H 3. Rapport metingen van geluid wind windpark

Rijksuniversiteit Groningen

Wetenschapswinkel Natuurkunde

Metingen van geluid en wind bij windpark Hoofdplaatpolder

METINGEN VAN GELUID EN WIND BIJ WINDPARK HOOFDPLAATPOLDER

G.P. van den Berg

Datum: november 2007 Uitgavenummer: NWU-122 Aantal blz: 49 + 14 (bijlagen)

Natuurkundewinkel Rijksuniversiteit Groningen Nijenborgh 4 9747 AG Groningen

De Natuurkundewinkel stelde, tot juli 2007, natuurkundige kennis en vaardigheid beschikbaar aan niet-commerciële groepen en organisaties, en overheden door het verlenen van advies en

wewi-fwn@rug.nl

het uitvoeren van onderzoek

Natuurkundewinkel RuG

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

3

SAMENVATTING In 2004 zijn er in de Hoofdplaatpolder in Zeeuws Vlaanderen vijf windturbines geplaatst. Na ingebruikname van de windturbines zijn er bij de gemeente Sluis klachten binnengekomen van omwonenden van het windpark over geluidsoverlast. Daarop werd door de gemeente opdracht gegeven tot een onderzoek van het geluid. Volgens dat onderzoek zou de geluidsoverlast aan de gestelde grenswaarden voldoen. De omwonenden van het windpark hebben deze conclusie verworpen en hebben de Natuurkundewinkel gevraagd om een onafhankelijk onderzoek naar het geluid te doen. Uit recente onderzoeken en vele meldingen is gebleken dat geluidsoverlast van windturbines zich vooral voordoet bij een stabiele atmosfeer. Een stabiele atmosfeer ontstaat vaak rond zonsondergang en is ’s avonds en ’s nacht tijdens onbewolkte dagen een normaal verschijnsel. Door de afkoeling van de aarde verdwijnt de turbulentie en daarmee de verticale luchtbeweging die overdag aanwezig is en de verschillende luchtlagen aan elkaar koppelt. Als gevolg daarvan worden de verschillen in windsnelheid tussen de luchtlagen groter. Hierdoor gaat het aan de grond zachter waaien, maar in de hogere luchtlagen waar de wieken van de turbines zich bevinden juist harder.

Uit door het KNMI gemeten windsnelheden bij de plaatsen Cadzand, Vlissingen en Hoofdplaat blijkt dat een stabiele atmosfeer vooral in de lente en zomer voorkomt als de wind vanaf land komt. Bij wind vanaf zee of over de Westerschelde komt stabiliteit minder voor. In het kader van dit onderzoek verrichte metingen laten zien dat de meetperiode niet duidelijk afwijkt van wat klimatologisch verwacht wordt. Om de windsnelheden te meten en het effect van de weersomstandigheden op de turbines te kunnen bestuderen is er in april 2006 in samenwerking met bewoners van de Hoofdplaatpolder een mast met meetapparatuur bij het windpark geplaatst. Uit de windsnelheidsmetingen op 10 en 28 m hoogte kan de windsnelheid op ashoogte van de turbines worden bepaald. Daaruit kan direct de productie van de windturbine, zowel wat energie als geluid betreft, worden afgeleid. Met behulp van de gevonden geluidsproductie kan vervolgens de geluidimmissie bij omwonenden worden berekend. Het blijkt dat in een stabiele atmosfeer de windturbines ook bij zwakke wind nabij de grond al op maximaal toerental en dus met vrijwel maximale geluidsproductie kunnen draaien -op ashoogte is de windsnelheid dan juist wel hoog. Bij zwakke wind nabij de grond overschrijdt het beoordelingsniveau de gestelde grenswaarden voor het geluidsniveau bij meerdere woningen.

Naar het karakter van het geluid is geen onderzoek gedaan, maar het is te verwachten dat het voor moderne, hoge windturbines typische nachtelijke ‘stampen’ bijdraagt aan de hinder. Als het geluid als een impulsachtig (‘stampend’) geluid zou worden gekenmerkt, dan moet een impulstoeslag worden toegepast en treedt een overschrijding van de grenswaarden bij meer woningen op.

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

4

Natuurkundewinkel RuG

Natuurkundewinkel RuG

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

5

INHOUDSOPGAVE 1

Inleiding .1 .2 .3

2

3

8 .

.1 .2 .3

8 12 13 13 13 15 16 17

Atmosferische stabiliteit Windsnelheid op ashoogte Het regionale windklimaat .1 Meetlocaties .2 Windsnelheid per kompasrichting .3 Windsnelheid per seizoen .4 Correlatie tussen meetstations .5 Mate van vóórkomen van stabiliteitsklassen

Metingen Hoofdplaatpolder Opstelling en locatie Meetperiode Verloop temperatuur en windsnelheid Gemeten geluidsniveaus

Uitgangspunten bij de bepaling van de geluidsbelasting .1 .2

5

6

6 6 7

Atmosferische stabiliteit en wind

.1 .2 .3 .4

4

Voorgeschiedenis Opbouw rapport Bijdragen

6 .

Voornaamste oorzaak van windturbinegeluid Geluidsproductie van Vestas V80 windturbines .1 Samenhang met windsnelheid .2 Bronsterkte .3 Bronvermogen en windsnelheid op 10 m hoogte .3 Geluidsbelasting op woningen .1 Beoordeling volgens regelgeving .2 Meting geluidsniveau Door meting bepaalde geluidsbelasting .1 Uitgangspunten berekening geluidimmissie .2 Bronsterkte bepaald uit gemeten windsnelheid .3 Immissieniveau bepaald uit gemeten windsnelheid .4 Vergelijking meting en berekening .1 Resultaten van metingen bij meetmast .2 Resultaten metingen SPA

18 . 18 19 20 23

25 . 25 26 26 27 29 30 30 33

34 . 34 34 36 40 40 42

Conclusies

44 .

Referenties Bijlagen

49 .

1 2 3 4

B 2 B 5 B 7 B13

Meetapparatuur Pasquill klassen Oorspronkelijk onderzoeksvoorstel Berekening windprofiel

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

Natuurkundewinkel RuG

6

1

INLEIDING

1.1

Voorgeschiedenis

In 2004 is WEOM, in samenwerking met twee particuliere ondernemers, begonnen met de bouw en exploitatie van vijf windturbines in de Hoofdplaatpolder in Zeeland. Deze windturbine’s hebben een ashoogte van 78 meter, een tiphoogte van 120 meter en een vermogen van 2 MW. Na ingebruikname van de windturbines zijn er bij de gemeente Sluis klachten binnengekomen van omwonenden van het windpark over geluidsoverlast, en is de “Stichting Actiegroep Windturbines Hoofdplaatpolder” opgericht. Als reactie op deze klachten heeft de gemeente Sluis onderzoek laten doen naar het geluid van de windturbines door Schoonderbeek en Partners Advies (SPA). De conclusie daarvan was dat de geluidsbelasting binnen de daarvoor gestelde richtlijnen bleef. De actiegroep heeft de uitkomst van het onderzoek om verschillende redenen afgewezen en meende dat het onderzoek er vooral op gericht was om te voorkomen dat een te hoge geluidsbelasting erkend zou worden. De groep heeft daarop de Natuurkundewinkel (NW) van de Rijksuniversiteit Groningen gevraagd om onderzoek te doen naar het windturbinegeluid vanwege haar expertise op dit terrein. De NW hoopte dat WEOM daaraan mee zou willen werken door data te leveren en heeft een onderzoeksvoorstel geschreven dat op 8 november 2005 aan WEOM en de gemeente is voorgelegd.

De gemeente liet de NW op 22 november weten dat “Voor de gemeente geldt: Voldoen de molens wel of niet uitgaande van het protocol zoals dat vermeld is in de AmvB. Alles staat of valt met de medewerking van de WEOM. Overleg is dus gewenst.’ Merkwaardig is dat op dezelfde dag de gemeente aan SPA opdracht gaf voor onderzoek, dus ongeacht enig overleg (dat, althans met de NW, nooit heeft plaatsgevonden). WEOM reageerde op 2 december op ons voorstel en weigerde medewerking aan het onderzoek. De argumenten daarvoor zijn opgenomen in bijlage 3 van dit rapport, waarin tegelijk het voorstel zelf is weergegeven. Uit de tekst kan men concluderen dat de argumenten gezocht zijn. Er werden bovendien geen suggesties gedaan het voorstel zodanig te wijzigen dat WEOM er wel akkoord mee kan gaan. De conclusie ligt voor de hand dat WEOM geen onderzoek wilde, misschien omdat te onafhankelijk onderzoek niet wenselijk werd geacht. Doordat van het windpark geen data beschikbaar werden gesteld, moesten de data zelf worden gewonnen door metingen. Daartoe werd in april 2006 meetapparatuur geplaatst in de Hoofdplaatpolder die daar, met enige onderbrekingen, tot december 2006 meetwaarden heeft verzameld (de apparatuur heeft daarna nog gefunctioneerd tot in mei 2007, maar de latere data zijn niet in dit rapport opgenomen).

