Während Simulationsprogramme bei der Planung von Solaranlagen bei der jährlichen Ertragsabschätzung und Wirtschaftlichkeitsanalyse gute Dienste leisten, sind die Aufgaben bei der Analyse von Windparkprojekten deutlich vielfältiger. Der Ertrag einer Photovoltaikanlage hängt näherungsweise linear mit der Solarbestrahlung zusammen, die in Deutschland weniger als 20 % variiert.Der Stromertrag aus Windenergie schwankt wesentlich stärker. Die Leistung wächst bekanntlich mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit. Kleine Änderungen bei der Windgeschwindigkeitsverteilung haben somit sofort große Ertragsveränderungen zur Folge.
Daher kommt man bei der Planung eines Windparks um Windmessungen vor Ort nicht herum. Eine Vielzahl verfügbarer Windatlanten oder Messwerte weiter entfernter Anlagen können bestenfalls erste Anhaltpunkte bei der Standortwahl liefern. Grafisch ansprechend gestaltete Computerprogramme verführen aber schnell dazu, Ertragsberechnungen auf einer schwachen Winddatenbasis durchzuführen, mit dem Risiko katastrophaler Fehleinschätzung.
Falls andererseits die Windgeschwindigkeitsverteilung an einem Ort bekannt ist, gelingt die Berechnung des Jahresertrages auch mit Hilfe einfacher Programme problemlos. Wenn aber die Windgeschwindigkeit einige Kilometer entfernt in Nähe eines geplanten hügeligen Standortes und zudem noch in einer anderen Höhe gemessen wurde, lässt sich eine Aussage über die Windgeschwindigkeitsverteilung am Standort selbst nur mit Hilfe leistungsfähiger Computerprogramme treffen.
Dennoch können Informationen über Windgeschwindigkeit, Ertrag oder Anlagenverfügbarkeit bereits bestehender Windparks ein Gefühl für den Ertrag neuer Projekte vermitteln. Anlagenkennlinien verfügbarer Windkraftanlagen bilden den Kern einer Ertragsberechnung. Auf der Suche nach diesen Daten wird man auf den Server des ISET in Kassel fündig. Detaillierte Informationen zu Daten von Windkraftanlagen wie Leistungskennlinien, Anlagenbetriebsdaten und Winddaten verschiedener Standorte stellen hier das "European Wind Energy Information Network EUWINet" sowie das "Renewable Energy Information System REISI on Internet" (euwinet.iset.uni-kassel.de und reisi.iset.uni-kassel.de) bereit.
Die Ertragsprognose oder Bestimmung der optimalen Verteilung der Windenergiekonverter innerhalb eines Windparks sind wichtige Aufgaben, bei der Computerprogramme gute Dienste leisten. Weitere Einsatzgebiete bei der Projektentwicklung ist die Abschätzung von Geräuschemissionen sowie die Visualisierung der Einpassung der Anlagen ins Landschaftsbild oder die Bestimmung störender Schattenwürfe. Auch eine detaillierte Wirtschaftlichkeits- und Finanzierungsrechnung sowie die Bestimmung der durch den Windpark vermiedenen Schadstoffemissionen sind von Interesse.
Bei der Konstruktion, Entwicklung und Optimierung von Windkraftanlagen kommen Computerprogramme ebenfalls zum Einsatz. Gilt es zum Beispiel, ein neues Flügelprofil zu entwerfen oder die Geräuschentwicklung der Rotoren zu reduzieren oder eine neue Regelung auszutesten, erfolgt dies auch meist mit Computerunterstützung. Hersteller verwenden verschiedene Programme zur Berechnung von Windlasten und Windangriffsflächen. Computerprogramme müssen also eine Vielzahl unterschiedlichster Aufgabenstellungen bewältigen. Hierfür gibt es sehr leistungsfähige aber auch teure und mit gewissem Einarbeitungsaufwand verbundene Simulationspakete und sehr einfache und kostenlose Werkzeuge, die auch dem Laien ermöglichen, die Angaben für ein geplantes Windparkprojekt näherungsweise zu überprüfen.
