MILJØSTYRELSENS REFERENCELABORATORIUM FOR STØJMÅLINGER

Transkript

1 Miljøstyrelsen Att.: Frank Pedersen og Jesper Mogensen Strandgade København DELTA a part of FORCE Technology Venlighedsvej Hørsholm Telefon: reflab@delta.dk Redegørelse vedr. udbredelse af støj fra vindmøller over vand Miljøstyrelsens Referencelaboratorium for Støjmålinger er af Frank Pedersen blevet bedt om at kommentere artiklen i Weekendavisen den Værre end Vestenvind af journalist Poul Pilgaard Johnsen. Overordnet handler artiklen om beregning af lydudbredelse over vand; mere specifikt om beregning af støj fra planlagte vindmøller ved Jammerland Bugt. Referencelaboratoriet kender ikke den specifikke sag og kan derfor ikke kommentere denne, men kan kommentere de overordnede forudsætninger i artiklen. Generelt beskriver artiklen ganske korrekt, at lydudbredelse over vand er anderledes end lydudbredelse over land. Artiklen nævner fem forskellige lydudbredelsesmodeller, men virker til at blande rundt i dem og behandler de fem som kun to: den danske og den svenske. De fem lydudbredelsesmodeller, der nævnes, er følgende (efterfulgt af en forkortelse anvendt i dette dokument): - Dansk beregningsmodel for vindmøller (BEK) - Nord2000 (N2K) - Den fælles nordiske beregningsmetode (GPM) - Svensk beregningsmodel for vindmøller (SEK) - Parabolic Equation (PE) Artiklen behandler de tre øverste som én model (den danske) og de to nederste som én anden model (den svenske). For vindmøllestøj i Danmark henviser de danske regler dog kun til den danske beregningsmodel beskrevet i bekendtgørelserne, og ikke til Nord2000 eller den fælles nordiske beregningsmetode. For vindmøllestøj i Sverige henviser de svenske regler til den svenske beregningsmodel for vindmøller alternativt til Nord2000-modellen. PE-metoden er en generel teoretisk metode (hverken svensk eller dansk). Generelt gælder for lydudbredelsesmodeller, at det er gennemsnitsbetragtninger. Typisk gælder det også, at en høj nøjagtighed nødvendiggør høj kompleksitet og god viden om indgangsparametre. 2. juni 2017 LSS/BP/CB/ilk J. nr.: RL-5/17

2 De nævnte lydudbredelsesmodeller Generelt for vindmøller i Danmark gælder, at det er beregningsmetoderne angivet i de forskellige bekendtgørelser (BEK 304, BEK 1518, BEK 1284 og BEK 1736), der er gældende, alt efter anmeldelsestidspunkt. Terrænkorrektionen har fra og med BEK 1518 fra 2006 været delt op for lydudbredelse over vand og land. Beregningsmetoderne i bekendtgørelsen er baseret på Nord2000- beregningsmodellen, men er en simplere og mere operationel version, og giver ikke nødvendigvis de samme resultater i alle situationer, da modellerne ikke er identiske. Nord2000-beregningsmodellen blev (som beskrevet i artiklen) udviklet i et samarbejde mellem DELTA, SP og SINTEF. Modellen blev udviklet med fokus på trafikstøj (veje og jernbaner), og i 2009 blev den af DELTA videreudviklet til højtliggende støjkilder (som fx vindmøller), og i den forbindelse blev der udført et stort valideringsarbejde, primært som målinger. Disse blev udført med lydudbredelse over land i både fladt terræn i Danmark og bakket terræn i Norge i afstande fra 500 m til 1500 m mellem kilde og mikrofon. Der blev også udført målinger i 2000 m afstand, men signalstøjforholdet var på denne afstand ikke brugbart til valideringerne. Nord2000-modellen blev som nævnt oprindeligt udviklet med fokus på lavtliggende støjkilder og beregning i korte afstande. Lydudbredelse over vand for lange afstande var ikke med i udviklingsarbejdet, og fokus har derfor før 2009 været på validering indenfor de sædvanlige lydudbredelsesforhold, dvs. lavtliggende kilder og modtagere. I artiklen beskrives, at Nord2000-modellen ikke kan anvendes over vand for større afstande end 1000 m. Det kan den, men præcisionen af modellen kendes ikke over 1000 m. Det er stadig DELTA s anbefaling (som i 2005), at der arbejdes yderligere med modellen for større afstande samt fokuseres på yderligere validering, herunder også validering for længere afstande over vand. Den fælles nordiske beregningsmetode (også benævnt industristøjmetoden eller General Prediction Method) anvendes primært til industristøj og er den officielle danske metode for industristøj. Det er en model, der ligner den i udlandet meget anvendte beregningsmetode ISO , som er beregnet for kilder med højder over terræn mindre end 30 m højde. Den svenske beregningsmodel for vindmøllestøj (SEK) er ved lydudbredelse over land tæt på at være identisk med den danske model (BEK). For lydudbredelse over vand har SEK over en vis afstand et ekstra led i formlen, der giver cylindrisk lydudbredelse. Dette giver en afstandsdæmpning på 3 db pr. afstandsfordobling mod BEK s sfæriske afstandsdæmpning, der i alle afstande giver en dæmpning på 6 db pr. afstandsfordobling. Afstanden fra kilden, hvor SEK går fra sfærisk til cylindrisk lydudbredelse, var oprindeligt 200 m, blev senere ændret til 700 m og er i dag 1000 m. Parabolic Equation (PE) metoden er en teoretisk model baseret på den parabolske ligning, som er en fjernfeltstilnærmelse til bølgeligningen. PE-metoden er kendt som en pålidelig metode til at prædiktere virkning af komplicerede meteorologiske forhold. I sin grundlæggende form er den dog kun anvendelig for en plan terrænoverflade. Da PE-algoritmen arbejder i step af cirka 1/10 bølgelængde i retningen fra kilde til modtager, kan regnetiden i det fulde frekvensområde blive betydelig. PE-metoden er derfor en meget anvendt universitetsmetode, men mindre anvendelig som støjkortlægningsmetode. Validering Der er forskellige metoder til validering af lydudbredelsesmodeller. Man kan fx sammenligne med målinger eller med andre lydudbredelsesmodeller. For sidstnævnte anvendes ofte PE-modellen. Det er svært og tidskrævende at udføre valideringsmålinger, specielt over store afstande, da den omkringliggende baggrundsstøj ofte overstiger støjen fra kilderne specielt ved høje frekvenser. Hvis valideringsmålingerne udføres over vand, og hvis målingerne ønskes udført ved en vindhastighed på fx 8 m/s, vil der også være et stort bidrag fra baggrundsstøj i form af havet (bølger/brænding). RL-5/17 Side 2 af 9