De bedoeling van het langdurig meten was dat daardoor ook seizoensvariaties konden worden onderzocht.

1.2

Opbouw rapport

In hoofdstuk 2 wordt informatie gegeven over het gedrag van de wind in samenhang met de stabiliteit van de atmosfeer. Dit gedrag is cruciaal om te begrijpen waarom windturbines na

Natuurkundewinkel RuG

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

7

zonsondergang meer en vervelender geluid maken dan overdag. Vervolgens wordt het gedrag van de wind in de omgeving van Hoofdplaatpolder beschreven aan de hand van data van regionale KNMI-weerstations. Daarna wordt in hoofdstuk 3 beschreven wat de resultaten zijn van de langdurige metingen in Hoofdplaatpolder. Eerst wordt gekeken naar het gedrag van wind en temperatuur, daarna worden de resultaten gegeven van geluidsmetingen. Vervolgens wordt in hoofdstuk 4 de geluidsproductie van windturbines behandeld: eerst in het algemeen, daarna specifiek voor de windturbines in Hoofdplaatpolder. Daarmee kan de geluidimmissie op punten in de omgeving bepaald worden op de in Nederland gebruikelijke manier: door berekening volgens de Handleiding Meten en Rekenen Industrielawaai, op basis van de geluidsbronsterkte van de turbines en de afstanden tot omwonenden of andere geluidgevoelige locaties. Er wordt echter, in tegenstelling tot wat gebruikelijk is, uitgegaan van reëel windgedrag en niet van alleen een neutrale atmosfeer. Als laatste wordt in dit hoofdstuk nog ingegaan op de metingen uitgevoerd door SPA. Tenslotte wordt in hoofdstuk 5 een overzicht gegeven van het voorafgaande en kan worden geconcludeerd wat volgens de beste inzichten en de vigerende regelgeving de geluidsbelasting is rond het windpark Hoofdplaatpolder.

1.3

Bijdragen

Een deel van de tekst in dit rapport is overgenomen van het stageverslag van Christiaan Kroese van de Hanzehogeschool te Groningen. Hij heeft tijdens zijn stage van februari tot juli 2006 de metingen verzorgd en van de eerste resultaten daarvan verslag gedaan. Die resultaten zijn hier niet meer gebruikt, wel zijn onderzoek van het windklimaat in Zeeuws Vlaanderen en de beschrijving van het meetsysteem. De beschrijving van het verschijnsel atmosferische stabiliteit is ontleend aan eerdere publicaties van de auteur van dit rapport. Bij de genoemde bijdragen is in de tekst de herkomst steeds aangegeven.

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

Natuurkundewinkel RuG

8

2

ATMOSFERISCHE STABILITEIT EN WIND

2.1

Atmosferische stabiliteit1

In een neutrale atmosfeer neemt de temperatuur op een karakteristieke manier af met de hoogte doordat de lucht uitzet vanwege de lagere druk op toenemende hoogte en daarbij afkoelt. Ook de windsnelheid vh neemt in een neutrale atmosfeer op een karakteristieke manier toe met de hoogte h, namelijk volgens de bekende logaritmische formule: vh = vref ⋅log(h/zo)/log(href/zo)

(formule 1)

waarin de ruwheidshoogte zo bepaald wordt door de gemiddelde hoogte van vegetatie of bebouwing, en vref de windsnelheid is op een referentiehoogte href (meestal is href 10 m). De atmosfeer wordt instabiel als overdag de lucht nabij de grond relatief warm is door contact met het door zoninstraling verwarmde aardoppervlak: er ontstaan dan verticale luchtbewegingen. Het windprofiel –de toename van de windsnelheid met de hoogte- is dan niet gelijk aan het neutrale windprofiel, maar de afwijking is niet erg groot. Een stabiele atmosfeer kent echter een duidelijk afwijkend windprofiel. De atmosfeer is stabiel als de lucht nabij de grond relatief koud is door contact met het door warmteuitstraling afkoelende aardoppervlak ’s nachts (tussen zonsondergang en zonsopgang). Dit verschijnsel is in engere zin ook wel bekend als (temperatuur-) inversie. Een stabiele atmosfeer treedt vooral op tijdens niet geheel bewolkte nachten met –aan de grond- niet teveel wind. In een stabiele atmosfeer is de turbulentie sterk verminderd met als gevolg dat luchtlagen minder sterk gekoppeld zijn. De onderste luchtlaag wordt daardoor minder meegenomen door de wind, terwijl op grotere hoogte de wind onder invloed van hoge- en lagedrukgebieden gewoon blijft doorwaaien; de toename van de windsnelheid met de hoogte moet dan dus anders verlopen.

Een simpel model voor de windsnelheid vh op hoogte h is: vh = vref⋅(h/href)m

(formule 2)

De exponent m is een maat voor de stabiliteit van de atmosfeer. Voor een instabiele atmosfeer heeft m een waarde van ca. 0,1, voor een stabiele atmosfeer is m groter dan 0,2. Deze waarden van m (zie ook tabel 1) zijn ontleend aan een Amerikaanse richtlijn voor meteorologische waarnemingen [EPA 2000]. De waarden gelden als een beste benadering voor de stabiliteit per klasse en worden aanbevolen als standaardwaarden voor landelijk (niet dicht bebouwd) gebied.

1

de tekst in deze paragraaf is deels gebaseerd op een artikel in het blad Geluid [Van den Berg 2004]

Natuurkundewinkel RuG

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

9

Tabel 1: stabiliteitsklassen en stabiliteitsexponent m [EPA 2000] stabiliteitsklasse volgens Pasquill

m

A zeer instabiel

0,07

B matig instabiel

0,07

C licht instabiel

0,10

D neutraal

0,15

E licht stabiel

0,35

F matig tot zeer stabiel

0,55

Op grote hoogte, waar de zogenoemde geostrofische wind waait, trekt de atmosfeer zich weinig aan van dag of nacht en blijft de windsnelheid relatief constant. In figuur 1 is weergegeven wat er volgens formule 2 gebeurt met windsnelheden op verschillende hoogtes als de stabiliteit van de atmosfeer toeneemt. De windsnelheid op 100 m hoogte blijft in dit voorbeeld gelijk aan 10 m/s, de stabiliteitsexponent m neemt toe van 0,1 (instabiel) tot 0,57 (zeer stabiel). De windsnelheid op referentiehoogte blijkt af te nemen van 8 naar 3 m/s, op enkele meters hoogte zelfs tot 1 m/s. We kennen dit uit ervaring: bij het vallen van de avond ‘gaat de wind liggen’. Dit geldt echter nabij de grond: op 100 m waait het nog steeds met 10 m/s en op bijv. 80 m hoogte is de windsnelheid nog altijd 9 m/s. De dagelijkse ervaring geldt dus niet voor grotere hoogten. 100 90 80

hoogte in m

70 60 50 stabieler

40 30 20

referentiehoogte

10 0 0

2

4 6 8 windsnelheid in m/s

10

Figuur 1: afname van de windsnelheid op verschillende hoogtes bij toename van de atmosferische stabiliteit terwijl de windsnelheid op 100 m hoogte constant blijft

12

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

Natuurkundewinkel RuG

10

Een stabiele atmosfeer is in de gematigde streken –en dus ook in Nederland- gebruikelijk als de zon onder is. In figuur 2 is aangegeven wanneer de atmosfeer overdag instabiel en ’s nachts stabiel is bij verschillende windsnelheden en bewolkingsgraden (een preciezer overzicht is gegeven in bijlage 2). Daaruit blijkt dat de atmosfeer stabiel is als de hemel voor minder dan 3/4e bewolkt is; als de windsnelheid (op 10 m hoogte) toeneemt komt stabiliteit alleen bij minder bewolking voor, en boven ca. 5,5 m/s komt stabiliteit niet meer voor Door de gebruikelijke opwarming van de bodem overdag en de nachtelijke afkoeling (het meest in de zomer, het minst in de winter) is er een dagelijkse gang in de atmosferische stabiliteit. Bij grote wateroppervlakken verloopt de opwarming en afkoeling van het oppervlak veel trager omdat ook het water onder het oppervlak daaraan mee doet, zodat de atmosferische stabiliteit daar veel meer een seizoensgang heeft: het oppervlak is relatief warm in herfst en winter en relatief koud in lente en zomer. Aan zee is de situatie daardoor ingewikkelder: bij landwind overheerst de dagelijkse gang, bij zeewind ontbreekt die. In figuur 3 is het percentage van tijd gegeven dat de atmosfeer matig tot zeer stabiel is op 12 plaatsen in Nederland. Voor Hoofdplaatpolder mag worden verwacht dat het percentage niet veel zal afwijken van dat van Vlissingen.

Dat wil zeggen dat verwacht wordt dat bij Hoofdplaatpolder gedurende 27% van de tijd een matig tot zeer stabiele atmosfeer wordt verwacht, waarbij de windsnelheid op grotere hoogte dus veel hoger zal zijn dan in een neutrale atmosfeer zou worden verwacht op grond van een windsnelheid op 10 m hoogte.

