Einleitung
Der Ausbau von Windenergie stellt eine wichtige Quelle der Erneuerbaren Energie (EE) dar und leistet einen bedeutenden Beitrag zur Reduktion von Treibhausgasemissionen und zum Klimaschutz. Daher hat Deutschland sich das Ziel gesetzt den Ausbau von Wind- und PV-Anlagen zu beschleunigen, um bis Ende 2023 den Bruttostrom aus EE zu mindestens 80 % anzuheben. Dies wurde im neuen EEG 2023 festgelegt, welches am 01. Januar 2023 in Kraft trat (1).
Die Bereitstellung von freien und nutzbaren Flächen ist weiterhin eine enorme Herausforderung für Unternehmen. Mit einer neuen gesetzlichen Grundlage und der Zielsetzung 2 % bis 2032 der Landesfläche zum Ausbau von Windenergie an Land zur Verfügung zu stellen, sollen Planungsprozesse beschleunigt werden (2).
Die Akzeptanz des Ausbaus von Windenergieanlagen (WEA) kann dennoch durch verschiedene Faktoren beeinträchtigt werden, wie beispielsweise Lärm– und Lichtemissionen oder auch ästhetische Bedenken beeinträchtigen. Um diese Faktoren zu minimieren, gibt es verschiedene Maßnahmen, welche eingesetzt werden können. Dieser Artikel wird sich genauer mit den technischen Maßnahmen zur Minderung akzeptanzhemmender Faktoren der Windenergienutzung an Land beschäftigen und damit welche Maßnahmen es zurzeit gibt sowie deren Umsetzung.
Akzeptanzhemmende Faktoren
Das Erscheinungsbild von WEA kann durch die Größe, Anzahl der Windräder, Farbgebung sowie der Umgebung, in der sie aufgestellt werden, den Ausbau drosseln. Jedoch spielt nicht nur die Ästhetik eine wichtige Rolle bei der Akzeptanz von WEA in der Bevölkerung. Es gibt akzeptanzhemmende Faktoren, die mehr und mehr an Bedeutung gewinnen.
Lärmemissionen stellen einen der bedeutendsten akzeptanzhemmenden Faktoren dar und können zu erheblichen Belästigungen führen. Das Umweltbundesamt hat zurzeit einen Richtwert von 55 Dezibel für WEA festgesetzt, doch soll dieser laut der Weltgesundheitsorganisation zu durchschnittlich 45 Dezibel gesenkt werden (3). Abbildung 1 vergleicht die Lautstärke einer WEA mit bekannten Geräuschquellen.
Abbildung 1: Vergleich Geräuschquellen in Dezibel (4)
Die Geräuschentstehung von WEA kann unterteilt werden in aerodynamisch erzeugte und mechanisch verursachte Geräusche (5). Grundsätzlich erzeugen die rotierenden Flügel der WEA aerodynamische Geräusche. Die primäre Geräuschentwicklung entsteht durch den Strömungsabriss am Rotorblatt und die damit verbunden Druckschwankungen, wodurch Schallwellen entstehen, welche letztlich als Lärm von Anwohnern wahrgenommen wird (6). Des Weiteren müssen auch die mechanischen Geräusche in Betracht gezogen werden, welche während des Betriebs durch den Generator, dem Getriebe, dem Lüfter oder während des Pitchens, dem Anpassen der Blattneigung an die Windgeschwindigkeit, entstehen können. Die Schallemissionen sind stark abhängig von der Windgeschwindigkeit und der Betriebsart der Anlage.
Ein weiterer Faktor ist die Lichtemission, welches den Schattenwurf sowie die Befeuerung der Anlagen umfasst. Schattenwurf entsteht durch Sonnenlicht, welches auf die Rotorblätter trifft. Durch die Bewegung der Rotorblätter kommt es in der Umgebung der Anlage zu wechselnden Licht- und Schattenverhältnissen. Dies kann insbesondere bei tief stehender Sonne und in der Nähe von Wohngebäuden als störend empfunden werden. Auch nachts ist eine WEA sichtbar, durch die Kennzeichnungspflicht der Anlage durch Lichter, welche in bestimmten Farben und Blinkrhythmen angeordnet sind und ab einer Höhe der Anlage von 100 m zum Einsatz kommen (7). Diese Lichter können in der Nacht von den Anwohnern als störend aufgefasst werden, da diese hell und durchgehend blinken.
