20
TNO, radar en windturbines
Figuur 2 Eén van de vijf militaire luchtverkeersleidingsradars. In dit geval de radar bij Soesterberg
Terwijl het ministerie van Infrastructuur en Milieu streeft om met de bouw van nieuwe windturbines de doelstelling voor wind op land voor 2020 te halen, wil het ministerie van Defensie dat de radarsystemen - die verstoord kunnen worden door de windturbines - blijven werken. Dit leidde tot de ontwikkeling van een nieuwe toetsingsmethode door TNO, genaamd PERSEUS. Met PERSEUS kunnen de effecten van windturbines op radars in detail worden voorspeld. TNO sloeg hiermee een brug tussen de belangen van beide ministeries. Deze samenwerking leidde in oktober 2012 tot de introductie van de nieuwe toetsingsmethodiek, vastgelegd in het Besluit algemene regels ruimtelijke ordening (Barro). DOOR onno van gent
Figuur 1 Een vaanvormige bundel, de typische bundelvorm voor een rondzoekradar
A
l voor de Tweede Wereldoorlog startte TNO op de Waalsdorpervlakte in Den Haag het onderzoek voor de krijgsmacht naar onder meer de werking van radar. Op dit moment zijn er op de Waalsdorpervlakte ruim vierhonderd onderzoekers actief op gebied van radar, sonar, elektro-optiek, infrarood en nog vele andere vakgebieden, voornamelijk in opdracht van Defensie. Het is dan ook niet vreemd dat ook op deze plek in 1995 het eerste onderzoek werd uitgevoerd naar de verstorende effecten van windturbines op militaire radarsystemen. Veel is er in de loop der jaren verbeterd aan de radarzijde en tegelijkertijd zijn de windturbines groter en hoger geworden. Na ruim twintig jaar
zijn de problemen die windturbines veroorzaken op radarsystemen nog steeds actueel. Samen met Defensie werd op basis van de eerste resultaten een toetsingsmethode ontwikkeld. Daarbij werd oorspronkelijk alleen gekeken naar het verlies aan radardekking in het schaduwgebied achter de windturbine. Naarmate er meer en grotere turbines werden ge- plaatst rond de militaire radarsystemen, was deze methode niet langer toereikend. Speciaal hiervoor ontwikkelde TNO een nieuw model, ’PERSEUS’.
21
Figuur 4 De locaties van de vijf verkeersleidingsradars (groen) en de twee gevechts leidingsradars (rood). Deze laatste twee worden binnenkort vervangen, waarbij de locatie Nieuw Milligen komt te vervallen en wordt vervangen door de locatie Herwijnen.
Waarom houden radars niet van windturbines? Een radar zendt radiopulsen uit die door een doel worden gereflecteerd. Deze reflectie - of echo - wordt door de radar antenne vervolgens weer ontvangen. Radiogolven verplaatsen zich met de snelheid van het licht, circa 300.000 km/s. Door de tijd te meten tussen de uitgezonden puls en de ontvangen reflectie kan de afstand worden bepaald.
Figuur 3 Eén van de twee complexe gevechtsleidingsradars gemonteerd in een bol (radome). De locatie Nieuw Milligen komt daarbij te vervallen en wordt vervangen door de locatie Herwijnen.
Naast de afstand is ook de richting van de echo van belang. Om die reden wordt een radiopuls uitgezonden en ontvangen in een bundel. Rondzoekradars hebben altijd een vaanvormige bundel, zoals in figuur 1 aangegeven. Doordat de bundel smal is in het horizontale vlak kan de richting, de zogenaamde peilingshoek, nauwkeurig bepaald worden. De grote openingshoek in het verticale vlak (elevatie) zorgt er voor dat alle doelen worden gezien van laag tot hoog. Door de antenne met vijftien omwentelingen per minuut rond te draaien om zijn verticale as, wordt elke vier seconden een radarbeeld opgebouwd over 360° rond de radar. Luchtverkeersleidingsradars zijn in staat kleine reflecties van vliegtuigen te detecteren tussen vaak veel grotere reflecties van gebouwen en andere stilstaande obstakels. Dit wordt in de radar gerealiseerd door gebruik te maken van het Dopplereffect, de waargenomen verandering van frequentie van geluid, licht of andere golfverschijnselen, door een snelheidsverschil tussen de zender en ontvanger. Wie auto’s snel voorbij hoort rijden, merkt dat de toonhoogte van het geluid van de auto's daalt op het moment dat ze voorbijrijden. WINDNIEUWS - NR.4 2016
22 Met de sirene van een politie- of brand weerauto is het effect nog duidelijker, doordat die sirene een vaste toonhoogte heeft. Bij radaruitzendingen treedt dit effect ook op. De frequentie van het gereflecteerde signaal van een naar de radar toe vliegend vliegtuig is iets hoger dan de frequentie van het uitgezonden signaal en iets lager als deze van de radar af vliegt. Bij een stilstaand obstakel is de frequentie van het verzonden en ontvangen signaal exact gelijk. Dus door te kijken naar het verschil in frequentie tussen het uitgezonden en ontvangen signaal kan een radar onder scheid maken tussen stilstaande en bewegende objecten. Dit is ook wat optreedt bij windturbines. De ronddraaiende wieken van de wind turbines veroorzaken namelijk reflecties met Doppler die daardoor voor een radar niet te onderscheiden zijn van een vliegtuig. Hierdoor kunnen boven een windpark de vliegtuigen door de radar niet meer worden gezien, of gedetecteerd. Dit is een bijzonder ongewenste situatie. Behalve reflecties, veroorzaakt een windturbine ook een schaduw achter de turbine. Hierdoor is er vlak achter de windturbine bijna geen radarsignaal waarneembaar. In tegenstelling tot de schaduw van zichtbaar licht, buigen de radarsignalen om de obstakels heen, waardoor er na enkele honderden meters achter het obstakel enig herstel plaatsvindt. In de schaduw is er dus geen sprake van ontbreken van detectie maar meer sprake van vermindering van de detectiekans. Wel wordt, door de afscherming van een deel van het radarsignaal door de windturbine, het maximumbereik van de radar in de sector achter de turbine verminderd.