Dieser Artikel kann keine absolut vollständige Marktübersicht geben. Eine Auswahl interessanter Programme, die verschiedene Einsatzgebiete und Programmkategorien abdeckt, soll im Folgenden aber die Möglichkeiten und hohe Leistungsfähigkeit von Computerprogrammen im Windbereich darstellen.

Das vom Deutschen Windenergie-Institut (DEWI) und Ammonit entwickelte und mittlerweile als Freeware angebotene Programm ALWIN verknüpft das Windpotenzial eines Standorts mit den technischen Daten einer Windkraftanlage und berechnet eine Prognose des erzielbaren Energieertrags. Eine Standortdatei enthält Daten zur Charakterisierung des Windpotenzials. Der Anwender kann gemessene Standortdaten manuell eingeben oder Messdateien spezieller Datalogger direkt importieren. Für die Analyse eines fiktiven Standorts ist es möglich, die Parameter für die Rayleigh- oder Weibull-Verteilung anzugeben. Die technischen Informationen einer oder mehrerer Windkraftanlagen bestehen aus der Leistungskennlinie, Regelprinzip und Nabenhöhe. Diese lassen sich manuell eingeben. Für zahlreiche gängige Windkraftanlagen sind direkt importierbare Dateien ebenfalls kostenlos über das Internet verfügbar. Das Programm stellt alle Daten und Ergebnisse in übersichtlichen Grafiken und Tabellen dar und druckt sie auf Wunsch auch aus. Somit ist ALWIN ein einfaches, aber sehr nützliches und kostenloses Programm, das eine schnelle Ertragsabschätzung für einen Standort ermöglicht. Für einige Anwendungen ist es damit eine Alternative zu den teureren Konkurrenzprodukten.

BLADED ist ein Standardprogramm für die Windkraftanlagenentwicklung. Es ermöglicht dem Anwender alle Leistungs- und Belastungsberechnungen, die für die Entwicklung und Zertifizierung von Onshore- und Offshore-Windkraftanlagen benötigt werden. Der Germanische Lloyd hat das Programm auf Basis von Messdaten von Anlagen eines breiten Leistungsspektrums validiert. Zur Berechnung definiert der Nutzer in verschiedenen Eingabemasken die Anlagenteile wie Rotorblätter, Rotor, Generator, Turm oder eine benutzerdefinierte Steuerung. Das Programm berechnet dann unter anderem die Rotorblattaerodynamik, statische und dynamische Leistungskennlinien, Leistungsbeiwerte und Kräfte und Momente auf verschiedene Anlagenteile. Hierbei können unterschiedliche Betriebszustände wie Anlagenanlauf, Leerlauf, Normalbetrieb und Notbremsungen analysiert werden. Die Ergebnisse lassen sich in verschiedenen Grafiken anschaulich darstellen und in andere Windowsanwendungen wie Word oder Excel exportieren. Damit ist BLADED ein sehr interessantes aber auch teures Werkzeug im Entwicklungsbereich.

