März 2021
Ruhr-Universität Bochum
Westfälische Wilhelms-Universität Münster
Oktober 2020
DMT GmbH & Co. KG
Im ersten Teil der Präsentation wird ein Modell präsentiert, das zeigt, wie eine Verschlechterung einer seismologischen Messstation die Performance eines Gesamtnetzwerkes beeinflusst. Mit Hilfe der Bestimmung von Minimalmagnituden in Abhängigkeit von Hypozentralentfernungen theoretischer Erdbeben, kann der Einfluss des Rauschniveaus einer einzelnen Messstation auf das Gesamtnetz ermittelt werden. Eine auf frei zugänglichen GIS-Daten basierende seismische Noisekarte wird im nächsten Schritt dazu verwendet, um mögliche Alternativstandorte für eine Verdichtung des Gesamtnetzes zu identifizieren. Durch einen Optimierungsalgorithmus (simulated annealing) kann ein alternativer Stationsstandort bestimmt werden, der bei einem erhöhten Rauschniveau einer einzelnen Station die Verschlechterung des Gesamtnetzes kompensiert und eine gleichbleibende Aufgabenerfüllung gewährleistet.
Im zweiten Teil der Präsentation werden Versuche zu Anwendungen zweier unkonventioneller Filter gezeigt. Im ersten Schritt wird der Effekt eines linear prediction error filter (LPC) gezeigt, der dazu genutzt werden kann, Ersteinsätze bei WEA verrauschte Erdbebensignale deutlicher hervorzuheben. Im zweiten Teil wird eine Inpainting-Methode zur Rekonstruktion fehlender Daten genutzt, um Werte hervorzusagen, die vom verrauschten Signal abgezogen werden können.
Westfälische Wilhelms-Universität Münster
We have used the spectral-element method to simulate full 3D wave propagation of seismic noise radiated by a WT in the frequency range [1 − 10] Hz. We have considered 9 different WP scenarios which has allowed us to understand that the noise generated by a WT can be reproduced by considering point sources randomly distributed, at which in each location, a portion of the time series recorded by a seismological station is reinjected in the three components. This is physically consistent with the fact that WT noise propagates up to distances of 18 km (Schofield, 2001). This involves that the seismic noise measurements done by Neuffer (2020), and used in our simulations, include the effects of several WTs in the area. This is also consistent with the fact that all WTs distributed in the area of the measurements by Neuffer (2020) are of the same type (Enercon E-115).
In general, different effects of noise propagation can be observed when considering different arrangements of WTs. Of particular interest is when considering two WT’s aligned in the direction of the seismological station, which results in the reduction of the energy recorded. This is presumably due to the destructive interference created by the two WTs in the direction of the station. Interestingly, the effects of considering circular arrays of installed WTs can help to mitigate the seismic noise recorded by seismological stations at large distances. Specifically, considerably seismic noise reduction has been observed in one of the main energy peaks of 6 Hz created by the WT structure. However, this occurs when no there does not exist a time shift in the same source injected at each WT. When considering a random time shift the source results vary.
The study made by Neuffer (2020) identifies four main frequency peaks related to the structure of the WT: 0.3 Hz, 1.1 Hz, 3.25 Hz and 6.0 Hz. We have found that low frequency peaks below 2 Hz generated by the WT tower are not propagated at large distances (> 300 m), unlike the frequency peaks between 3–6 Hz are propagated at larger distances (< 8 km). These peaks between 3–6 Hz dominate the energy of the noise wave propagation at all distances studied here (< 8 km). These results are consistent with the measurements made by Neuffer (2020).
Our numerical simulations show that the attenuation observations by Neuffer (2020), can be reproduced by considering 3D geometrical spreading only. The effects of including intrinsic attenuation in numerical simulations is mainly evidenced as small reduction in the high frequency peaks between 6 − 10 Hz. This is, however, very conditioned to the local geology of the installed WTs.