Over welke radars hebben we het? In Nederland zijn er twee verschillende militaire radarsystemen. Het verkeers leidingsradarnetwerk bestaat uit in totaal vijf radars, in Leeuwarden, Twente, Soesterberg, Volkel en Woensdrecht (zie figuur 2). Zij verzorgen gezamen lijk de radardekking boven Nederland waarmee de vliegtuigen, zowel militair als civiel, veilig van A naar B kunnen WINDNIEUWS - NR.4 2016
Figuur 5 Voorbeeld van een radardetectiekansberekening van de radar te Leeuwarden voor een vliegtuig op een hoogte van 1000 voet of 305 meter. Het verlies aan bereik wordt in dit voorbeeld veroorzaakt door de hoogbouw van Leeuwarden-stad. In de uitvergroting het verlies aan bereik door de schaduwwerking van de turbines van windpark Noordoostpolder. Daarnaast is te zien dat boven de turbines de detectiekans minder wordt waardoor de vliegtuigen op die plek niet meer zichtbaar zijn voor de radar.
Figuur 6 Links de berekende detectiekans voor de individuele radars en rechts, nadat deze zijn gecombineerd.
worden gedirigeerd. Met deze twee zeer complexe radars worden de straaljagers boven Nederland begeleid. Deze radars worden binnenkort vervangen door twee nieuwe radars.
PERSEUS Met het door TNO ontwikkelde simulatie programma PERSEUS kunnen de effecten van windturbines op radars in detail
worden voorspeld. Een voorbeeld van een uitkomst van een berekening voor een vliegtuig die vliegt op 1000 voet of 305 meter is te zien in figuur 5. In het voorbeeld wordt alleen gekeken naar de radar bij Leeuwarden. Omdat deze verkeersleidingsradar, samen met de andere vier radars, in één netwerk werken, kunnen de andere vier radars
23 mogelijk ondersteuning verlenen waar de radar van Leeuwarden tekort komt. Ook die aspecten worden in de berekeningen meegenomen en is ook in het gegeven voorbeeld het geval (zie figuur 6).
TNO ondersteuning in de praktijk Op het moment dat een ontwikkelaar één of meerdere windturbines wil bou wen binnen een straal van 75 kilometer rond één van de genoemde militaire radars in Nederland, is de ontwikkelaar verplicht een radarhindertoetsing aan te vragen bij TNO. TNO beschikt hierdoor over informatie van beide zijden en kan hiermee een brug slaan tussen de ontwikkelaars en de overheid en al in een vroeg stadium wijzen op potentiële problemen. Tevens kan door het gebruik van de PERSEUS-simulaties al vrij snel worden gezocht naar mogelijke oplos singen. Vaak is het onderling verschui ven van de turbines voldoende.
Maar bij grote parken is dat geen optie. Zo bleek bijvoorbeeld het windpark Fryslân een onaanvaardbaar groot effect te hebben op de huidige vijf militaire verkeersleidingsradars. PERSEUS-simulaties toonden aan dat deze problemen oplosbaar waren door de plaatsing van een extra verkeersleidingsradar ter hoogte van Den Helder (zie figuur 7). Deze radar wordt binnenkort door de overheid aangeschaft en moet in 2018 operationeel worden, nog voor de realisatie van het windpark. Zo zijn er nog andere locaties binnen Nederland waarbij TNO, in nauw contact met de ontwikkelaars en de overheid, zoekt naar oplossingen. Daarbij wordt niet alleen gekeken naar het extra bijplaatsen van nog meer verkeersleidingsradars, maar ook naar de toepassing van goedkopere kleinere radars. Radars die specifiek ontwikkeld zijn voor het oplossen van de detectieproblemen boven
Figuur 7 Links de berekende radardetectiekans voor de situatie zonder Windpark Fryslân en in het midden met het park. Boven het park ontstaat een groot verlies aan dekking, maar door de schaduwwerking ook boven de kop van Noord-Holland. Rechts is te zien dat een extra radar bij Den Helder soelaas biedt. Deze radar wordt binnenkort door de overheid aangeschaft en moet in 2018 operationeel worden, nog voor de realisatie van het windpark.
een park, maar met een kleiner bereik. Aanvullend dus voor het vullen van de detectiegaten die windparken kunnen veroorzaken. Daarbij wordt ook gekeken of ze toepasbaar zijn binnen het huidige radarnetwerk en de toekomstbestendigheid van deze oplossingen.
Onno van Gent (1958) is vanaf 1996 werkzaam bij TNO. Hij is specialist in radar en elektronische oorlogvoering (EOV). Sinds 2010 is hij binnen TNO de coördinator van alle radarhinder toetsingen en consultancy opdrachten en voert samen met een team van ervaren medewerkers de daarvoor noodzakelijke berekeningen uit.
Voor meer informatie: www.tno.nl/perseus of onno.vangent@tno.nl
WINDNIEUWS - NR.4 2016