Im Gegensatz zu den meisten anderen, speziell für die Windkraft entwickelten Simulationsprogrammen, kann das Programm greenius auch andere regenerative Anlagen wie solarthermische Kraftwerke oder Photovoltaikanlagen simulieren. Das Programm ermittelt aus stündlichen meteorologischen Daten die Leistungsabgabe für ein Jahr. Viele Parameter lassen sich in stündlicher, täglicher oder monatlicher Auflösung tabellarisch oder grafisch darstellen und in zahlreichen Formaten kopieren oder exportieren. Bei Berechnungen auf Basis von gemessenen Stundenmittelwerten kann es bei der Windkraft jedoch zu Unterschätzungen des Ertrages kommen. greenius versucht dies über einen so genannten Energy Pattern Faktor zu kompensieren, der über statistische Zusammenhänge Unterschiede zwischen Kurzzeitmessungen und Stundenwerten erfasst. Dennoch birgt diese Methode einige Unsicherheiten. Die Stärken dieses Programms sind umfangreiche Finanzierungs- und Wirtschaftlichanalysen bis hin zum detaillierten Projekt-Cashflow. Die Jahressimulation erlaubt auch die Berücksichtigung stündlich variierender Einspeisetarife, wie sie in zum Beispiel in Spanien möglich sind. Die Projektverwaltung von greenius ist modular aufgebaut und die Software beinhaltet eine umfangreiche Windkraftanlagen-Datenbank. Datenbank-Updates sollen in Kürze auf der Homepage verfügbar sein. Für Projektentwickler, die Wirtschaftlichkeitsanalysen benötigen, die über die Leistungsfähigkeit der meisten anderen Programme hinausgehen und die auch andere regenerative Anlagen projektieren, kann greenius eine wertvolle Unterstützung bieten. Die für Herbst angekündigte Version 2.0 soll neben einer deutschen Programmoberfläche auch ein grafisches Ergebnis-Visualisierungstool enthalten, das vor allem für Lehr- und Ausbildungszwecke und die Präsentation beim Kunden interessant ist.

Der Name ist Programm: RETScreen setzt sich aus den Anfangsbuchstaben der Wörter Renewable, Energy und Technology sowie dem Wörtchen Screen zusammen. Es handelt sich um ein Programmpaket des CANMET Energy Technology Centre aus Ontario (Kanada). Das kostenlos im Internet verfügbare auf MS-Excel basierende Programmpaket umfasst insgesamt acht einzelne voneinander unabhängige Programme. Diese decken verschiedene Technologiefelder im Bereich der nachhaltigen Energienutzung von Windenergie, Wasserkraft, über Photovoltaik bis hin zur Biomasse ab. Ziel des Programmpakets ist die Unterstützung der Projektplanung auch zur Berücksichtigung der alternativen Energieerzeugung. Die Berechnung in diesen Excel-Arbeitsmappen beginnt jeweils mit der genauen Festlegung der Projektdaten bzw. Modellparameter. Danach folgt eine Abschätzung der Wirtschaftlichkeit. Der Anwendungsablauf führt schließlich zur Analyse eingesparter Treibhausgase und endet mit der finanziellen Ergebniszusammenfassung des Projekts. Neben den Modellen zur Energieerzeugung umfasst RETScreen auch umfangreiche Produktdatenbanken, Wetterdatenbanken (in Kooperation mit der NASA) und ein detailliertes Online-Benutzerhandbuch. Das RETScreen Windprogramm kann weltweit zur einfachen Abschätzung des Energieertrags, der Investitions- und Betriebskosten, der eingesparten Emissionen für netzgekoppelte Windkraftanlagen aber auch Inselsysteme eingesetzt werden und zwar nicht nur für Windparks mit vielen Windkonvertern, sondern auch für kleine Wind-Diesel-Hybridsysteme. Die Version 2000 umfasst neue und genauere Modelle, eine universellere Kostenkalkulation, das Emissions- und das Zusammenfassungsblatt, ein leeres Arbeitsblatt für Anwenderadaptionen, verbesserte Datenbanken, das Manual und einen Anwendungskurs.