3 Deciderede valideringsmålinger over vand for længere afstande er (Referencelaboratoriet bekendt) kun udført i Sverige i Målingerne er så vidt vides alene udført for én afstand (knap 10 km) og alene for frekvenserne 80 Hz, 200 Hz og 400 Hz. Der findes således ikke verifikationer for øvrige afstande og frekvenser. Målingerne er desuden kun udført for en forholdsvis lav kildehøjde på 30 m, hvor de fleste moderne vindmøller har en nacellehøjde på minimum 80 m. En del kilder henviser også til målinger fra De udførte målinger er her udført over ørkensand og for afstande op til 20 km i medvind, men kun for frekvenserne 8-16 Hz. Sammenligning af den danske og den svenske model over vand De relevante formler for beregning af lydudbredelse over vand fra hhv. de danske regler og de svenske regler er vist i Figur 1 og Figur 2. Figur 1 Bestemmelse af lydtrykniveau L pa med den danske beregningsmodel (BEK 1736). Figur 2 Bestemmelse af lydtrykniveau LA med den svenske beregningsmodel for afstande fra 1000 m og op. (MÄTNING OCH BERÄKNING AV LJUD FRÅN VINDKRAFT VÄGLEDNING ). Grundlæggende er de to formler næsten ens. Nedenfor er flyttet rundt på rækkefølgen af den danske formel, så den svarer til den svenske: LpA = LWA 11dB + Lg 10 log(l 2 + h 2 ) La RL-5/17 Side 3 af 9

4 Hvis man kigger på de forskellige led: 1. L WA er den samme for begge formler 2. Den svenske formel bruger 8 db og den danske formel bruger 11+ Lg. For lydudbredelse over vand er Lg 3 db, og dermed er også dette led ens for de to modeller. 3. Da l 2 + h 2 = r 2, er næste led også ens for de to formler. 4. La er luftabsorption, og i hvert fald betegnelsen er ens for de to formler. 5. Der er nu ikke flere led i den danske formel, og sidste led i den svenske formel giver den cylindriske lydudbredelse: 10log(r/1000). For afstande under 1000 m anvendes SEK-formlen uden sidste led. Udover den cylindriske lydudbredelse anvendes desuden lidt forskellige værdier for luftabsorption, som kun giver en lille forskel. I Figur 3 er vist støjniveauet i forskellige afstande med en typisk kildestyrke for en moderne vindmølle modelleret i en højde på 100 m (for de to modeller giver en ændring af kildehøjden kun en minimal forskel). For en afstand på 4 km er der en forskel på ca. 7-8 db ved de to modeller. Figur 3 Illustration af støjbidraget i forskellige afstande med typisk kildestyrke for en moderne vindmølle. Der er beregnet med en nacellehøjde på 100 m. RL-5/17 Side 4 af 9