Juni 2020
Baudynamik Heiland & Mistler GmbH
Im Arbeitspaket AP1.1 wurden die charakteristischen und maßgebenden Schwingungseigenschaften einer WEA messtechnisch ermittelt. Die an den Anlagen gemessenen Schwingungsamplituden wurden dann mit den bekannten Parametern Windgeschwindigkeit und Rotordrehzahl korreliert. Dabei wurde festgestellt, dass die verschiedenen Schwingungsmoden der WEA in unterschiedlichem Maße von diesen beiden Parametern abhängen. Während die Schwingungsamplituden in der erste Turmeigenfrequenz maßgeblich von der Windgeschwindigkeit abhängen, werden höhere Turm-Moden eher durch die Rotordrehung und die damit einhergehenden Anregungen aus dem kurzzeitigen Einbruch der aerodynamischen Kräfte am Rotorblatt angeregt (Stichwort: Turmvorstau).
Im AP1.2 wird aufbauend auf den Erkenntnissen der Messungen und Auswertungen und auch auf Basis durchgeführter FE-Simulationen aktuell ein Prognosemodell entwickelt. Mit diesem Prognosemodell soll eine Vorhersage der dynamischen Fundamentbewegung aus dem Anlagenbetrieb möglich sein. Das Prognoseverfahren soll dabei einerseits einfach und praxistauglich sein, andererseits müssen alle wesentlichen Einflussparameter (Turmgeometrie, Massen, Steifigkeiten, Windgeschwindigkeiten, Rotordrehzahlen, etc.) berücksichtigt werden. Erste Lastansätze wurden definiert und werden zurzeit erprobt.
Ruhr-Universität Bochum
Ähnlichkeitsanalyse von WEA Störsignalen
Distanzprofil und Denosing
Leider zeigte sich schnell, dass ähnliche Signale nicht mit Hilfe maschinellen Lernens gefunden werden können, da dazu die Computerressourcen nicht ausreichen um jedes potentielle Zeitfenster zu analysieren. Des Weiteren müsste ein neurales Netzwerk bei einer Änderung der Zeitfensterlänge neu trainiert werden. Dies erwies sich für eine spätere Nutzung als zu aufwändig. Damit das Zeitfenster variable bleibt, bietet es sich an die euklidische Distanz zwischen einem bestimmten ausgewähltem Zeitfenster zu allen möglichen Zeitfenster einer kontinuierlichen Zeitreihe zu berechnen. Das dadurch zustande kommende Distanzprofil ermöglicht es schnell ähnliche Signale zu finden. Lokale Minima im Distanzprofil weisen auf ein paar von hochähnlichen Signalen hin. Diese Methode wird an den kontinuierlichen Zeitreihen der Windenergieanlagen (WEA) erprobt mit dem Ergebnis, dass die WEA zu unterschiedlichen Zeitpunkten hochähnliche Signale emittieren. Untersuchungen vieler hochähnlicher Signale ergaben, dass ähnliche Signale mit den Betriebsparametern der WEA übereinstimmen.
Um ein bestimmtes Signal an der entfernten seismologischen Station vom Rauschen der WEA korrigieren zu können, werden Distanzprofile an jeder WEA zum Eingangssignal berechnet. Aus allen Distanzprofilen wird ein mittleres Distanzprofil gebildet und in diesem nach lokalen Minima gesucht. Ein lokales Minimum bedeutet nun, dass wir ähnliche Bedingungen an allen WEA zum Eingangssignal haben. Nach der Extraktion des Zeitpunktes kann an der entfernten seismologischen Station ein Signal extrahiert werden, das ein ähnliches Rauschniveau wie das Eingangssignal hat. Das extrahierte Signal wird im folgenden als Rauschmodell benutzt, um das Störsignal mit Hilfe einer Continous Wavelet Transformation abzuziehen. Im Idealfall ist das Signal an der entfernten seismologischen Station vom Störsignal der WEA korrigiert und kann für weitere seismologische Analysen benutzt werden.
Weitere Untersuchungen müssen zeigen, ob dies wirklich der Fall ist und ob die vorgestellte Methode besser als andere Filtertechnologien ist.
