Bis 2050 soll sich die Offshore-Windkraftleistung in der Nordsee mehr als verzehnfachen. Das ist politisch gewollt. Technisch machbar ist es ebenfalls. Doch was bedeutet diese massive Verdichtung von Windparks für das Meer selbst?
Forschende des Helmholtz-Zentrum Hereon haben erstmals die langfristigen hydrodynamischen Folgen eines solchen Ausbauszenarios simuliert. Ihre Ergebnisse erschienen in Nature Communications Earth & Environment. Die Kernaussage: Das Strömungsmuster der Nordsee könnte sich großräumig verändern.
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Rotoren greifen in Luft und Wasser ein
Offshore-Anlagen wirken nicht nur oberhalb der Wasseroberfläche. Die Rotoren entziehen dem Wind kinetische Energie. Hinter jedem Park entstehen sogenannte Nachlaufeffekte. Das sind Bereiche mit reduzierter Windgeschwindigkeit und veränderter Turbulenz. Diese atmosphärischen Veränderungen wirken wiederum auf die Meeresoberfläche.
Unter Wasser setzen sich die Effekte fort. Fundamente – meist Monopiles oder Jacket-Konstruktionen – stehen wie künstliche Hindernisse im Tidenstrom. Sie bremsen lokal die Gezeitenströmung. Gleichzeitig erzeugen sie Wirbel und Turbulenzen.
Bisher betrachteten viele Studien entweder die Luft- oder die Wasserseite. Das Team um den Geophysiker Dr. Nils Christiansen kombinierte erstmals beide Ebenen in einem gekoppelten Modell. Grundlage war ein realistisches Ausbau-Szenario bis 2050.
Ein neues Strömungsmuster entsteht
Die Simulationen zeigen eine messbare Veränderung der Strömungsdynamik, vor allem in der Deutschen Bucht. Die Spitzenwerte der Oberflächenströmung nehmen ab. Gleichzeitig verschieben sich Frequenzen und Richtungen der Strömung.
Christiansen sagt: „Unsere Simulationen zeichnen ein neues, fein strukturiertes Strömungsmuster, das nicht nur innerhalb der Windparks zu beobachten ist, sondern sich auch über die Nordsee ausbreiten kann – mit einer Verlangsamung der Oberflächengeschwindigkeiten um bis zu 20 Prozent in einem Ausbauszenario für 2050“.
20 % weniger Strömungsgeschwindigkeit sind kein kosmetischer Effekt. Strömungen transportieren Sedimente. Sie durchmischen Wasserschichten. Sie verteilen Nährstoffe. All das beeinflusst marine Ökosysteme.
Wenn sich die Durchmischung ändert, können sich Temperatur- und Salzgehaltsgradienten verschieben. In flachen Schelfmeeren wie der Nordsee ist diese vertikale Durchmischung entscheidend für Sauerstoffverteilung und biologische Prozesse.
Relevanz für Schifffahrt und Prognosen
Strömungsmodelle sind Grundlage für viele Anwendungen. Sie fließen in Navigationssysteme ein. Sie helfen bei Ölunfall-Szenarien. Sie sind wichtig für Küstenschutz, Fischerei und Offshore-Baustellen.
Wenn großflächige Windpark-Cluster die Hydrodynamik verändern, müssen diese Effekte in Prognosemodelle integriert werden. Andernfalls steigen Unsicherheiten.
Hier geht es nicht um Alarmismus. Die absoluten Änderungen bewegen sich im Rahmen natürlicher Schwankungen. Doch sie sind systematisch. Und sie addieren sich mit zunehmender Ausbauleistung.
Planung macht den Unterschied
Die Studie zeigt auch, dass sich Effekte steuern lassen. Entscheidend sind drei Parameter: Turbinenabstand, Standortwahl und lokale Gezeitenbedingungen.
Größere Abstände zwischen Anlagen reduzieren die Überlagerung von Turbulenzen. Damit sinkt die zusätzliche Vermischung des Wassers. Auch die Ausrichtung der Parks zur Hauptströmungsrichtung spielt eine Rolle.
Christiansen betont: „Offshore-Windenergie ist ein wichtiger Bestandteil der Energiewende und der Dekarbonisierung. Gleichzeitig müssen wir verstehen, wie sich verschiedene Arten von Offshore-Anlagen und die Größe der Turbinen auf die Nordsee auswirken. Nur so können wir der Gesellschaft und der Wirtschaft fundierte Informationen liefern und Maßnahmen entwickeln, um potenzielle Risiken frühzeitig zu minimieren.“
Ein komplexes System mit Rückkopplungen
Die Nordsee ist kein ruhiger Wasserkörper, der einfach nur daliegt. Sie ist ständig in Bewegung. Wind treibt sie an. Luftdruckunterschiede schieben Wassermassen. Flüsse bringen Süßwasser ein. Und die Gezeiten ziehen im Rhythmus von Ebbe und Flut daran.
Wenn nun immer mehr Offshore-Windparks dazukommen, verändern sie dieses fein abgestimmte System. Große Windpark-Cluster wirken wie zusätzliche Hindernisse im Wasser. Man kann es sich wie viele kleine Bremsklötze vorstellen, die in der Strömung stehen.
Technisch gesprochen erhöhen die Fundamente der Anlagen den Strömungswiderstand. Das Wasser muss um sie herumfließen, es entstehen Wirbel. Gleichzeitig entziehen die Rotoren dem Wind Energie. Damit verändert sich auch der Impuls, den der Wind an die Meeresoberfläche weitergibt. Luft und Wasser hängen hier enger zusammen, als man im ersten Moment denkt.
Im Vergleich zu den Kräften von Mond und Sonne sind diese Effekte klein. Die Gezeiten selbst stellen sie nicht infrage. Aber sie verschieben regionale Muster. Und in einem Meer, das intensiv genutzt wird – für Energie, Schifffahrt, Fischerei und Küstenschutz – können auch solche vergleichsweise kleinen Änderungen eine Rolle spielen.