Figuur 2: vóórkomen van instabiele of neutrale atmosfeer overdag en stabiele of neutrale atmosfeer ‘s nachts (zon onder) als functie van de bewolkingsgraad in octanten en de windsnelheid V op 10 m hoogte [Wieringa, 1983]

Natuurkundewinkel RuG

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

11

Den Helder

Figuur 3: percentage van nachtelijke uren dat atmosfeer (zeer) stabiel is (Pasquill klassen E en F) op 12 plaatsen in Nederland [KNMI 1972]

Vlissingen Schiphol Valkenburg (ZH) Beek Leeuwarden Eindhoven Eelde Deelen Gilze-Rijen T went e Volkel 0

10

20

30

40

50

percentage van tijd dat atmosfeer (zeer) stabiel is

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

Natuurkundewinkel RuG

12

2.2

Windsnelheid op ashoogte

De windsnelheid die men op ashoogte kan verwachten bij een meer of minder bewolkte hemel kan berekend worden uit de windsnelheid op 10 m hoogte met formule 2, door voor m een waarde in te vullen in overeenstemming met de mate van stabiliteit van de atmosfeer (zie tabel 1). In tabel 2 zijn waarden gegeven voor de stabiliteitsexponent voor drie typische situaties boven land: een zonnige dag met een hooguit halfbewolkte hemel, een neutrale atmosfeer, en een hooguit half bewolkte hemel ’s nachts.1 Bij windsnelheden op 10 m hoogte vanaf ca. 6 m/s (12 knopen) is er nog maar weinig verschil in de windsnelheid op 80 m hoogte; alleen bij sterke verwarming (instabiele atmosfeer) blijft de snelheid wat lager dan bij neutrale omstandigheden. Bij lage windsnelheden kan het verschil echter zeer groot zijn: bij een windsnelheid van 3 m/s op 10 m hoogte is de windsnelheid op 80 m hoogte op de zomerdag slechts weinig hoger (3,5 m/s) en komt een Vestas V80 turbine net op gang, terwijl in een enigszins heldere nacht de windsnelheid op 80 m hoogte ruim 9 m/s is waarbij de turbine vrijwel op topsnelheid draait. Een stabiele atmosfeer komt voor bij windsnelheden op 10 m tot ca. 6 m/s, een zeer stabiele atmosfeer alleen bij windsnelheden tot ca. 4 m/s.

In een zeer stabiele atmosfeer kan echter de windsnelheid op ashoogte juist weer hoger worden door de sterkere windschering (overeenkomend met een hoge stabiliteitsexponent). Tabel 2: windsnelheden op 10 en 80 m hoogte, afhankelijk van stabiliteitsexponent m

windsnelheid op 10 m hoogte m/s

2

3

4

5

6

7

vrij krachtig 8

0,07

0,07

0,07

0,07

0,10

0,10

0,10

2,3

3,5

4,6

5,8

7,4

8,6

9,8

0,15

0,15

0,15

0,15

0,15

0,15

0,15

2,7

4,1

5,5

6,8

8,2

9,6

10,9

0,55

0,55

0,35

0,35

0,15

0,15

0,15

6,3

9,4

8,3

10,4

8,2

9,6

10,9

zwak

matig

zomerdag (instabiele atmosfeer)

stabiliteitsexponent m windsnelheid m/s op 80 m hoogte

bewolkt en/of lage zon (neutrale atmosfeer)

stabiliteitsexponent m windsnelheid m/s op 80 m hoogte ’s nachts (stabiele atmosfeer)

stabiliteitsexponent m windsnelheid m/s op 80 m hoogte 1

de Pasquill klassen kunnen worden afgelezen uit de figuren in bijlage 2, de bijbehorende stabiliteitsexponenten m uit tabel 1

Natuurkundewinkel RuG

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

13

2.3

Het regionale windklimaat 1

2.3.1

MEETLOCATIES

Om een beeld te krijgen van het windklimaat in de Hoofdplaatpolder is er gebruik gemaakt van winddata van drie verschillende KNMI meetstations. Deze meetstations zijn gevestigd in Cadzand, Vlissingen en Hoofdplaat.2 Het laatste meetstation bevindt zich op een paal in de Westerschelde, 500 m ten noorden van de dijk bij Hoofdplaat. Het meetstation bij Vlissingen bevindt zich op de landtong tussen buitenhaven en Westerschelde. Het meetstation bij Cadzand bevindt zich op een meetpaal in de Noordzee, ongeveer 300 m van het strand. Alle drie stations staan dus vrijwel op de grens van land en zee. Voor de analyse zijn meetdata uit 2002 gebruikt, omdat dit het meest recente jaar was waarvan de data voor alledrie de stations volledig beschikbaar waren. Bij de KNMI meetstations zijn de waarden gemeten op 10 meter hoogte of teruggerekend naar de waarde die bij 10 m hoort. Figuur 4: KNMI meetstations in Zeeland De data die op deze stations gemeten zijn bestaan uit de gemiddelde windsnelheid per uur en de gemiddelde windrichting per uur (richting in graden, waarbij 0˚ gelijk staat aan het noorden).

2.3.2

WINDSNELHEID PER KOMPASRICHTING

In figuur 5 staan de jaargemiddelde windsnelheden in 2002 afgebeeld per klokuur, met de windsnelheid in dm/s. Hierbij zijn de data op windrichting geselecteerd: 0º tot 90º (noord tot oost), 90º tot 180º (oost tot zuid), 180º tot 270º (zuid tot west) en 270º tot 360º (west tot noord). In figuur 5 is te zien dat bij alle drie de meetstations de windsnelheid gemiddeld het hoogst is bij een ZW wind (180º - 270º) en het laagst bij een ZO wind (90º - 180º), hoewel dat per station niet steeds hetzelfde is. Bij Cadzand blijkt dat er bij windrichtingen waarbij een aflandige wind waait (90º - 180º en 180º - 270º) sprake is van een stabiele atmosfeer: ’s nachts waait het gemiddeld minder hard dan overdag. Vooral bij ZW wind (180º - 270º) is te zien dat het overdag harder waait dan ’s nachts. De meest voorkomende windrichting was hier 190º en dus vrijwel vanuit het zuiden; daarbij komt de wind over land aan. Als bij Cadzand de wind van zee komt (NW: 270º - 360º) is het tegenovergestelde het geval: dan waait het ’s nachts

1

deze paragraaf is gebaseerd op een deel van het verslag dat Christiaan Kroese van de Hanzehogeschool Groningen in 2006 maakte van zijn stage bij de NW 2 coördinaten in Rijksdriehoeksysteem: Cadzand x = 15,010 km, y = 378,610 km; Vlissingen x = 30,475 km, y = 385,125 km; Hoofdplaat x = 35,636 km en y = 377,878 km

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

Natuurkundewinkel RuG

14

Cadzand

85,00 80,00

Vgem (dm/s)

75,00 70,00

0>90 90>180

65,00 60,00

180>270 270>360

55,00 50,00 45,00 40,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

35,00 Tijd (uur)

Vlissingen

85,00 80,00 75,00

Vgem (dm/s)

70,00

60,00

0>90 90>180 180>270

55,00

270>360

65,00

50,00 45,00 40,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

35,00

Tijd (uur)

85,00

Hoofdplaat

80,00

Vgem (dm/s)

75,00 70,00 65,00

0>90

60,00

90>180

55,00

180>270

50,00

270>360

45,00 40,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

35,00 Tijd (uur)

Figuur 5: gemiddelde windrichting per klokuur over alle uren in 2002 op meetstations Cadzand (boven), Vlissingen (midden) en Hoofdplaat (onder), verdeeld naar vier windstreken

Natuurkundewinkel RuG

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

15

gemiddeld harder dan overdag. Bij NO wind (0º - 90º) is weinig verschil tussen dag en nacht op te merken: er is dan sprake van wind over land en over zee, omdat de wind over land aankomt en vervolgens via de Westerschelde bij Cadzand aankomt. Vlissingen wordt uiteindelijk aan alle kanten omringd door land en zee en de wind wordt dus meestal door beide bepaald. In alle windrichtingen blijkt de windsnelheid ’s nachts wat minder dan overdag, maar niet zo sterk als bij een typische landwind. Opvallend is dat bij Vlissingen het windaanbod bij noordelijke richtingen (270º - 360º en 0º - 90º) kleiner is dan bij beide andere stations en dat er ook een duidelijker verschil tussen dag en nacht is: de aanwezigheid van een vaak stabiele atmosfeer ’s nachts boven land (Walcheren) laat zich dus toch gelden. De verdeling van de windsnelheden bij Hoofdplaat lijkt veel op dat bij Cadzand: bij noordelijke winden is er weinig invloed van atmosferische stabiliteit, bij zuidelijke winden is die er wel en uit die zich in een duidelijk dag-nacht verschil. Uit de meetgegevens blijkt dus dat het gemiddelde verschil tussen dag en nacht groter is bij wind over land en kleiner bij wind over zee. Dit is verklaarbaar door de aanwezigheid van water dat een duidelijk dempend effect heeft op temperatuurvariaties en daardoor op de atmosferische stabiliteit.