DMT GmbH & Co. KG
Im ersten Teil der Präsentation werden die Ergebnisse und Interpretationen der Messkampagne am „Bürgerwindpark A31 Hohe Mark“ vorgestellt. Es wird gezeigt, dass charakteristische Bewegungsformen am Turm, Fundament und im Untergrund in unmittelbarer Nähe zur WEA und in Abhängigkeit zu den Eigenfrequenzen des WEA-Turmes zu beobachten sind. Unterschiedliche Oberflächenwellentypen werden vom WEA-Fundament in den Untergrund abgestrahlt. Die ausschlaggebenden Parameter zur Unterscheidung der verschiedenen Wellentypen (Rayleigh- und Love-Wellen) sind zum einen die Eigenfrequenzen des Turmes und zum anderen die Geometrie zwischen der WEA und der seismischen Messanlage.
Im zweiten Teil der Präsentation wird ein theoretisches Modell zur Prognose hinsichtlich der Störwirkung von WEA auf eine seismologische Station im Falle eines Zubaus von WEA in bestimmten Entfernungen zur Messstation vorgestellt. Mit Hilfe einer hergeleiteten Skalierungsformel kann ein Störsignal in Abhängigkeit von der Entfernung und des Eingangssignals an einer seismologischen Messstation modellhaft prognostiziert werden. Darüber hinaus kann das modellierte Störsignal genutzt werden, um eine Bewertung der betroffenen Messstation hinsichtlich der Aufgabenbeschreibung vornehmen zu können.
Westfälische Wilhelms-Universität Münster
Numerical modelling of seismic metamaterials and effects of wind-parks on wave propagation
In order to find the best suitable seismic metamaterials design, we first test six different scenarios in order to investigate the influence of the crux-shaped metamaterials’ arrangement and three different rectangular-shaped holes. We determine that no matter how the arrangement of crux-like shaped wholes the attenuation of the Rayleigh waves become insignificant when comparing the amount of holes drilled and area used. This makes the cruxlike shaped holes not economically feasible for avoiding wind-turbine noise in the seismic stations. Unlike crux-like shaped holes, simple rectangular holes close enough to the seismic source seems to significantly reduce the seismic noise. Comparing the amount of area and holes needed in this case, it seems that this configuration is a goof candidate to avoid windturbine noise. We also numerically tested the effect of wind-turbine locations in the seismic noise generated. We found a correlation between location of the wind-turbines and the seismic noise recorded in the vicinity. This suggest that certain arrangement of wind turbines can be used to avoid the seismic noise. We propose future investigations to design seismic metamaterials filled with volcanic materials (light and cheap) to produce enough seismic attenuation in order to avoid the seismic noise in the vicinity. We will also continue with trying different arrangements of wind-parks that will allow us to better understand the physics of the wave propagation of wind-turbine noise.
Oktober 2019
Am 01. Oktober fand das dritte Treffen zur Präsentation der Fortschritte des Projektes in Gelsenkirchen im Wissenschaftszentrum statt. Da zwischenzeitlich schon wesentliche und auch öffentlich interessante Forschungsergebnisse erzielt wurden, haben wir zu diesem Treffen, über die Projektbeteiligten hinaus, zahlreiche Gäste eingeladen.
Organisiert und moderiert wurde dieses Treffen von der Energie-Agentur NRW. Die Beteiligung von Gästen hat sich besonders bei den Diskussionen ausgezahlt an denen sowohl Experten für seismologische Stationen als auch solche für Windkraftanlagenmit wichtigen Beiträgen teilnahmen. Von besonderem Interesse war auch die Abstimmung mit thematisch ähnlichen Projekten anderer Forschergruppen. Hierzu trug der Vortrag von Joachim Ritter (Karlsruher Institut für Technologie, KIT) besonders bei. Beim Vergleich dieser beiden Projekte zeigte sich besonders, wie wertvoll bei uns die konstruktive und völlig unproblematische Zusammenarbeit mit einer größeren Zahl von Windanlagebetreibern ist (siehe kooperierende Partner). Dies ermöglicht es uns, für alle anstehenden technisch/wissenschaftlichen Fragestellungen geeignete Anlagen zur Verfügung zu haben.
