima, ETH Zürich, 2014).
Lessons Learned
Grafische Darstellung der Resultate auf Fragestellung ausrichten. Einfach lesbare Darstellungen (Pfeile, Kreise unterschiedlicher Grösse) waren für die Studierenden intuitiv lesbar und führten dazu, dass sofort mit der Interpretation begonnen werden konnte.
Straffe Organisation des Messbeginns durch Exkursionleitung. Die technische Einführung und die Gruppeneinteilung erfolgte auf der Carfahrt zum Standort und die Exkursionleiter bestimmten vor Ort mit der Gruppe die zu begehende Route, wodurch sich keine unnötigen Verzögerungen ergaben.
Auswertung in einem Raum mit Gruppentischen. Die Auswertung der Resultate fand im ersten Jahr während der Carfahrt zum nächsten Standort statt und führte aufgrund von Sitzordung und Akustik zu wenig Interaktion. Bei der Durchführung 2015 sassen die Studierenden in Gruppen um Tische, hatten ihre Geräte mit den Resultaten vor sich und diskutierten untereinander und mit dem Fachexperten.
Zeitpunkt von Messung und Auswertung. Die Trennung von Messung und Auswertung durch das Mittagessen hatte organisatorische Vorteile (WC-Pausen) und ermöglichte einen fliessenden Übergang zur fachlichen Diskussion, da die Studierenden bereits in Gruppen zusammensassen und im Gesprächsmodus waren.
Möglichst kleine Gruppen. Für die Messungen und die Erfassung mit der Collector for ArcGIS App genügen zwei Personen. Grössere Gruppen arbeiten weniger konzentriert.