Als er sprake is van een landwind is duidelijk te zien dat er stabiliteit voorkomt, maar zodra de wind vanaf het water komt wordt de aanwezigheid van stabiliteit juist sterk verminderd.

2.3.3

Windsnelheid per seizoen

In figuur 6 is de gemiddelde windsnelheid op de meetpaal bij Hoofdplaat in 2002 per klokuur uitgezet waarbij de data zijn opgedeeld in de meteorologische seizoenen: winter: 1 december tot en met 28 februari lente: 1 maart tot en met 31 mei zomer: 1 juni tot en met 31 augustus herfst: 1 september tot en met 30 november 80

Wind per seizoen

75 70 V10 (dm/s)

Uit de figuur blijkt dat tijdens de winter gemiddeld de hoogste windsnelheden voorkomen en in de zomer de laagste. In de zomer en in iets mindere mate in lente en herfst, zijn behoorlijke verschillen te zien tussen dag en nacht, wat er op wijst dat een stabiele atmosfeer in deze seizoenen regelmatig voorkomt.

65

Winter Lente

60

Zomer

55

Herfst

50 45 40 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112 131415 161718 192021 222324 Tijd (uur)

Figuur 6: verloop van gemiddelde windsnelheid per klokuur te Hoofdplaat per seizoen

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

Natuurkundewinkel RuG

16

2.3.4

Correlatie tussen meetstations

De KNMI meetpaal bij Hoofdplaat is ongeveer 3 km van het windpark in Hoofdplaatpolder verwijderd. De afstand tussen de stations Cadzand en Hoofdplaat is 20,6 km, tussen stations Vlissingen en Hoofdplaat 8,9 km. Door de correlatie te bepalen tussen de data van Cadzand of Vlissingen met Hoofdplaat kan er een beeld verkregen worden over de samenhang in windsnelheid over deze afstanden. De correlatiecoëfficiënt tussen de derde macht van de windsnelheid (dat is een maat voor het windvermogen) heeft bij Hoofdplaat en Cadzand een waarde van 0,88, bij Hoofdplaat en Vlissingen 0,85. Dat betekent dat de variaties in windsnelheid te Hoofdplaat sterk samenhangen met die te Cadzand en Vlissingen. In figuur 7 zijn deze waarden ingetekend (punten ‘Hp-Cz’ en ‘Hp-Vl’) in een overzicht van correlaties van windvermogens tussen 2080 paren meetstations over geheel Groot Brittanië als functie van de afstand tussen het tweetal stations [Sinden 2005]. Uit de figuur blijkt dat, zoals te verwachten, de correlatie afneemt naarmate de afstand groter wordt. In de grafiek is te zien dat de correlaties in Zeeland goed aansluiten bij de Britse data.

Figuur 7: correlatie tussen variaties in windvermogens (V103) gemeten op Britse weer-stations als functie van de afstand tussen de stations [Sinden, 2005]; bij punten ‘Hp-Vl’ en ‘Hp-Cz’ is de grootte van de correlaties tussen Hoofdplaat, Cadzand en Vlissingen ingetekend

Omdat de afstand tussen meetpaal Hoofdplaat en de windturbines in de Hoofdplaatpolder kleiner is, ongeveer 3 km, zal de correlatie hier nog hoger zijn. Hieruit kan geconcludeerd worden dat de door meetpaal Hoofdplaat gemeten windsnelheid meestal goed overeen zal komen met de windsnelheid in de Hoofdplaatpolder. Dit bevestigt het algemene inzicht dat op korte afstanden (tientallen km’s) het weer ongeveer hetzelfde is en het klimaat nauwelijks verandert.

Natuurkundewinkel RuG

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

17

2.3.5

Mate van vóórkomen van stabiliteitsklassen

In tabel 3 is een overzicht gegeven van het deel van de tijd waarin de verschillende stabiliteitsklassen zijn waargenomen volgens het KNMI, over een netto tijd van ruim 20 jaren [KNMI 1972]. Dag en nacht komen hier overeen met tijden dat de zon op respectievelijk onder is. De waarnemingen bij Vlissingen zullen goed correleren met de omstandigheden in de Hoofdplaatpolder. Ter vergelijking zijn ook gegevens van een binnenlands station (Eindhoven) gegeven, waaruit inderdaad blijkt dat daar ’s nachts een stabielere atmosfeer vaker voorkomt dan aan zee. Toch is de atmosfeer aan zee nog gedurende een kwart van de tijd ’s nachts (zon onder) stabiel, waarvan het grootste deel matig tot zeer stabiel.

Tabel 3: percentage van tijd dat verschillende stabiliteitsklassen voorkomen [KNMI 1972] aan zee (Vlissingen)

binnenland (Eindhoven)

dag

nacht

etmaal

dag

nacht

etmaal

5

-

2

6

-

3

B matig instabiel

16

-

7

15

-

7

C licht instabiel

16

-

7

12

-

5

D neutraal

61

71

67

66

61

63

E licht stabiel

-

10

6

-

10

6

F matig tot zeer stabiel

-

16

9

-

25

14

R onbekend

2

3

3

1

3

3

stabiliteitsklasse volgens Pasquill A zeer instabiel

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

Natuurkundewinkel RuG

18

3

METINGEN HOOFDPLAATPOLDER

3.1

Opstelling en locatie

Op 20 april 2006 is in de Hoofdplaatpolder een meetmast geplaatst met windmeters, thermometers en een geluidmeter. De meetmast bestaat uit een 27 meter hoge vakwerkmast met daarin 2 cup-anemometers, 2 windvanen, 2 thermometers en een geluidmeter. De windsnelheidsmeter en windvaan op 10 meter hoogte zijn bevestigd op een arm die twee meter buiten de mast uitsteekt. Dit is gedaan om invloeden van de mast op de meting van windsnelheid en -richting te reduceren. Deze arm is aan de zuidwest kant van de mast geplaatst, de meest voorkomende windrichting. De hooggeplaatste windmeters waren bevestigd op een staak die 75 cm boven de masttop uitstak. Verdere gegevens van de apparatuur zijn vermeld in bijlage 1. In figuur 8 is de positie van de meetmast gegeven, tezamen met die van de windturbines (voor de coördinaten van de windturbines zie tabel 7 in paragraaf 4.3.3). De kaart bestrijkt het gebied tussen x-coördinaten 30 en 34 km en y-coördinaten 375 en 379 km. De meetmast is geplaatst op land met lage begroeiing zonder verstorende objecten. Het land werd tijdens plaatsing van de mast gebruikt om graszaad te kweken, in het najaar werd in een deel graan gezaaid en een ander deel omgeploegd. De dichtstbijzijnde hoge begroeiing zijn de hoge bomen langs de Hogewegdijk 450 m ten oosten van de meetmast. Ten westen van de mast is een boomgaard met lage kersenbomen.

In figuur 9 is de ruwheidshoogte weergegeven van hetzelfde gebied als in figuur 8 in vakken van 100m x 100m op basis van KNMI-gegevens [KNMI 2000]. De ruwheidshoogte bedraagt gemiddeld 9 cm en ligt overal (m.u.v. de bebouwing te Slijkplaat en Sasput) onder de 20 cm.

Figuur 8: locatie meetmast en windturbines in de Hoofdplaatpolder

Figuur 9: ruwheidshoogte in gebied in en rond Hoofdplaatpolder

Natuurkundewinkel RuG

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

19

27 meter: Windmeter V27 (27,75 m) Windvaan D27 (27,75 m) Thermometer T27 (27,60 m)

10 meter: Windmeter V10 (10 m) Windvaan D10 (10 m)

5 meter: Microfoon voor geluidsmeter (5 m) Voet : Datalogger Geluidsmeter Thermometer T2 (2,1 m) Figuur 10: meetmast met instrumentatie

3.2

Meetperiode

Dit rapport behandelt metingen over de periode van 20 april 2006 tot 3 december 2006, dat wil zeggen over een periode van 227 dagen. In deze meetperiode heeft de apparatuur om diverse redenen gedurende korte perioden geheel of gedeeltelijk niet gefunctioneerd. In de tijdvakken 21 mei/10:24 – 2 juni/21:12, 27 juni/13:23 – 30 juni/12:33, 6 augustus/14:40– 13 augustus/11:14, en 3 september/9:07– 10 september/13:51 (totaal 29,5 dagen) is er niets gemeten. Op 3 juni werd van 11:07 tot 22:12 uur geen geluid gemeten en van 29 april, 13:39 tot 9 mei, 9:02 werd geen hoge temperatuur (T28) gemeten. De lage windsnelheidsmeter (V10) heeft gedurende een deel van de tijd soms zeer afwijkende waarden aangegeven, hetgeen achteraf bleek te liggen aan water in de meter dat bij harde NW-wind (alleen dan traden de hoge waarden op) voor een te hoge signaalwaarde zorgde. Deze waren echter goed herkenbaar en zijn uit de data verwijderd. In totaal waren er daardoor van de 65032 meetblokken van 5 minuten van 7020 meetblokken geen meetgegevens van de windsnelheid V10. Uiteindelijk bleven er 46074 meetblokken (160

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

Natuurkundewinkel RuG

20

dagen) over met correcte meetgegevens van alle meters. In figuur 11 zijn deze zichtbaar doordat er op die momenten waarden zijn gegeven. In figuur 11 is over de meetperiode een registratie gegeven van het temperatuurverschil tussen 4 m en 28 m hoogte. Overdag is meestal de temperatuur van de bodem hoger dan die van lucht, ’s nachts is dat meestal juist omgekeerd. Het gevolg is dat het verschil T4 - T28 overdag meestal positief is (grond warmer), ’s nachts meestal negatief (grond koeler). Zoals uit figuur 11 blijkt kan de lucht op lage hoogten sterk afkoelen (grote negatieve waarde van T4 - T28) hetgeen typisch is voor temperatuurinversies welke een uiting zijn van hoge atmosferische stabiliteit.