Das nur in englisch erhältliche "Wind Atlas Analysis and Application Program" WAsP ist das Standardprogramm zur Berechnung von Windressourcen und für die Micro-Festlegung und -Optimierung der Windkraftanlage an einem Standort. Entwickelt und vertrieben wird das Programm von dem Wind Energy Department des dänischen Risø National Laboratory in Roskilde. Mehr als 1000 Anwender in über 80 Ländern verwenden das Programm WAsP, das seit der Veröffentlichung im 1987 kontinuierlich weiterentwickelt wurde. Der Rechenkern von WAsP ist an vielen verschiedenen Orten auf der Welt seit über 15 Jahren im Einsatz und ausgiebig getestet. Seit der Version 6 arbeitet WAsP auf der Basis von MS-Windows als echte 32-Bit-Software. Die Version 7 ist seit Anfang 2000 am Markt erhältlich, besitzt ein modernes und anwendungsvereinfachendes Interface, arbeitet aber im Programmkern immer noch mit den bewährten Algorithmen der Vorgängerversionen. Die WAsP-Vorhersage beruht auf Windstatistiken, die normalerweise mit Anemometern mindestens in 10 Metern Höhe gemessen werden. Dabei entspricht normalerweise der Ort der Messung nicht exakt der Stelle, für die eine Abschätzung der Windverhältnisse erfolgen soll. Durch Windströmungsmodellierung kann die Windverteilung des Messplatzes auf den in Frage kommenden Ort unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Geländebedingungen umgerechnet werden. Diese Umwandlung geschieht auf Basis der Risø-Wind-Atlas-Methode. WAsP 7 ermöglicht auch eine parallele Berechnung mehrerer Orte bei gleichzeitiger Nutzung der Windatlanten und der Karten. Alternativvorschläge für große Windparks können so schnell entwickelt, untersucht und in ihren unterschiedlichen Auswirkungen reflektiert werden. Während der Auslegung lassen sich Situationsveränderungen einfach vornehmen. Neu ist auch die gegenseitige Beeinflussung von Windenergiekonvertern in Windparks durch Wirbelschleppeneffekte als Bestandteil der Windparkertragsberechnung. Hierzu war früher das separate Programm "Park" notwendig. Bei der Programmierung wurde auch auf die Abwärtskompatibilität des Programms zu früheren Versionen geachtet. Da auch zahlreiche andere Programme wie WindFarmer oder WindPRO auf Ausgabedaten von WAsP aufbauen, ist es eines der wichtigsten Werkzeuge bei der Windparkplanung.

Das Programm WindFarm der Firma Resoft aus Flitton (England) legt Windparks aus und analysiert und optimiert sie. Es besteht aus den Programmmodulen Basis- bzw. Hilfsprogramme (mit GUI, Datenkonverter, Kartenumwandlungsmodul und Turbinenstudio), Optimierungs- bzw. Ertragsberechnung und Visualisierung. WindFarm berechnet den Energieertrag eines Windparks unter Berücksichtigung topographischer Gegebenheiten und der gegenseitigen Beeinflussung durch die Windparkgeometrie. Das Turbinenlayout kann auf maximalen Energieertrag oder minimale Energiegestehungskosten hin, innerhalb von Begrenzungen wie durch Immissionswerte optimiert werden. Wirbelschleppeneffekte fanden in WindFarm besondere Berücksichtigung. WindFarm kann auch Windströmungen und Immissionen unter Anzeige der Grenzen berechnen und auf Basis von Messdaten eine Abschätzung und Analyse von Windgeschwindigkeitsdaten durchführen. In der Visualisierung können Anwender in Planungsqualität Photomontagen und Animationen erstellen. Mit WindFarm lassen sich Drahtgittermodelle des Windparks präsentieren, Schatteneffekte analysieren und die Zone visueller Effekte in Karten darstellen. WindFarm ist kompatibel zu dem Programm WAsP und erlaubt einen einfachen Datentransfer. Das Programmpaket ist eine kostengünstige Alternative, für die man Einschränkungen des Funktionsumfangs in Kauf nehmen muss.