5 Artiklen fra Weekendavisen Der er i artiklen en række påstande, som er svære at kommentere, da der ikke er konsistens i benævnelsen af lydudbredelsesmodellerne, og det derfor er vanskeligt at finde ud af, hvad der egentlig menes. Mange af påstandene er tilsyneladende fremkommet på grundlag af tredjehåndsoplysninger og er derfor ligeledes vanskelige at kommentere. Det, der kan konkluderes, er følgende: Den danske og den svenske model for beregning af lydudbredelse over vand er begge simple modeller. Den danske er baseret på rent sfærisk lydudbredelse, og den svenske er baseret på en kombination af sfærisk og cylindrisk lydudbredelse. For afstande over 1000 m vil modellerne derfor give resultater, der indbyrdes afviger med ca. 3 db pr. afstandsfordobling. Spørgsmålet er, hvilken af modellerne der er mest korrekt. For den svenske model er der udført valideringsmålinger i en afstand på knap 10 km ved få frekvenser og med en lavt placeret støjkilde. Der er derimod ikke foretaget målinger ved 4-6 km og med en højt placeret støjkilde (som for en moderne vindmølle) svarende til de forhold, der efterspørges i artiklen. Der henvises i artiklen til en canadisk professor (John Harrison), og det ville være interessant at læse hans oprindelige kommentarer og finde ud af, om det er ham eller journalisten, der mangler konsistens i benævnelsen af lydudbredelsesmodellerne. Der er for nyligt udgivet en canadisk rapport om Sound Propagation Modelling for Offshore Wind Farms (det vides ikke, om John Harrison har været involveret, men denne står ikke listet blandt forfatterne). Rapporten omhandler bl.a. en liste over forskellige lydudbredelsesmodeller, og hvilke regler der findes i forskellige lande. De danske støjregler er også nævnt, men angående lydudbredelse over vand virker det til, at konklusionen kun bygger på den danske rapport fra 2005 (Noise from Offshore Wind Turbines), hvor den danske lydudbredelsesmodel var anderledes og bl.a. ikke beregnet til lydudbredelse over vand (som først kom til senere). Vedrørende Nord2000-modellen henviser den canadiske rapport kun til ældre rapporter, og nævner for eksempel ikke den vigtige opdatering/rapport i 2009 (Validation of the Nord2000 Propagation Model for use on Wind Turbine Noise), der netop fokuserer på højt placerede kilder samt validering over lange afstande. Man kunne derfor frygte, at John Harrisons konklusioner ikke bygger på den nyeste viden. Øvrige kommentarer Overordnet er artiklen ikke direkte forkert angående Nord2000. Angående lydudbredelse over vand er det forkert, at modellen ikke kan anvendes for afstande større end 1 km, men den korrekte udlægning er, at præcisionen ikke kendes over 1000 m. Det er prisværdigt at svenskerne har valideret deres model, men målerapporten fra Mathieu Boué (KTH) indeholder kun en måleafstand på ca. 10 km afstand og kun for en kildehøjde på 30 m. Præcisionen er derfor ukendt for kortere afstande og større kildehøjder. Derfor ved vi ikke, om SEK er mere korrekt på fx 4 km afstand end BEK. Eksempelvis blev valideringsmålingerne udført på Nord2000 over land i Høvsøre og Hitra i Norge i 2009 for afstande mellem vindmølle og mikrofon på 500 m, 1000 m og 1500 m. I KTH-målerapporten nævnes det, at ambitionen har været at udvikle modeller for lydudbredelse over lange afstande baseret på PE-metoden (Parabolic Equation), og at dette forventes at blive fortsat i et efterfølgende projekt. Det er således muligt, at der findes en rapport med resultatet af PE-beregninger udført af KTH i Sverige til belysning af virkningen af cylindrisk udbredelse for andre afstande og møllehøjder end de, der er omfattet af målingerne. Det har dog ikke været muligt i nærværende arbejde at finde ud af, om en sådan rapport eksisterer. En anden begrænsning i de svenske målinger er, at støjkilden kun indeholder frekvenser op til 400 Hz. Det vides derfor ikke, om modellen bør være anderledes ved høje frekvenser. RL-5/17 Side 5 af 9

