Offshore-Windparks: Turbulenzen mit ökologischem Einfluss

Das Satellitenbild zeigt weiße Punkte in der offenbar vom Wind stark bewegten Nordsee. Auf der Windschattenseite der Punkte ziehen sich 1 km bis 2 km lange „Striche“ deutlich sichtbar durchs Wasser. Die auf den Bildern etwa stecknadelgroßen Flecken sind in Realität mehr als 150 m hohe Windenergieanlagen eines Windparks in der Nordsee. Die von ihnen ausgehenden Linien entstehen durch die Turbulenzen unter der Wasseroberfläche, die hinter den Fundamenten der Anlagen entstehen.

Nicht sichtbar, aber deutlich ausgeprägter sind die Wirbelschleppen in der Atmosphäre, die sich im Windschatten der Rotoren und Türme bilden. „Sie können sich bis zu 70 km hinter den Anlagen ausdehnen und sind auch an der Wasseroberfläche spürbar“, sagt der Hamburger Geophysiker Nils Christiansen. Der 31-Jährige hat diese ökologischen Auswirkungen von Offshore-Windparks, die bislang kaum beachtet worden waren, erstmals in hochauflösenden Computersimulationen für seine Dissertation beschrieben. Für diesen und weitere Forschungsansätze wurde der Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Hereon, des Instituts für Küstensysteme in Geesthacht, nun mit dem Kurt-Hartwig-Siemers-Wissenschaftspreis der Hamburgischen Wissenschaftlichen Stiftung ausgezeichnet. Dass Offshore-Windkraft auch Klima und Umwelt beeinflussen kann, ist hingegen kein neues Thema.

Ökologischer Einfluss von Offshore-Windparks stärker als gedacht

Im Grundsatz ist die Erkenntnis des Wissenschaftlers nicht überraschend. „Natürlich entzieht jede Windenergieanlage der Luftströmung Energie“, erläutert Christiansen. Doch welche Ausmaße dieser physikalische Effekt rund um die bestehenden sowie in der Gesamtheit der noch geplanten Anlagen annehmen kann, hatte bisher noch niemand näher erforscht: „Bislang wurden nur die Verhältnisse rund um einzelne Windenergieanlagen betrachtet“, sagt Christiansen. Dabei ging es darum, Windparks so zu gestalten, dass die dort installierten Anlagen sich nicht gegenseitig abschatten. Mit der wachsenden Größenordnung der Windenergienutzung auf hoher See bekommt das Thema jedoch eine neue Dimension.

„Angesichts der deutschen und europäischen Ausbauvorhaben für die Offshore-Windenergie müssen wir uns näher mit den ökologischen Auswirkungen und ganzheitlich mit den Planungen befassen“, ist Christiansen überzeugt. Allein in der deutschen ausschließlichen Wirtschaftszone soll die Leistung der Offshore-Windenergienutzung von derzeit rund 9 GW auf 70 GW steigen, die EU will bis 2050 Windkraftwerke mit einer Gesamtleistung von 300 GW in der Nordsee installieren lassen. Die ohnehin schon im großen Stil wirtschaftlich genutzte Nordsee wird auf diese Weise zu einem gigantischen Industriepark. Einzelne Aspekte der Umweltauswirkungen von Offshore-Windparks sind schon in der Vergangenheit angegangen worden.

Simulation zeigt erst wirklichen ökologischer Einfluss von Offshore-Windparks auf

Um das Abflauen des Windes im Lee der Windparks und die großräumigen Auswirkungen abschätzen zu können, bediente sich Christiansen hochauflösender, hydrodynamischer Computersimulationen auf Basis früherer Messungen. Demnach verringerten sich die Windgeschwindigkeiten unmittelbar hinter den Anlagen um etwa 10 %. Mit wachsender Entfernung nahm der Effekt zwar exponentiell ab, trotzdem war das Phänomen noch Dutzende Kilometer hinter den Parks zu erkennen.

In weiteren Simulationen zeigte sich, dass sich die Effekte aus den einzelnen Windparks kumulieren und großräumig über die Nordsee verteilen. Ähnliches zeigte sich auch beim simulierten Blick auf und unter die Wasseroberfläche. Durch die verringerten Luftströmungen verlangsamten sich auch die Wasserströmungen in der Nordsee. Zusätzlich sorgen die Fundamente der Windenergieanlagen für Verwirbelungen unter Wasser.

Wasserstoffgewinnung offshore wohl mit geringem ökologischen Einfluss

In einem neuen Abschnitt seiner Forschungsarbeit rund um das „Grüne Kraftwerk Nordsee“ befasst sich Christiansen nun mit den Auswirkungen der geplanten Produktionsanlagen für Wasserstoff, die in der Nachbarschaft vieler Windparks entstehen sollen. Im Vorfeld der Elektrolyse muss dort Meerwasser entsalzt werden. Die daraus resultierenden Einleitungen von Sole und Wärme ins Meer würden sich jedoch nach dem jetzigen Wissensstand nur kleinräumig um die jeweiligen Standorte auswirken: „Die Gezeitenströme in der Nordsee sorgen für eine ausreichende Verteilung der Einleitungen“, so Christiansen. Trotzdem entstehen lokal fürs Ökosystem signifikante Veränderungen: „Das sollte nicht vernachlässigt werden.“

Die von Christiansen in den Simulationen aufgezeigten Veränderungen bewegen sich nach seinen Angaben im Bereich der natürlichen Schwankungen der Wind- und Strömungsverhältnisse in und über der Nordsee. Dennoch dürften die Erkenntnisse nicht vernachlässigt werden, betonten verschiedene Redner während der Preisverleihung.

Technologien könnten ökologischen Einfluss von Offshore-Windparks verringern

„Dies ist kein abstraktes wissenschaftliches Thema, sondern beschreibt einen wichtigen Aspekt unseres Lebens und Alltags“, sagte Ekkehard Nümann, Präsident der Hamburgischen Wissenschaftlichen Stiftung. Ob und welche Folgen die Studienergebnisse für den Umfang der Windparkpläne in der Nordsee haben sollten, ist nach Überzeugung von Christiansen eine Frage für die Politik.

Aus Sicht eines Wissenschaftlers ist für Christiansen eine technische Konsequenz zu erkennen: „Durch bauliche Maßnahmen, wie zum Beispiel durch größere Turbinenabstände, können die großflächigen strukturellen Veränderungen verringert werden.“