Ein sehr großes Spektrum deckt auch die wahlweise in vier Sprachen installierbare Simulationsumgebung WindFarmer der britischen Gesellschaft Garrad Hassan and Partners LTD ab. Für die Simulationsumgebung sind verschiedene Module erhältlich. Das Basismodul umfasst Karten- und Diagrammfenster sowie den WindFarmer-Optimierer. Ebenfalls enthalten ist eine freie WAsP-Kopie. Das Kartenfenster bildet das Hauptfenster von WindFarmer. Es zeigt eine 2-dimensionale Ansicht des Windparkstandortes und seiner Umgebung und ermöglicht die Eingabe und Bearbeitung von Standortelementen. Über die Anzeigeleiste lässt sich festlegen, welche Elemente es anzeigt (beispielsweise Grenzen, Anlagen und Gebäude). Errechnete Werte wie die visuelle Einflusszone lassen sich ebenfalls im Kartenfenster darstellen. Das Basismodul berechnet auch den Windparkertrag. Die Daten über die vorherrschenden Windbedingungen an einem Standort liefert unter anderem das Windressourcenraster WRG, das zum Beispiel von der WAsP-Software ausgegeben wird. Der ebenfalls mitgelieferte Optimierer ermittelt automatisch das optimale Windparklayout. Hierbei werden die Anlagenstandorte innerhalb vorgegebener Grenzen variiert und hinsichtlich Ertrag und Lärmemission optimiert. Die Diagrammfenster zeigen aktuelle, aus Standortdaten errechnete Diagramme wie Optimierungsverlauf, Anlagenertrag oder Geräuschemissionen. Die Diagrammsymbolleiste ermöglicht die Auswahl der anzuzeigenden Daten. Das Visualisierungsmodul stellt die visuellen Einflusszonen des aktuellen Windparklayouts dar. Weitere leistungsfähige Funktionen dieses Moduls sind die dreidimensionale Darstellung der Windparkintegration in der Landschaft, Photomontagen sowie eine automatische Optimierung des Layouts hinsichtlich visueller Beeinträchtigungen. Das Finanzmodul zur Berechnung finanzieller Aspekte des Windparks, ein Turbulenzmodul, ein Elektrikmodul für die Bestimmung elektrischer Verluste und die Planung des Netzanschlusses sowie ein Schattenflicker-Modul zur Berechnung des Windparkschattenwurfs runden die Palette der verfügbaren Programmmodule ab. Damit bietet dieses Programmpaket professionellen Anwendern alle Leistungen, die für eine detaillierte Windparkplanung benötigt werden.

Die weit verbreitete WindPRO-Software wurde von der seit über 15 Jahre in der Windbranche tätigen Firma Energi- og Miljødata (EMD) aus Aalborg in Dänemark entwickelt. Zu dem in 6 Sprachen erhältlichen Programm WindPRO bietet EMD eine Fülle an Dienstleistungen an wie ein mehrstufiges Kurskonzept zu regelmäßigen Terminen, ein Update-, ein Support- oder ein Newsservice. WindPRO ist modular aufgebaut. Die Programmmodule berücksichtigen die verschiedenen Planungs-, Projektierungs- und Bewilligungsaspekte von einzelnen Windkraftanlagen bis hin zu großen Windparks. Mit WindPRO lassen sich beispielsweise die Windressourcen ermitteln, die Machbarkeit des Projekts über Ertrags- bzw. Betriebsprognosen und die Wirtschaftlichkeit berechnen, Fragen zu Umweltverträglichkeiten wie Schattenwurf oder Lärmimmission klären und die Anlagen in das Landschaftsbild durch Visualisierung und Animation in der realen Landschaft einbinden. Die verschiedenen Module lassen sich mit dem WindPro-Basismodul abhängig von persönlichen Einsatzbedürfnissen und Budget frei kombinieren. Neben dem Basismodul gibt es Programmteile zur Energieberechnung, zur Umweltverträglichkeitsberechnung, zur Anlagenvisualisierung, zur Planung und zur Wirtschaftlichkeitsberechnung. Topographische Karten in digitaler Form stellen die Grundlage der Arbeit mit WindPRO dar. Relevante Objekte werden aus der Toolbox ausgewählt und direkt mit einem Mausklick auf der Karte platziert. Nach der Eingabe weiterer Information wie der Festlegung des Anlagentyps beginnt die Berechnung beispielsweise auch unter Berücksichtigung bereits existierender Anlagen oder unter schnellem Vergleich alternativer Auslegungsvorschläge. Das Modul WAsP Interface führt komplexe Geländeenergieberechnungen basierend auf der WAsP-Software durch, das Modul OPTIMIZE automatische Optimierungen des Windparklayouts und der -nutzung. Umbra berechnet Ausgleichs- oder Ersatzmaßnahmen für den Eingriff in das Landschaftsbild und DECIBEL Geräuschemissionen bis hin zu einzelnen Anwohnern und Darstellung von Isolinien auf Karten. Mit den Programmteilen zur Visualisierung lassen sich kleine Animationen und Filme des Windparkprojekts erstellen. Mit seinem umfangreichen Funktionsumfang setzt WindPRO hohe Maßstäbe im Softwarebereich für die Windpark-Planung und -analyse, wobei der relativ hohe Preis das Programm nur für professionelle Anwender erschwinglich macht.