Baudynamik Heiland & Mistler GmbH
Ruhr-Universität Bochum
Clustern und Vorhersage von Noise durch Windkraftanlagen
Ziel des Teilprojekts ist es eine Emissions-Immissions Datenbank aufzubauen, in der aufgezeichnete Bodenbewegungen an einer Erdbebenstation und Bodenbewegungen an einer Windenergieanlagen (WEA) dominierten Messstation zu sammeln. Mit Hilfe der Datenbank soll das durch die WEA beeinflusste Signal an der Erdbebenmessstation korrigiert werden.
Hierzu wurden in Haltern am See an mehreren WEA Messstationen aufgebaut, die von den WEA dominiert werden. Um später eine schnelle Suche nach Emissions-Immissions Paaren durchführen zu können, ist es wichtig die Frage zu beantworten, ob eine WEA ähnliche Signale abstrahlt.
Zu diesem Zweck wurden für gleiche Betriebsparameter (Wind- und Rotationsgeschwindigkeit) Kreuzkorrelationen von kurzen Zeitfenstern berechnet. Allerdings konnten so keine ähnlichen Signale gefunden werden. Erst nach einer Sortierung nach der gemittelten, gewichteten instantanen Frequenz der Zeitfenster wurden wenige ähnliche Signale gefunden.
Im nächsten Schritt soll maschinelles Lernen in Form eines Autoencoders helfen relevante Merkmale aus Zeit-Frequenz Darstellungen zu extrahieren. Im Anschluss wird versucht Cluster innerhalb dieser Merkmale zu finden und ähnliche Signale innerhalb der Cluster zu finden.
DMT GmbH & Co. KG
1. Systematische Messungen an einer Windenergieanlage zur Charakterisierung der abgestrahlten seismischen Wellen
Im ersten Teil werden die Ergebnisse der zuvor vorgestellten Messkampagne am „Bürgerwindpark A31 Hohe Mark“ präsentiert. Es wird gezeigt, wie sich die Bodenbewegung im unmittelbaren Umfeld zur WEA in Abhängigkeit von der Frequenz verhält. Daraus können verschiedene Wellentypen, die von der Orientierung der WEA-Gondel abhängen, abgeleitet werden.
Eine weitere Messkampagne wurde an der WEA durchgeführt. Dazu wurden zwei Kurzzeitmessungen von jeweils ca. 1,5 Stunden als Array-Auslage realisiert. In Entfernungen von ca. 100 – 1000 m zur WEA wurden 36 Sensoren im Abstand von 25 m auf einer Linie installiert, um die Wellenausbreitung detailliert zu untersuchen.
2. Methoden zur Kompensation der Störwirkung auf Seiten der seismologischen Stationen
Im zweiten Teil werden mögliche Kompensationsmethoden auf Seiten der seismologischen Stationen diskutiert. Zunächst wird ein Modell vorgestellt, dass genutzt werden kann, um die Performance eines seismologischen Netzwerkes beurteilen zu können. Der Einfluss eines Zubaus von WEA an einzelnen Stationen und die daraus folgende Einwirkung auf das Gesamtnetz kann so beurteilt werden. In den darauffolgenden Schritten werden dann konkrete Minderungsmaßnahmen präsentiert (Verdichtung des Netzwerks).
Außerdem wird die Anwendung einer möglichen DeepLearning-Filtermethode zur Trennung von Nutz- und Störsignalen durch WEA in den Grundzügen getestet.
Westfälische Wilhelms-Universität Münster
Numerical modeling of wind turbine noise
The aim of this subproject is to model the wind turbine noise in realistic scenarios.
For this purpose we use full 3D numerical modeling and set different numerical experiments to test the influence of different velocity models in the waveforms. We then include the effect of the measured signals at the wind-turbines. To mimic the realistic effect of the wind turbine noise, we reinject the measured signals in the 3 directions (2 horizontal and 1 vertical) as a point sources. This allow us to better understand and model the realistic wave propagation effect of wind turbine’s noise on different earth models.