Figuur 11: temperatuurverschil tussen 4 m en 28 m hoogte over gehele meetperiode

3.3

Verloop temperatuur en windsnelheid

In figuur 12 is het verloop gegeven van de gemeten temperatuur en windsnelheid, gemiddeld per klokuur en verdeeld over drie seizoenen. Duidelijk zichtbaar is de dagelijkse gang in de temperatuur en windsnelheid, veroorzaakt door de dagelijkse opwarming en nachtelijke afkoeling van de bodem. De verhouding tussen de windsnelheden op 28 m en op 10 m hangt daar direct mee samen: overdag is deze vaak wat lager dan 1,2, ’s nachts meestal aanzienlijk hoger. De waarde van de windsnelheidsverhouding V28/V10 in een neutrale atmosfeer (rechte onderbroken streep in figuur 12 rechtsonder) volgt uit formule 2: m = 0,15 invullen geeft V28/V10 = 1,17. Nagenoeg dezelfde waarde volgt uit het logaritmische windprofiel die immers juist geldt in een neutrale atmosfeer: met een ruwheidshoogte zo = 5 tot 10 cm geeft formule 1 een verhouding V28/V10 = 1,19 tot 1,22.

Natuurkundewinkel RuG

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

21

T28 (grC) 25

V28 (m/s) 8

20

6

15 4 10 2

LENTE

5

LENTE ZOMER

ZOMER

daguur

0 0

6

12

HERFST

HERFST

daguur

0 18

0

24

T4 (grC) 30

6

12

18

24

V10 (m/s) 8

25

6 20 15

4

10

2

LENTE

5

LENTE ZOMER

ZOMER

daguur

0 0

6

12

0 18

24

Figuur 12: links: uurgemiddelde luchttemperaturen op 28 m hoogte (boven) en 4 m hoogte (midden); rechts: uurgemiddelde windssnelheden op 28 m hoogte (boven) en 10 m hoogte (midden), en de verhouding van beide snelheden (onder); onderbroken grijze streep rechtsonder is de snelheidsverhouding in een neutrale atmosfeer bij een ruwheidshoogte van 5 à 10 cm

HERFST

daguur

HERFST

0

6

12

18

24

V28/V10 2,0

1,5

1,0 LENTE ZOMER HERFST neutraal

daguur

0,5 0

6

12

18

24

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

Natuurkundewinkel RuG

22

Het verband tussen de atmosferische stabiliteit en de nachtelijke afkoeling is verder af te leiden uit figuur 13 waar de afzonderlijke waarden per 5 minuten meettijd zijn uitgezet van het verschil dT tussen de temperaturen op 4 m en 28 m hoogte en de stabiliteitsexponent m (m is bepaald m.b.v. formule 2: m = log(28/10)/log(V28/V10) ) Daarbij zijn de waarden met (nagenoeg) windstilte (V10 < 1 m/s en V28 < 2 m/s) weggelaten. Duidelijk is dat de waarden behoorlijk spreiden en dat er vooral overdag zelfs negatieve waarden van m voorkomen, hetgeen betekent dat V28 < V10. Binnen temperatuurverschil-klassen (dT-klassen) van 1 °C (-2 tot -1 °C, -1 tot 0 °C, enz.) zijn de mediane waarden1 Figuur 13: x: stabiliteitsexponent m als functie van het bepaald van zowel dT als m, temperatuurverschil dT op 4 m en 28 m hoogte; ●: de mediane in figuur 13 weergegeven waarden van m en dT per klasse van 1 °C (1-2, 2-3, 3-4, enz.); als dikke zwarte symbolen grafiek onder : percentage van voorkomen (=getal bij (verbonden door zwarte symbolen) van elke temperatuurklasse lijn).

De mediane waarden zijn in overeenstemming met de verwachting (zie tabel 1): - bij een relatief warme bodem (dT < -0,5 °C; instabiele atmosfeer) heeft m gemiddeld een waarde van 0,04 tot 0,1; - bij een relatief koude bodem (dT > 0,5 °C; stabiele atmosfeer) heeft m gemiddeld een waarde van 0,33 tot 0,47; - daartussen zijn de temperatuursverschillen gering (neutrale atmosfeer) en bedraagt m gemiddeld tussen 0,1 en 0,2. Een stabiele atmosfeer komt volgens deze metingen gedurende 13,5 % van de totale tijd voor (= som van percentages vermeld bij dT > 0,5 °C in figuur 13). Dat komt goed overeen met de eerder bepaalde prevalentie van Pasquill-klassen E en F, nl. 15% (zie tabel 3: 6% + 9%) van alle uren.

1

de mediane waarde ligt ‘halverwege’ alle waarden: van alle waarden ligt 50% boven de mediaan en 50% eronder

Natuurkundewinkel RuG

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

23

3.4

Gemeten geluidsniveaus

Op de meetmast is ook het niveau gemeten van het omgevingsgeluid. Dit bevat alle geluid, niet alleen van de windturbines, maar ook van onder andere vegetatie, vervoermiddelen en agrarische activiteiten en van wind op de microfoon(bol). In figuur 14 is een registratie gegeven van het gemeten geluidsniveau als functie van de windsnelheid op 10 m hoogte gedurende het etmaal tussen 12 uur, 5 juli en 12 uur, 6 juli 2006. Daarbij is weergegeven het equivalente geluidsniveau (Leq) per meetblok van 5 minuten, alsmede twee percentielwaarden (L5 en L95)1 waartussen steeds 90% van alle meetwaarden in de betreffende 5-minuten periode liggen. Daarnaast is in figuur 14 ook de windsnelheid op 10 m hoogte gegeven. Uit de figuur blijkt dat er overdag een flinke spreiding is in de meetwaarden (L5 – L95 > 10 dB), maar dat deze ’s nachts afneemt en vaak, als er geen stoorgeluid is, minder dan 5 dB bedraagt. In dat laatste geval is er kennelijk een relatief constante geluidsbron, waarvoor alleen het windpark in aanmerking kan komen.

Overeenkomstig deze eerder gebruikte analysemethode [Van den Berg 2006] kunnen aldus de meetblokken geselecteerd worden waarin het windturbinegeluid dominant is door te selecteren op een beperkte spreiding van het geluidsniveau; daarbij is weer gekozen voor een spreiding van maximaal 4,0 dB (L5 – L95), hetgeen in een normale verdeling correspondeert met een standaarddeviatie van het geluidsniveau van 1,2 dB. De forse toename in het geluidsniveau in figuur 14 tussen 1 en 3 uur ’s nachts hangt samen met een plotselinge toename van de windsnelheid op 80 m, ondanks dat daarvan in de windsnelheid op 10 m hoogte vrijwel niets te zien is.

Figuur 14: registratie over één etmaal van het equivalente geluidsniveau Leq en van de percentielwaarden L5 en L95 en windsnelheid op 10 m hoogte; de vaak beperkte spreiding in meetwaarden vanaf ca. 21 uur tot ca. 01 uur duidt op een relatief constante geluidsbron

1

het 5-percentiel L5 is die waarde waarboven 5% van alle waarden liggen; in deze metingen liggen dus 5% van 150 meetwaarden (elke 2 seconden binnen een 5-minuten periode) boven het L5, 95% ligt eronder; bij het L95 ligt juist 95% erboven, 5% eronder

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

Natuurkundewinkel RuG

24

In figuur 15 is het gemeten equivalente geluidsniveau uitgezet van alle 5-minuten meetblokken die voldoen aan de volgende selectiecriteria: - alleen formele nachturen: alleen blokken die zijn gemeten tussen 23 en 07 uur. - stabiele atmosfeer: de stabiliteitsexponent m (bepaald uit de windsnelheden op 10 m en 28 m hoogte) heeft een waarde van tenminste 0,25. - de windsnelheid op 80 m hoogte bedraagt tenminste 5 m/s De nachtperiode bevat in totaal bijna 1300 uur netto meettijd (15836 correcte meetblokken à 5 minuten). Na selectie op stabiliteit en voldoende windsnelheid resteren er nog 6103 meetblokken (38,5%). In figuur 15 is deze selectie ingetekend met lichtgrijze symbolen. Vervolgens is geselecteerd op beperkte spreiding (L5 - L95 ≤ 4 dB), welke in figuur 15 met zwarte symbolen is weergegeven; dit betreft 3537 meetblokken oftewel 22% van de totale (netto) meettijd ’s nachts. Uit de figuur blijkt dat bij de selectie op beperkte spreiding van het geluidsniveau (dus niet op de hoogte van het geluidsniveau) nagenoeg alle meetwaarden boven 50 dB(A) verdwijnen.