Die sehr einfach gestaltete Simulationsanwendung Referenzertrag, die über die Homepage des DEWI kostenlos heruntergeladen werden kann, erlaubt ebenfalls eine Ertragsberechnung von Windkraftanlagen. Nach Eingabe einer Anlagenkennlinie und Standortinformationen ermittelt es den Jahresertrag. Auch die bereits aus den Photovoltaik- und Solarthermie-Programmübersichten [1,2] bekannten Simulationssprachen INSEL und TRNSYS ermöglichen die Analyse von Windkraftanlagen. Beide Programme haben zwar ihren Anwendungsschwerpunkt in der Solarenergienutzung, doch sie können auch Berechnungen mit Modellen für Windkraftanlagen durchführen. Geht es zum Beispiel darum, spezielle Lösungen für PV-Wind-Hybridanlagen zu analysieren, können diese Programme sicher eine gute Unterstützung liefern. Auch das Programm Solar Studio Suite ermöglicht die Einbeziehung eines Backup-Windkraftgenerators in die Simulation.
Schließlich existieren weltweit noch zahlreiche andere Programme, die im Rahmen dieses Artikels nicht ausführlich beschrieben werden konnten. Auf der Internetseite der ECN Wind Energy (www.ecn.nl) findet sich beispielsweise eine ganze Palette an Programmen für verschiedenste Anwendungen, angefangen bei Windanalyen über Rotorblattdesign bis hin zur Windparkanalyse. Die Mehrzahl dieser Programme wurde aber für den institutsinternen Gebrauch entwickelt. Ähnliche Hinweise auf Programm- undAlgorithmenfragmente findet man auch auf den Webseiten von Hochschulen. Das zu WAsP oder WindFarmer kompatible Program WindMap (www.browerco.com/windmap.html) prognostiziert und kartographiert Windverhältnisse. Mit WindMap lassen sich Windgeschwindigkeiten innerhalb großer und kleiner Gebiete vorhersagen, potentielle Aufstellungsorte suchen und Detailaussagen zu einem Standort machen. Basierend auf vorhandenen Winddaten berechnet WindMap Windgeschwindigkeiten für jeden Punkt auf digitalen Karten. Der WindMap Programmkern erlaubt auch die Nutzung führender GIS-Softwarepakete.

Im Gegensatz zu einer Vielzahl an Online-Berechnungstools im Bereich der Photovoltaik- und Solarthermie, die dem Kunden eine grobe Anlagenauslegung ermöglichen, ist das Angebot im Bereich der Windkraft deutlich magerer. Erwähnenswert ist die kostenlose Windpark-Ertragsanalyse, die eine Grobabschätzung des jährlichen Windparkertrags und dessen Wirtschaftlichkeit durchführt. Damit lassen sich beispielsweise Beteiligungsprospektangaben überschlägig überprüfen.
Verschiedene kostenlose Berechnungstools finden sich auch auf der Internetseite des Verbandes der dänischen Windkraftindustrie (www.windpower.org). Der "Streifzug", der aus einer Vielzahl an Lektionen über die Nutzung der Windkraft besteht, beinhaltet mehrere Programme, die eine überschlägige Ertragsabschätzung, Wirtschaftlichkeitsberechnungen sowie Schattenwurf- und Schallpegelberechnungen ermöglichen. Dabei ist natürlich zu beachten, dass die Ergebnisse von Online-Programmen nicht vergleichbar sind mit detaillierten Berechnungen auf der Basis eines Windgutachtens.