6 Erfaringerne med multiple refleksioner (cylindrisk udbredelse) fra arbejdet med Nord2000 var, at i den analytiske strålemodel, der blev anvendt, skulle bidraget fra de mange stråler under cylindrisk udbredelse adderes kohærent ved lave frekvenser og inkohærent ved høje frekvenser. Det indikerer, at virkningen af den cylindriske udbredelse teoretisk vil reduceres med stigende frekvens. Den svenske model sammenlignes nærmere med Nord2000 i efterfølgende afsnit. Sammenligning af svensk model og Nord2000 Nord2000 s evne til at beregne virkningen af multiple refleksioner (cylindrisk udbredelse) ved udbredelse over vand blev nærmere undersøgt i Miljøprojekt nr (2005): Noise from Offshore Wind Turbines. Følgende Figur 11 fra miljøprojektet viser bl.a. to kurver med beregnede A-vægtede terrænvirkninger for udbredelse over vand, hvor kurven Nord2000, water er terrænvirkningen beregnet med den inkohærente metode i Nord2000, mens kurven Nord2000, coherent er terrænvirkningen beregnet med den kohærente metode. Figurens kurver er beregnet for en kildehøjde på 30 m og svarer derfor til højden i KTH s målerapport. Det skal pointeres, at metoden som kaldes Swedish method, water er den gamle svenske metode med cylindrisk udbredelse fra 200 m. Nord2000 indeholder to metoder til beregning af virkningen af de multiple stråler: den kohærente metode og den inkohærente metode. Årsagen er, at bidraget fra de multiple stråler ved cylindrisk udbredelse bør adderes kohærent ved lave frekvenser og inkohærent ved høje frekvenser. Som det ses i figuren, giver den kohærente metode en større virkning af cylindrisk udbredelse end den inkohærente. Beskrivelsen af Nord2000 indeholder et princip til at bestemme overgangen mellem de to metoder. Efter færdiggørelsen af Nord2000 blev dette princip fundet at være for usikkert, og det blev besluttet, som en midlertidig løsning, at anvende den inkohærente metode, indtil et bedre overgangsprincip var fundet. Baggrunden for dette valg var, at Nord2000 primært var tænkt anvendt for lavt placerede kilder som veje og jernbaner, hvor de A- vægtede lydtrykniveauer bestemmes af mellem- og højfrekvensområdet. Ved valget var man bevidst om, at den midlertidige metode sandsynligvis ville underestimere lydtrykniveauerne ved meget lave frekvenser. Valget betød på den anden side, at man undgik mulige ekstreme overvurderinger ved høje frekvenser. RL-5/17 Side 6 af 9

7 I den svenske metode vil terrænvirkningen i 10 km afstand inklusive det cylindriske bidrag være 3+10 = 13 db, mens KTH s målerapport giver målte terrænvirkninger på db over frit felt. Til sammenligning ses i Figur 11 fra miljøprojektet, at den kohærente Nord2000-model tilsvarende giver ca. 17 db i 10 km afstand, mens den inkohærente metode giver 6 db. Den kohærente metode viser derfor en væsentlig bedre overensstemmelse med KTH-måleresultatet end den inkohærente metode, hvilket egentligt ikke er nogen overraskelse, da KTH-kilden er lavfrekvent. Miljøprojektet fra 2005 omfatter en Figur 12, som indeholder tilsvarende kurver for kildehøjden 100 m. De tilsvarende kurver for den kohærente og inkohærent metode i Nord2000 ved udbredelse over vand giver henholdsvis 7 db og 3-4 db terrænvirkning. Nord2000 indikerer derfor en betydelig reduktion i virkningen af cylindrisk udbredelse med stigende kildehøjde. Miljøprojektet omtaler i øvrigt en svensk PhD-afhandling (Lisa Johansson, KTH, 2003), hvor der udføres PE-beregninger over vand for en 65 m høj kilde. I PhD-afhandlingen konkluderes det, at cylindrisk udbredelse ikke ses i beregningerne for afstande op til m. PE-beregningerne er dog kun udført for en frekvens på 50 Hz, og det alene gør, at man skal være varsom med at tillægge konklusionen for stor betydning. Resultatet er dog interessant at nævne, da det bekræfter indikationen fra Nord2000 om en reduktion i virkningen af cylindrisk udbredelse med stigende kildehøjde. RL-5/17 Side 7 af 9