equivalent geluidsniveau in dB(A)

80

70

60

50

40

30 0

2

4 windsnelheid V10 in m/s

6

Figuur 15: grijze symbolen: gemeten equivalente geluidsniveau bij meetmast bij stabiele atmosfeer (m > 0,25); bij de zwarte symbolen is bovendien het geluidsniveau relatief constant (L5 – L95 ≤ 4 dB)

8

Natuurkundewinkel RuG

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

25

4

UITGANGSPUNTEN BIJ DE BEPALING VAN DE GELUIDSBELASTING

4.1

Voornaamste oorzaak van windturbinegeluid

Geluid van windturbines is afkomstig van mechanische onderdelen in de turbine zoals de overbrenging en generator, en van het aërodynamische geluid van de rotorbladen. Deze laatste bron is bij moderne, grote windturbines de dominante geluidsbron. De aërodynamische geluidsproductie neemt sterk toe met de snelheid waarmee de lucht over de rotorbladen stroomt, waardoor vooral de snellopende bladtips het meeste geluid produceren en meer naarmate het toerental toeneemt. De rotorbladen van een windturbine draaien door gebruik te maken van lift. Door de vorm van het rotorblad wordt de luchtstroom afgebogen en Wervelinge ontstaat er een drukverschil tussen de onder en bovenkant van het rotorblad. Dit drukverschil zorgt ervoor dat het rotorblad beweegt. Om hier zo effectief mogelijk gebruik van te maken kan een windturbine de invalshoek van de rotorbladen veranderen. Als de invalshoek niet optimaal is ontstaan er meer en grotere Figuur 16: dwarsdoorsnede van wiek met aan de achterzijde luchtwervels achter het de turbulente grenslaag die geluid uitstraalt; als de wiek rotorblad en daarmee meer schuiner staat t.o.v. de instromende lucht is de grenslaag geluid (bij gelijk toerental). dikker en ontstaat er meer geluid [Van den Berg 2007] Grote windturbines hebben vaak een ashoogte van 80 tot 100 meter, en rotorbladen met een lengte van 40 meter.

Dit betekend dat de rotorbladen een hoogteverschil doorlopen van (2 maal 40 =) 80 meter. De invalshoek van de wind op elk rotorblad is afhankelijk van de heersende windsnelheid en de rotatiesnelheid van het blad. De rotor als geheel wordt aangedreven door de gemiddelde windsnelheid over de rotor, die ongeveer gelijk is aan de windsnelheid op ashoogte. Dichter bij de grond is de windsnelheid meestal echter lager, waardoor de invalshoek van de wind op het rotorblad op ashoogte wel optimaal is, maar onderin het rotorvlak niet. Hierdoor ontstaan bij het passeren van de lagere luchtlagen meer

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

Natuurkundewinkel RuG

26

luchtwervels aan de achterrand van de wiek en dus ook meer geluid. Dit effect wordt versterkt als het rotorblad de mast van de turbine passeert: de mast fungeert als een obstakel die de wind extra vertraagt. Het resultaat is een variërend geluid dat een impulsachtig, “stampend” karakter krijgt als de snelheidsverschillen over de rotor voldoende groot zijn. Vooral bij een stabiele atmosfeer zijn windturbines om twee redenen lawaaiig. Ten eerste is het verschil in windsnelheid tussen de hoger en lager gelegen luchtlagen groter, waardoor de invalshoek van de rotorbladen bij het passeren van de luchtlagen dichter bij de grond niet optimaal is en er een ritme in het geluid ontstaat: het ‘stampen’ of ‘klappen’ van de wieken. Ten tweede is bij een stabiele atmosfeer de windsnelheid op rotorhoogte vaak hoog en aan de grond juist laag, waardoor er minder achtergrondgeluid is van het ritselen van gewas terwijl de windturbine dan juist veel geluid produceert. Een eigenschap van een stabiele atmosfeer is verder dat er weinig variaties in de wind zijn, en de windsnelheid over grotere afstanden gelijk is. Dit kan er voor zorgen dat meerdere windturbines in een windpark bijna synchroon gaan draaien, en op ongeveer hetzelfde moment geluidspulsen veroorzaken die elkaar kunnen versterken [Van den Berg 2006].

4.2

Geluidsproductie van Vestas V80 windturbines

4.2.1

SAMENHANG MET WINDSNELHEID

De vijf windturbines in de Hoofdplaatpolder zijn driebladige Vestas V80 turbines met een ashoogte van 78 m, een rotordiameter van 80 m en een maximaal elektrisch vermogen van 2,0 MW elk. De turbines zijn in eigendom van WEOM (Wind Energie Ontwikkelings Maatschappij) te Veenendaal en de agrarische ondernemers Dekker en Mocking te Hoofdplaat. De Vestas V80 is een windturbine met een toerental dat varieert tussen 9,0 en 19,0 rpm (omwentelingen per minuut). Bij toenemende productie zijn een aantal stadia te onderscheiden (N.B.: hieronder wordt steeds de windsnelheid op 10 m hoogte bedoeld, de uitspraken gelden in een neutrale atmosfeer boven laag gewas): 1 bij een windsnelheid van 4 m/s is het toerental 9 rpm en begint de turbine elektrisch vermogen te produceren; ook beginnen de wieken dan aërodynamisch geluid op te wekken. 2 bij verder toenemende windsnelheid neemt het toerental toe tot een maximum van 19 rpm; tegelijk neemt ook het geproduceerde elektrische vermogen toe alsmede de hoeveelheid geluid.

3 bij een windsnelheid van ongeveer 8 m/s bereikt het toerental de maximale waarde van 19 rpm en wordt het meest efficiënt elektriciteit opgewekt; bij verder toenemende windsnelheid wordt de vaanstand van de wieken zodanig gewijzigd dat het toerental constant blijft en neemt de hoeveelheid geproduceerd elektrisch vermogen verder toe, maar door de minder optimale vaanstand neemt de efficiency van de opwekking af en zal de geluidsproductie toenemen.

Natuurkundewinkel RuG

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

27

4

bij ongeveer 15 m/s wordt het maximale elektrische vermogen bereikt en bij 25 m/s wordt de windturbine gestopt om schade te voorkomen. In figuur 17 is aangegeven hoe het geluidsvermogen en toerental zich bij de V80 ontwikkelen als functie van de windsnelheid. De windsnelheid ligt in Nederland verreweg het grootste deel van de tijd beneden 8 m/s.

4.2.2

BRONSTERKTE

De bronsterkte (ook wel ‘bronvermogen’ en officieel: geluidvermogensniveau) van een Vestas V80-2MW met een ashoogte van 78 m is in figuur 18 weergegeven als functie van de windsnelheid op 10 m hoogte en in een neutrale atmosfeer. De curve met label SPA is zoals weergegeven in bijlage 7 (zonder bronvermelding) van een rapport van SPA [SPA 2005], die met label HMK is uit een rapport van HayesMcKenzie Partnership [HMK]. De overige curven zijn uit een rapport van Vestas zelf [Vestas 2004] en

niveau geluidsvermogen in dB(A)

De geluidsproductie van de V80 Figuur 17: geluidsvermogen (boven) en toerental (onder) wordt vooral bepaald door de als functie van de windsnelheid op 10 m hoogte snelheid van de wiektips en dus [brochure Vestas “V80-2.0MW”] door het toerental, maar daarnaast ook door de stand van de wieken ten opzichte van de inkomende wind: als die minder optimaal is neemt de geluidsproductie toe. Met behulp van Optispeed, een regelmechanisme voor een lager geluidsniveau dat vóór installatie van de turbine kan worden ingesteld, is het mogelijk het toerental te verlagen zodat de geluidsproductie afneemt. Daarbij kan gekozen worden uit een aantal instellingen (modi). Het opgewekte elektrische vermogen neemt daardoor echter ook (hoewel in betrekkelijk bescheiden mate) af. Voorzover bekend is een dergelijke regeling niet toegepast bij de turbines in Hoofdplaatpolder. 110 105 100

SPA 10 5,1d B (A) 10 4 d B (A) 10 2 ,5d B (A)

95

10 2 d B (A) 10 1d B (A) HM K

90 2

4

6 8 windsnelheid in m/s

10

12

Figuur 18: ontwikkeling van de bronsterkte van een Vestas V80-2MW met een ashoogte van 80 m volgens drie bronnen [SPA, Vestas, HMK] en in verschillende operationele modi (xxx dB(A))