Auch naturbezogene Faktoren, wie der Eiswurf, wenn sich bei niedrigen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit Eis auf den Rotorblättern bildet und durch die Rotation während des Betriebs ab geschleudert wird und Artenschutz, werden oftmals als Argumente gegen den Ausbau von EE, vor allem WEA, genutzt.
Insgesamt sind die akzeptanzhemmenden Faktoren der Windenergienutzung an Land vielfältig und können je nach Standort unterschiedlich ausgeprägt sein. Eine Berücksichtigung dieser Faktoren bei der Planung von WEA kann dazu beitragen, ihre Akzeptanz zu erhöhen und eine erfolgreiche Umsetzung der Energiewende zu unterstützen.
Technische Maßnahmen
Technische Maßnahmen und Umrüstungen von bestehenden Anlagen können die Akzeptanz von WEA erhöhen. Dabei werden die zuvor genannten Faktoren in chronologischer Reihenfolge abgearbeitet.
1. Lärmemission
Um die Lärmemissionen einer WEA zu reduzieren, gibt es mehrere Möglichkeiten. Um die mechanischen Geräusche zu reduzieren, gibt es triviale Lösungen wie den Einsatz von geräuscharmen Getrieben, die Installation von Schwingungsdämpfern an den Rotorblättern, um die im Betrieb entstehenden Schwingungen und somit verbunden Vibrationen zu verringern. Des Weiteren lassen sich durch das Auskleiden des Maschinenhauses mit schalldämmenden Materialien zusätzlich Geräusche dezimieren. Da die aerodynamischen Geräusche die mechanischen Geräusche überwiegen, ist es wichtiger diese weitestgehend zu reduzieren. Dafür gibt es verschiedene technische Erweiterungen um das aerodynamische Verhalten der Luftströmung um den Flügel zu verbessern. Dazu zählen Modifikationen an der Blatthinterkante durch den Einsatz sogenannter Serrations (8). Serrations ersetzen die gradlinige Hinterkante des Rotorblatts durch haifischartige Strukturen (Abb.2), um dadurch kleinere Verwirbelungen zu erzeugen und somit die Schallentstehung zu reduzieren. Diese Maßnahme führt laut Hersteller Wind-Tuning-Systems tagsüber zu einer Reduzierung der Lautstärke um circa die Hälfte. Zusätzlich muss die Anlage im Nachtbetrieb nicht so stark gedrosselt werden und kann somit mehr Ertrag erzielen.
Abbildung 2: Installierte Serrations an einer Enercon E-82 (9)
Eine weitere technische Maßnahme ist die Montage von Winglets (Abb.3) an der Blattspitze, da dort die höchste Umfangsgeschwindigkeit herrscht (10). Sie funktionieren ähnlich wie die Serrations, wirken also der Strömungsablösung entgegen und minimieren dadurch die Geräuschentwicklung. Zusätzlich lassen sich Vortex-Generatoren auf der Blattoberfläche installieren, um eine laminare Umströmung des Blattprofils zu begünstigen und dadurch Strömungsabrisse zu verringern.
Abbildung 3: Installierte Winglets (11)
All die technischen Maßnahmen lassen sich problemlos bei Bestandsanlagen nachrüsten. Jedoch ist dies für die meisten Betreiber nicht wirtschaftlich und findet somit oft keine Anwendung. Neue WEA sind bereits teilweise mit den oben genannten Maßnahmen ausgestattet. Eine weitere Möglichkeit, um die Lärmentwicklung von WEA zu reduzieren ist die Drosselung der Anlagen, um somit die Rotordrehzahl zu verringern um somit die einhergehende Geräuschentwicklung. Zudem wird empfohlen die WEA regelmäßig zu warten, um unnötiger Geräuschentwicklung vorzubeugen.
Im Zusammenhang mit Repowering-Maßnahmen von WEA hat das Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz (NRW) festgestellt, dass eine Verringerung der Anzahl der WEA sowohl zu höheren Erträgen als auch zu einer Verminderung der Geräuschimmissionen führen kann (12).