8 Anbefalinger fra Referencelaboratoriet Med udgangspunkt i de svenske erfaringer og undersøgelser bør en ændring af den danske metode ved udbredelse i større afstande over vand overvejes. Der har i forbindelse med udarbejdelsen af denne redegørelse ikke været mulighed for at få et fuldt overblik over det svenske materiale, som efterfølgende bør undersøges nærmere. Det gennemgåede materiale indikerer, at den svenske metode er en worst-case metode baseret på en relativ lav kildehøjde (30 m) og lave frekvenser. Det er uklart, om de meteorologiske udbredelsesforhold i de svenske målinger svarer til referenceforholdene i vindmøllebekendtgørelsen (BEK). Det vil være nødvendigt at gennemgå det svenske materiale i detaljer, før en endelig konklusion kan drages. Der er dog indikationer på, at en simpel adoptering i bekendtgørelsen af det ekstra bidrag fra cylindrisk udbredelse svarende til den svenske metode vil give en overvurdering af lydtrykniveauerne ved større navhøjder end 30 m og i det høje frekvensområde, og at der derfor kan være behov for en justering af den simple svenske metode for at undgå dette. Ud over det svenske materiale bør andet relevant materiale undersøges nærmere, herunder det canadiske materiale nævnt i denne redegørelse. Hvis ikke der findes svar på betydningen af kildehøjde, frekvens og evt. andre relevante parametre i tilgængeligt materiale, kan det overvejes at iværksætte målinger og/eller PE-beregninger, som kan belyse disse forhold. Overvejelserne fra afsnittet om sammenligning af den svenske model og Nord2000 indikerer, at Nord2000-modellen formodentlig kan bringes i overensstemmelse med de svenske erfaringer ved at genoverveje den anvendte metode for frekvensmæssig overgang mellem kohærent og inkohærent udbredelse. Selv om det er BEK, der er den officielle danske beregningsmetode, vil det være værdifuldt at have en mere generel model, som kan prædiktere virkningen af cylindrisk udbredelse på en pålidelig måde under hensyntagen til inputparametre, som ikke dækkes passende af bekendtgørelsen (som f.eks. møllehøjde, vindhastighed og kildespektrum). Den overordnede konklusion ved gennemgang af det materiale, der har været tilgængeligt i forbindelse med udarbejdelse af denne redegørelse, er, at multiple refleksioner forekommer ved lydudbredelse med nedadrefraktion (nedadbøjende lydstråler) over en vis udbredelsesafstand (tærskelafstanden). Tærskelafstanden afhænger af, hvor kraftig refraktionen er, og dermed af variable som medvindskomposanten og atmosfærens temperaturgradient. Det forventes derfor, at tærskelafstanden vil falde med stigende medvindshastighed og øges med stigende kildehøjde (og modtagerhøjde). Over tærskelafstanden stiger virkningen af de multiple refleksioner med afstanden. Det er usikkert, hvor meget virkningen præcist øges med afstanden, men det ser ud til, at forøgelsen er større ved lave frekvenser end ved høje. Det er på det foreliggende grundlag Referencelaboratoriets indtryk, at der ikke findes en færdig model, som på basis af refraktionens størrelse præcist kan beregne tærskelafstanden og forøgelsen i virkning med afstanden over denne. Det vurderes dog muligt på basis af eksisterende viden kombineret med supplerende ny viden fra PEberegninger eller målinger at udarbejde en passende model. Den svenske model er en forenklet model, hvor tærskelafstanden altid er 1000 m, og hvor virkningen over tærskelafstanden frekvensuafhængigt øges med 3 db for hver afstandsfordobling. RL-5/17 Side 8 af 9

9 Referencer - Værre end vestenvind. Artikel fra Weekendavisen. 12. april Bekendtgørelse om støj fra vindmøller. BEK nr. 304 af 14/05/1991. ( - Bekendtgørelse om støj fra vindmøller. BEK nr af 14/12/2006. ( - Bekendtgørelse om støj fra vindmøller. BEK nr af 15/12/2011. ( - Bekendtgørelse om støj fra vindmøller. BEK nr af 21/12/2015. ( - Noise from Offshore Wind Turbines. Environmental Project No Miljøstyrelsen. - Long-range sound propagation over the sea with application to wind turbine noise. Vindforsk. KTH Sound Propagation Modelling for Offshore Wind Farms. Valcoustics Canada Ltd. June 1, Supplementary guidance note 6: Noise propagation over water for on-shore wind turbines. - Mätning och beräkning av ljud från vindkraft. Naturvårdsverket Ljud från vindkraftverk. Reviderad utgåva av rapport Naturvårdsverket. 20 april Validation of the Nord2000 propagation model for use on wind turbine noise. DELTA, Sound Propagation around off-shore wind turbines Long-range parabolic equation calculations for Baltic Sea Conditions. Lisa Johansson, KTH, Stockholm, Venlig hilsen Referencelaboratoriet Lars Sommer Søndergaard RL-5/17 Side 9 af 9