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

Natuurkundewinkel RuG

28

geven de verschillende operationele modi weer die kunnen worden ingesteld om de geluidsproductie te beperken. Volgens Vestas is de nauwkeurigheid van de opgegeven bronsterkten ± 2 dB, dus ten opzichte van de door de fabrikant gegeven bronsterkten kan een geleverde turbine maximaal 2 dB daarvan afwijken [Vestas 2004]. Voorzover bekend wordt bij de turbines in Hoofdplaatpolder de hoogste modus (105.1dB(A)) gebruikt; bij windsnelheden tot 8 m/s komt deze nagenoeg overeen met de door SPA gebruikte curve. Het is onduidelijk waarom de 105.1 dB(A) curve volgens Vestas bij hogere windsnelheden verschilt van die volgens SPA; voor dit rapport is dit echter van ondergeschikt belang omdat vooral de lagere windsnelheden van belang zijn. In figuur 19 is de spectrale verdeling (in octaafbanden) weergegeven van het geluidvermogensniveau volgens [HMK], bij windsnelheden oplopend van 2 tot 12 m/s (10 m hoogte, neutrale atmosfeer). De vorm van het spectrum is nagenoeg constant (ook in de verschillende operationele modi); voor de berekening van geluidsniveaus in de omgeving kan daarom met één spectrum worden volstaan. De geluidsniveaus en spectrale vorm die in dit rapport gebruikt zullen worden zijn vermeld in tabel 4. vermogensniveau in dB(A)

105

12 11

95

10 9

85

8 7 6

75

5 4

65

3 2

55 63

125

250

500

1000 2000

4000

8000

LWA

middenfrequentie octaafband in Hz

Figuur 19: spectrale verdeling van het geluidvermogensniveau van een Vestas V80-2MW bij windsnelheden van 2 t/m 12 m/s[HMK]; geheel rechts in grafiek het totale niveau LWA

Tabel 4: gegevens geluidvermogensniveau Vestas V80-2MW, 80 m ashoogte [Vestas, HMK] windsnelheid op 10 m hoogte

m/s

4

5

6

7

8

9

10

windsnelheid op 80 m hoogte in neutrale atmosfeer

m/s

5,6

7,0

8,4

9,7

11,1

12,5

13,9

geluidvermogensniveau LW

dB(A)

98,8

99,6

103,0

104,2

105,0

104,9

103,8

Hz

63

125

250

500

1000

2000

4000

dB(A)

-18,7

-11,4

-6,2

-4,8

-9,2

-7,5

-14,3

frequentie geluidvermogensniveau per octaafband t.o.v. LW

Natuurkundewinkel RuG

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

29

4.2.3

BRONSTERKTE EN WINDSNELHEID OP 10 M HOOGTE

De relatie tussen de windsnelheid op ashoogte en de bronsterkte kan bepaald worden uit tabel 4 en is te beschrijven met een derdegraadsvergelijking binnen het bereik 5 < V80 < 11 m/s: LW = 36,0 + 17,09·V80 – 1,415·V802 + 0,0391·V803 dB(A)

(formule 3)

In tabel 5 is de aldus berekende bronsterkte vermeld behorende bij de wind op ashoogte als de atmosfeer neutraal is wat de gebruikelijke aanname is bij het berekenen van het geluidsniveau tengevolge van windturbines. Verder is ook de bronsterkte vermeld bij dezelfde windsnelheid op 10 m hoogte, maar met een stabiele atmosfeer. Daarbij zijn de gegevens uit tabel 2 gebruikt en is steeds uitgegaan van de hoogst mogelijke stabiliteitsklasse bij de desbetreffende windsnelheid V10 (dus klasse F als V10 ≤ 3 m/s, klasse D als V10 ≥ 6 m/s, klasse E daartussenin). Zoals hieronder (par. 4.3) wordt betoogd zijn dit de maatgevende omstandigheden voor het vaststellen van de geluidsbelasting. Uit tabel 5 blijkt dat bij lage windsnelheden nabij de grond (V10 < 6 m/s) de bronsterkte in een stabiele atmosfeer aanzienlijk hoger is dan in een neutrale atmosfeer; vanaf een windsnelheid van 6 m/s (V10) is er geen verschil meer. De afname in de bronsterkte als de windsnelheid toeneemt van 3 naar 4 m/s wordt veroorzaakt doordat de atmosfeer bij 3 m/s nog zeer stabiel kan zijn, maar bij 4 m/s alleen maar matig stabiel. Bij een zeer stabiele atmosfeer is de wind op grotere hoogte naar verhouding hoger dan bij een matig stabiele atmosfeer. Een vergelijkbaar proces doet zich voor bij de overgang van 5 naar 6 m/s.

Tabel 5: windsnelheden op 10 en 80 m hoogte in een neutrale en stabiele atmosfeer, en bijbehorende bronsterkten van een Vestas V80-2MW windsnelheid op 10 m hoogte

m/s

2

3

4

5

6

7

8

stabiliteitsexponent m

-

0,15

0,15

0,15

0,15

0,15

0,15

0,15

windsnelheid op 80 m hoogte

m/s

2,7

4,1

5,5

6,8

8,2

9,6

10,9

bronsterkte

dB(A)

-

-

93,6

99,2

102,6

104,3

104,9

F

F

E

E

D

D

D

neutrale atmosfeer

stabiele atmosfeer stabiliteitsklasse stabiliteitsexponent m

-

0,55

0,55

0,35

0,35

0,15

0,15

0,15

windsnelheid op 80 m hoogte

m/s

6,3

9,4

8,3

10,4

8,2

9,6

10,9

bronsterkte

dB(A)

97,2

104,2

102,7

104,7

102,6

104,3

104,9

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

Natuurkundewinkel RuG

30

4.3

Geluidsbelasting op woningen

4.3.1

BEOORDELING VOLGENS REGELGEVING1

Windnormcurve WNC Het Besluit Voorzieningen en Installaties Milieubeheer (Besluit V&Im) geeft voor het geluid van windturbines grenswaarden die afhankelijk zijn van de windsnelheid gemeten op 10 m hoogte. De grenswaarden volgen de zogenoemde WindNormCurve of WNC (zie tabel 6). Bij zwakke wind (0-2 m/s, 1 Beaufort) sluit de grenswaarde (van 40 dBA) aan bij de in veel Algemene Maatregelen van Bestuur gebruikelijke nachtelijke grenswaarden voor bedrijfslawaai en bij de algemene streefwaarde voor een rustige of gemengde woonwijk volgens de Handreiking Industrielawaai en Vergunningverlening. Bij toenemende windsnelheid neemt de grenswaarde toe tot 50 dB(A) bij 12 m/s (krachtige tot harde wind, 6 Beaufort). Hierbij is impliciet verondersteld dat er een vast verband is tussen de windsnelheid gemeten op 10 m hoogte en op andere hoogtes; dat verband is echter alleen correct in een neutrale, niet in een stabiele atmosfeer. Het Besluit V&Im berust dus op verkeerde opvattingen over hoe de wind zich gedraagt, maar zolang het van kracht is moet daar wel aan getoetst worden. Tabel 6: grenswaarden voor windturbinegeluid volgens Besluit voorzieningen en installaties Milieubeheer windsnelheid op 10 m hoogte in m/s grenswaarde in dB(A)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

40

40

41

41

42

42

43

44

46

47

48

50

De grenswaarde van 40 dB(A) sluit dus aan bij nachtelijke grenswaarden in andere AMvB’s, maar wijkt af van de richtwaarde van 30 dB(A) die de Handreiking Industrielawaai en Vergunningverlening (HI&V) geeft voor (stil) landelijk gebied. Door een nadere eis te stellen kan het bevoegd gezag wel een lagere grenswaarde verlangen dan die volgens de WNC. De MER Windenergie van de provincie Zeeland van juli 1998 vermeldt gemeten niveaus van het achtergrondgeluid in een aantal mogelijk voor windenergie geschikte gebieden in Zeeland. In de Hoofdplaatpolder is een achtergrondniveau van overdag 32 dB(A) bepaald. ’s Avonds en ’s nachts was het achtergrondniveau 28 resp. 27 dB(A), in overeenstemming met de karakterisering van stil platteland volgens de HI&V. Deze niveaus werden gemeten bij windsnelheden van 2 tot 4 m/s (op 5 m hoogte), hetgeen relevant is voor de situatie waarbij de atmosfeer (zeer) stabiel is.

Bedrijfssituatie Volgens het Besluit Voorzieningen & Installaties milieubeheer ‘kan elke windsnelheid aangemerkt worden als zijnde een afzonderlijk te beoordelen bedrijfssituatie met een aparte normwaarde en een apart te beoordelen geluidniveau’ (toelichting Besluit, par. 5.1.3; het 1

deze paragraaf is grotendeels overgenomen van het oorspronkelijke onderzoeksvoorstel (zie bijlage 3)

Natuurkundewinkel RuG

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

31

betreft hier de 10-m windsnelheid). Vervolgens kunnen we vaststellen dat in de nachtperiode de normen het laagst zijn, zodat het voldoen aan normen in de nachtperiode de strengste eisen oplegt. De nacht is hier de periode van 23:00 tot 7:00 uur. Het Besluit V&Im veronderstelt impliciet dat een bepaalde 10-m windsnelheid eenduidig samenhangt met een immissieniveau bij die windsnelheid en dat daarbinnen dus geen (belangrijke) variatie is in de bedrijfssituatie. Deze bedrijfssituatie is in die opvatting dan ook de representatieve situatie (zie hieronder). In werkelijkheid is er echter bij één waarde van V10 een variatie aanwezig in immissieniveaus, die zeer groot kan zijn bij relatief lage windsnelheden V10 (< 6 m/s), en veel kleiner bij hoge windsnelheden. Er is geen voorschrift hoe uit deze verschillende niveaus een beoordelingsniveau te bepalen, zodat nog bepaald moet worden hoe uit de verschillende geluidsniveaus die optreden een maatgevend geluidsniveau moet worden afgeleid. Maatgevend daarbij moet zijn de geluiduitstraling in de representatieve bedrijfssituatie. Representatieve bedrijfssituatie Volgens par. 5.3 van de Handreiking (HI&V) dienen de geluidsvoorschriften “(mede) te zijn afgestemd op de geluidsemissie die de inrichting onder normale omstandigheden veroorzaakt, veelal aangeduid als de ‘representatieve bedrijfssituatie (RBS)’”.