We next model the influence of wind turbine locations on the wave propagation. We test 5 different scenarios which allow us to identify what is the best configuration that reduces the noise coming from the wind turbines.
Following, we test different metamaterial designs. To this end we first create numerical meshes for different cases that are then used for wave propagation simulations using the Specfem3D package.
In the future we will test different metamaterial configurations and different wind-park scenarios that will allow us to reduce the effect of the seismic noise on seismic stations.
Karlsruher Institut für Technologie
Juni 2019
Am 06. Juni fand das dritte Treffen zur Präsentation der Fortschritte des Projektes in Essen in den Räumlichkeiten der DMT GmbH & Co. KG statt.
Baudynamik Heiland & Mistler GmbH
Ruhr-Universität Bochum
DMT GmbH & Co. KG
Bilder eines Messaufbaus
Dezember 2018
Am 13. Dezember fand das erste Treffen zur Präsentation der Fortschritte des Projektes in Bochum in den Räumlichkeiten der Baudynamik Heiland & Mistler GmbH statt.
Baudynamik Heiland & Mistler GmbH
Dr.-Ing. Michael Mistler, Dipl.-Ing. Philipp Meckbach
Im Rahmen des Arbeitspaketes AP1.1 des Forschungsprojektes MISS wird die Quelle – also die WEA selbst - detailliert untersucht und die charakteristischen und maßgebenden Schwingungseigenschaften einer WEA im Hinblick auf die Schwingungsemission ermittelt. Hierzu ist es daher erforderlich, Schwingungsmessungen direkt am Turm von Windenergieanlagen durchzuführen, um den Zusammenhang zwischen den Schwingformen der WEA und den emittierten Baugrundschwingungen erforschen zu können.
Mit der Unterstützung des „Bürgerwindparks A31 Hohe Mark“ hat die Baudynamik Heiland & Mistler GmbH im Juli und September 2018 Schwingungsmessungen im Turm einer Enercon E-115 Anlage durchgeführt. In der Anlage mit 146m Nabenhöhe wurden Schwingungsaufnehmer in 6 Höhen -vom Fundament bis zur Gondel- angebracht. Anhand der Messungen wurden die maßgeblichen Eigenfrequenzen und Modalformen des Turmes bestimmt sowie die Fundamentbewegungen bei verschiedenen Betriebszuständen ausgewertet. Die bei dieser experimentellen Modalanalyse gewonnen Erkenntnisse sind Grundlage für die Herleitung eines Prognosemodells (AP1.2), mit welchem die Emissionsquelle Windenergieanlage beschrieben werden soll.
Um das Prognosemodell weiter zu validieren werden bis Sommer 2019 weitere Messungen an Fundamenten und auch an mindestens einem weiteren Turm einer WEA durchgeführt.
Ruhr-Universität Bochum
Deterministische Prognoseverfahren für die an einer seismologischen Station imitierten Störsignale einer Windenergieanlage
Janis Heuel, Prof. Dr. Wolfgang Friederich
Ziel des Teilprojekts ist die Entwicklung eines deterministischen Prognoseverfahrens, das die an einer seismologischen Station imitierten Störsignale einer oder mehrerer Windenergieanlagen (WEA) aus den seismologischen Aufzeichnungen entfernt.
Zur Realisierung wird eine bereits vorhandene seismologische Station in der Nähe von Windrädern gesucht. Um einen ersten Eindruck zu bekommen, ob die Station von den WEA beeinflusst wird, werden Leistungsdichtekurven in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit berechnet. Diese Kurven wurden u.a. für zahlreiche Stationen des seismologischen Netzwerks der Ruhr-Universität berechnet und verschieden Jahre verglichen. Dabei zeigt sich, dass die Amplituden vor der Errichtung der WEA deutlich niedriger waren.
Auf Grundlage der Leistungsdichtekurven wurde ein Standort in Haltern Bergbossendorf ausgewählt. Dort werden neue Seismometer an den Windrädern installiert, um die ersten Erfahrungen in der langfristigen Aufzeichnung von seismologischen Daten an WEA zu sammeln und das Prognoseverfahren zu entwickeln.