2. Lichtemission
Der Schattenwurf von WEA ist immer vorhanden, sobald die Sonne scheint. Jedoch kann man durch die Integration einer Abschaltautomatik den periodischen Schattenwurf, der durch den Betrieb der Anlage auftritt, auf die vorgegebene Beschattungsdauer durch den Länderausschuss für Immissionsschutz reduzieren. Der weitaus wichtigere Aspekt als der Schattenwurf ist die Befeuerung von WEA. Hierbei gibt es mehrere technische Möglichkeiten, um die Lichtemissionen einzudämmen. Zum einen die Bildung von WEA-Blöcken. Was bedeutet, dass in einem Gebiet mit mehreren WEA nur die WEA welche die äußere Grenze bilden beleuchtet sein müssen, um somit die Lichtemission zu verringern. Eine weitere Maßnahme ist die Synchronisierung der Blinkfrequenzen. Da sich Windparks häufig aus verschiedenen Anlagen von unterschiedlichen Herstellern zusammensetzen, entsteht ein asynchrones Blinken der Anlagen, was besonders stört. Dies betrifft aber eher die älteren WEA, da seit 2015 die allgemeine Verwaltungsvorschrift zur Kennzeichnung von Luftfahrthindernissen (AVV) eine synchronisierte Befeuerung vorschreibt (13). Die wohl effektivste Maßnahme ist die bedarfsgerechte Nachtkennzeichnung (BNK), welche seit dem 01.01.2023 verpflichtend ist (14). Bei dieser Technik findet die Befeuerung der WEA nur noch statt, wenn sich ein Flugobjekt nähert, also lediglich wenn Bedarf besteht. Dadurch wird das dauerhafte Blinken deutlich reduziert und somit auch die Lichtemissionen.
3. Naturbezogene Faktoren
Um Gefahren, die vom Eiswurf ausgehen abzuwenden, werden bei modernen WEA in der Regel verschiedene Maßnahmen eingesetzt. Zum einen wird versucht, die Entstehung von Eis auf den Rotorblättern zu verhindern, zum Beispiel durch eine Beheizung der Blätter (15) oder durch Verwendung von speziellen Beschichtungen (16). Zum anderen können Sensoren und Kameras eingesetzt werden, um Eisablagerungen frühzeitig zu erkennen und die WEA gegebenenfalls abzuschalten. Eine weitere Maßnahme zur Vermeidung von Eiswurf ist die Begrenzung der Betriebszeit von WEA bei bestimmten Wetterbedingungen. So dürfen WEA beispielsweise bei bestimmten Windgeschwindigkeiten und Luftfeuchtigkeitswerten nicht betrieben werden, um die Bildung von Eis auf den Rotorblättern zu verhindern. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Eiswurf trotz dieser Maßnahmen nicht vollständig ausgeschlossen werden kann und ein Restrisiko bestehen bleibt. Selbst wenn eine Anlage stillsteht, kann sich angesetztes Eis von den Rotorblättern lösen und herabfallen. Deswegen wird oft zu einer trivialen Maßnahme, wie der Einsatz von Warn-/Verbotsschildern und Warnleuchten zurückgegriffen (17).
Artenschutz ist ein wichtiges Thema in Hinsicht auf den Betrieb von WEA, da diese potenziell negativen Auswirkungen auf die Tierwelt haben. Es gibt verschiedene Maßnahmen, um den Schutz von Vögeln und Fledermäusen in der Nähe von WEA zu verbessern. Eine Möglichkeit hier ist das Abschalten der Anlagen zu bestimmten Zeiten, beispielsweise wenn Vögel vermehrt auf Nahrungssuche sind, wie nach der Ernte oder dem Pflügen von Feldern oder in warmen Nächten mit niedrigen Windgeschwindigkeiten, wenn Fledermäuse besonders aktiv sind. Akustische Geräte können ebenfalls eingesetzt werden, um Tiere in der Nähe der Anlagen abzuschrecken. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Gondelmonitoring einzusetzen, um über einen längeren Zeitraum tierische Aktivitäten zu dokumentieren und die Betriebszeiten der WEA entsprechend anzupassen. Radar- oder kameragestützte Systeme können eingesetzt werden, um herannahende Vögel rechtzeitig zu erkennen und die Anlagen entsprechend abzuschalten (18). Eine weitere Option besteht darin, die WEA optisch auffälliger zu gestalten, indem sie beispielsweise farblich markiert werden (19). Diese Maßnahme steht jedoch im direkten Konflikt mit dem Landschaftsbild und muss daher sorgfältig abgewogen werden.