Bij een veranderlijke geluidsuitstraling zal de RBS “betrekking hebben op een voor de geluidsuitstralende kenmerkende bedrijfsvoering bij volledige capaciteit van de inrichting” (par. 5.3; mijn cursivering). Bij hogere emissies dan die in de RBS, maar met een beperkte frequentie (maximaal één dag-, avond- of nachtperiode per week) kan, na bestuurlijke afweging, een hogere grenswaarde worden vastgelegd: “daarbij zal het feit of er in die situaties sprake is van hinder en zo ja, in welke mate en frequentie, een belangrijke rol spelen”. Tenslotte kan volgens de HI&V ontheffing worden verleend als zich maximaal 12 maal per jaar binnen steeds een etmaal bijzondere activiteiten (incidentele bedrijfssituaties) voordoen die niet tot de RBS worden gerekend (par. 5.3 HI&V). De Handleiding Meten en Rekenen Industrielawaai van 1999 (HMRI99) stelt dat bij de RBS “de resultaten kenmerkend moeten zijn voor de geluidssituatie over een beoordelingsperiode” (par. 5.2 HMRI). De beoordelingsperiode “betreft in het algemeen de dag-, avond- en/of nachtperiode” (par. A-7.2.1); standaard worden hiervoor de etmaalperioden tussen 07:00 en 19:00 uur, 19:00 en 23:00 uur en 23:00 en 7:00 uur genomen.

Uit het voorgaande blijkt dat bij bedrijfslawaai de representatieve bedrijfssituatie, per etmaalperiode, door de hoogst optredende geluidsproductie wordt bepaald, waarbij verhogingen daarop door incidenten maximaal 12 dagen per jaar kunnen zijn toegestaan. Na bestuurlijke afweging kan ontheffing worden verleend voor een hogere emissie mits die hooguit éénmaal per week voorkomt. Toegepast op een windpark betekent dit dat het maximale niveau (per V10-windsnelheidsklasse) maatgevend is, tenzij kan worden aangetoond dat de verhogingen incidenten zijn, bijvoorbeeld door weersomstandigheden die buiten het gebruikelijke patroon vallen. Het maximale niveau treedt op bij de hoogste windsnelheid op de rotor, dus bij maximale atmosferische stabiliteit. De stabiliteit kan

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

Natuurkundewinkel RuG

32

daarbij volgens Pasquill in klassen worden ingedeeld. Als representatieve bedrijfssituatie (RBS) geldt derhalve in elke bedrijfssituatie (V10-windsnelheidsklasse) de hoogst mogelijke stabiliteitsklasse. Deze zijn weergegeven in tabel 5. Snelheid van variaties Uit de (op de hierboven genoemde wijze) vastgestelde gegevens kan bepaald worden wat per V10-klasse de maximaal optredende immissieniveaus zijn en of zij eventueel als incidenteel kunnen worden aangemerkt (zo ja, dan wordt een maximum bepaald na verwijdering van de incidenten). Het is gebruikelijk dat er over kortstondige variaties wordt gemiddeld. Wind varieert door turbulentie relatief sterk binnen een tijdsspanne van ca. 10 minuten, dus een middelingsperiode van minstens 10 minuten ligt tenminste voor de hand. Het lijkt redelijk een nog wat langere periode van 1 uur te nemen omdat verwacht mag worden dat er ook binnen een uur geen grote veranderingen zijn en bovendien weerstatistieken per uur het meest algemeen zijn. Een periode langer dan 1 uur is niet aan te bevelen omdat dan de kans op grotere variaties in windsnelheid weer begint toe te nemen en de gegevens dan niet meer in windsnelheidsklassen van 1 m/s zijn te groeperen. In de RBS zullen de per uur gemiddelde geluidsniveaus binnen een etmaalperiode toch nog variëren door variaties in de windsnelheid en stabiliteit.

In de RBS zal over deze variaties worden gemiddeld, zoals ook gebruikelijk bij ander bedrijfslawaai als het gaat om inherente variaties die niet geclassificeerd kunnen worden als verschillende bedrijfssituaties. Als een verhoging niet meer dan één keer per week voorkomt, dan kan het bevoegd gezag een hogere grenswaarde voorstellen dan de algemeen geldende geluidvoorschriften. Het is echter onwaarschijnlijk dat dit het geval is: door de afwisseling van hoge en lagedrukgebieden met een typische opvolgingstijd van enkele dagen tot een week zullen omstandigheden met een bepaalde geluidsbelasting zich vaak gedurende een aantal nachten voordoen, waarna dan weer verandering optreedt. Hoge geluidsniveaus zullen zich dus meestal niet beperken tot hooguit één nacht per week. Overigens kan het bevoegd gezag ook een lagere grenswaarde vaststellen. Dat is, gezien het feit dat windparken vaak in een rustige plattelandsomgeving staan, niet ondenkbaar. De HI&V geeft als ‘mogelijke grenswaarde’ voor ‘stille landelijke gebieden’ voor de nachtperiode een waarde van 30 dB(A). Karakter geluid Windturbinegeluid kan met, name ’s nachts, opvallen door een variatie in luidheid in het tempo waarmee bladen de mast passeren. Deze variatie is groter dan overdag en kan tot extra hinder leiden.

Bij metingen kan worden vastgesteld of deze variatie voldoet aan de (beperkte) objectieve voorwaarden om geluid als impulsachtig te bestempelen, en aan de voorwaarde dat het karakter “duidelijk hoorbaar is op het beoordelingspunt” (HMRI par. A-2.3). Op grond van onderzoek [Van den Berg 2006] kan worden aangenomen dat het impulskarakter zich vooral zal voordoen bij grote verschillen in windsnelheid over de rotor, hetgeen zich voordoet bij een voldoende stabiele atmosfeer (in elk geval Pasquill klasse F).

Natuurkundewinkel RuG

Geluid windpark Hoofdplaatpolder

33

In een Brits rapport werd geconcludeerd dat het deze variatie in het geluidsniveau is die op een drietal locaties nabij verschillende windparken klachten over hinder en slaapverstoring kon verklaren [Hayes 2006]. Beoordeling De uiteindelijke beoordelingsniveaus in de nachtperiode worden getoetst aan de hand van de WindNormCurve uit het Besluit Voorzieningen en Installaties Milieubeheer. Daarbij zal worden voldaan aan de algemene voorschriften die de HMRI99 stelt ter bepaling van het langtijdig beoordelingsniveau en wordt het overdrachtsmodel ‘methode II.8’ (HMRI hfdst. C-5) toegepast. De beoordeling in dit rapport berust op deze berekening: de uitgevoerde metingen zijn slechts bedoeld om de juistheid daarvan te ondersteunen.

4.3.2

METING GELUIDSNIVEAU

Bij de metingen worden de voorschriften voor immissiemetingen (methode II.1, HMRI hfdst. C-3) niet gevolgd wat betreft het voorschrift alleen te meten bij V10 = 7 ± 2 m/s (par. C-7.2). Dat voorschrift berust immers op het –juist bij hindersituaties- achterhaalde idee dat er bij weinig wind onvoldoende geluid zou zijn en bij hogere geluidsniveaus juist een sterke wind die teveel stoorgeluid zou veroorzaken. De resultaten van de geluidsmetingen worden evenwel niet gebruikt om de geluidsbelasting te bepalen, maar worden slechts vergeleken met de op correcte wijze verkregen geluidsbelasting; ze hoeven dus niet aan wettelijke eisen te voldoen, maar moeten ten behoeve van een goede vergelijking uiteraard wel de werkelijke immissie correct weergeven. Bij het meten is niet altijd aan het gebruikelijke meteoraam voldaan gezien de grote afstand tussen de turbines, maar dat is volgens de HMRI99 geen noodzaak bij langdurige metingen: “Indien op een bepaalde meetpunt op willekeurige momenten zeer veel geluidsmetingen zijn verricht bij dezelfde representatieve bedrijfsomstandigheden onder allerlei weersomstandigheden, dan mogen deze resultaten direct energetisch worden gemiddeld. Er vindt dan geen meteocorrectie plaats. Hierbij moet bijvoorbeeld gedacht worden aan geluidsbewakingssystemen rond grote continu-industrieën. De volgende randvoorwaarden gelden hierbij (HMRI99 methode II.1, par.