DMT GmbH & Co. KG
Messkampagne Bürgerwindpark A31 Hohe Mark
Tobias Neuffer (DMT)
Ein Teilprojekt des Forschungsvorhabens befasst sich mit der Charakterisierung der Windenergieanlage (WEA) als seismische Emissionsquelle. Mit der Unterstützung des „Bürgerwindparks A31 Hohe Mark“ wurden im November 2018 seismische Dauermessungen an einer Enercon E-115 Anlage durchgeführt. Die untersuchte WEA befindet sich im Windpark Elven in Heiden und hat eine Nennleistung von 3 MW, eine Nabenhöhe von 149 m und einem Rotordurchmesser von ca. 116 m. Insgesamt 17 mobile Messanlagen standen über den Messzeitraum in Entfernungen 100 – 200 Meter zur WEA im Feld und zeichneten die Bodenschwingungen kontinuierlich auf. Die Daten der Messkampagne sollen dazu dienen die WEA als seismische Quelle detailliert zu untersuchen und zu charakterisieren. Dazu werden u. a. die seismischen Aufzeichnungen mit unterschiedlichen Parametern der Betriebszustände der WEA, die innerhalb des Messzeitraums aufgetreten sind, korreliert. Die Ergebnisse sollen als Basis im weiteren Projektverlauf genutzt werden, um mögliche Minderungsmaßnahmen der Störwirkungen der WEA zu entwickeln.
Westfälische Wilhelms-Universität Münster
Prof. Christine Thomas, Dr. Rafael Abreu
Minderung induzierter seismischer Signale mit Metamaterialien
Wir versuchen Noise von Windturbinen (i) an der Quelle und/oder (ii) unterwegs mit Metamaterialien zu vermeiden oder zu reduzieren. Ein Metamaterial ist eine künstlich hergestellte Struktur, die von der in der Natur üblichen abweicht. Um seismische Metamaterialien zu entwerfen, müssen wir: (1) unser Design auf eine Theorie der Wellenausbreitung (elektromagnetisch, akustisch, elastisch usw.) stützen (2) Numerische Simulationen durchführen, für die wir einen numerischen Code auswählen müssen (oder einen entwickeln), ein numerisches 'mesh' erstellen, die korrekten Parameter wählen und die numerische Simulation ausführen. (3) Im Anschluß müssen die numerische Vorhersagen aus den Ergebnissen analysiert werden.
Für die numerische Simulation der Wellenausbreitung verwenden wir den offenen Paketcode SPECFEM3D und für das Erzeugen des 'mesh' das Paket CUBIT/TRELIS. Wir führen SPECFEM3D auf dem Hochleistungsrechen-Cluster Palma der Universität Münster aus. Wir haben Simulationen mit einfachen Modellen von seismischen Metamaterialien unter Verwendung von Löchern und Bäumen durchgeführt, sowie komplexe 3D-meshes für realistische Szenarien erstellt.
Wir untersuchen das Design seismischer Metamaterialien unter Verwendung von erweiterten Theorien der Wellenausbreitung. Insbesondere untersuchen wir die Ausbreitung seismischer Wellen mit Hilfe der Mikropolar-Theorie, die die Möglichkeit bietet, kleinere seismische Metamaterialien zu entwerfen.
Die nächste Aufgabe umfasst die Untersuchung von Windparkeffekten als seismische Quellen und Vergleichen von Messdaten mit simulierten Daten aus SPECFEM3D und Untersuchen der Dispersionsbeziehungen des mikropolaren Modells.
Juli 2018
- BMR energy solutions GmbH, Geilenkirchen
- Energiekontor AG, Dortmund
- Bürgerenergie A31 Hohe Mark Projekt GmbH&Co.KG, Heiden
- WestfalenWIND GmbH, Paderborn
- SL Naturenergie GmbH, Gladbeck
Kooperierende Anlagenbetreiber
- Kick off meeting - 07.06.2018
- ENERCON visit - 30.05.2018