Fazit
Um den Ausbau EE, insbesondere von WEA, voranzutreiben, ist es von großer Bedeutung, die Akzeptanz in der Bevölkerung zu erhöhen. Obwohl die Mehrheit der Menschen den Ausbau befürwortet, gibt es auch Gegner, die sich gegen die Errichtung neuer WEA aussprechen. Um auch diese zu überzeugen, gibt es viele technische Maßnahmen, um die negativen Auswirkungen der WEA auf Mensch und Natur zu minimieren. Allerdings werden diese Maßnahmen nicht alle Gegner überzeugen können. Das Hauptargument der WEA-Gegner, die Lärmbelästigung, kann durch neue Technologien und Anpassungen an den Rotorblättern reduziert werden. Auch durch Anpassung der Betriebsmodi können Geräusche minimiert werden, allerdings steht dies in direktem Zusammenhang mit der Wirtschaftlichkeit der Anlage. Darüber hinaus können optische Belästigungen durch BNK und Synchronisation der Anlagen sowie Schlagopfer von Tieren durch neue Technologien minimiert werden. Eiswurf kann durch Mindestabstände, Abschaltmechanismen und Gefahrenzonen-Schilderung verhindert werden. Durch Repowering kann die Anzahl der Bestandsanlagen reduziert und die Effektivität gesteigert werden. Eine umfassende Berücksichtigung der lokalen Gegebenheiten und eine frühzeitige Einbindung der Beteiligten sind jedoch notwendig, um Konflikte zu vermeiden und eine größere Akzeptanz zu schaffen.
Abschließend lässt sich sagen, dass die negativen Einflüsse von WEA mit Hilfe von verschieden technischen Maßnahmen minimiert oder teilweise ganz verhindert werden können. Dadurch kann der Ausbau von EE beschleunigt und letztlich der Klimawandel, welcher zurzeit und in Zukunft zu einem der bedeutsamsten Problemen der Menschheit zählt, abgebremst werden. Zusätzlich führt der Ausbau von EE zur Energieunabhängigkeit von anderen Ländern, was in Zukunft ein wichtiger Aspekt für die Wirtschaft und die Bevölkerung der Bundesrepublik ist.
Autor: Louis Köbel
QUELLEN:
(1) Die Bundesregierung (2023): Ausbau erneuerbarer Energien massiv beschleunigen. Verfügbar unter: https://www.bundesregierung.de/breg-de/themen/klimaschutz/novelle-eeg-gesetz-2023-2023972 (abgerufen am 17.04.2023)
(2) Umwelt Bundesamt (2023): Windenergie an Land. Verfügbar unter: https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/erneuerbare-energien/windenergie-an-land#flaeche (abgerufen am: 17.04.2023)
(3) N-TV (2018): Lärm macht krank, Deutschlands Windräder sind zu laut. Verfügbar unter: https://www.n-tv.de/wissen/Deutschlands-Windraeder-sind-zu-laut-article20663712.html (abgerufen am 17.04.2023)
(4) Natur Wind (2020): Fragen & Antworten zur Umweltverträglichkeit von Windenergieanlagen. Verfügbar unter: https://www.naturwind.de/umweltvertraeglichkeit-von-windenergieanlagen/ (abgerufen am 17.04.2023)
(5) Enargus: Aerodynamische Geräusche. Verfügbar unter: https://www.enargus.de/pub/bscw.cgi/d492-2/*/*/Aerodynamische%20Ger%c3%a4usche.html?op=Wiki.getwiki (abgerufen am 17.03.2023)
(6) Akustik Journal (2020): Von der Strömung zum Druck – Schall von Windenergieanlagen. Verfügbar unter: https://www.dega-akustik.de/fileadmin/dega-akustik.de/publikationen/akustik-journal/20-02/akustik_journal_2020_02_online_artikel2.pdf (abgerufen am 23.03.2023)
(7) Fachagentur Windenergie an Land: Befeuerung. Verfügbar unter: https://www.fachagentur-windenergie.de/themen/befeuerung/ (abgerufen am 23.03.2023)
(8) Deutsche Windtechnik (2022): Low-Noise Serrations: Weniger Lärm – mehr Ertrag. Verfügbar unter:
https://www.deutsche-windtechnik.com/news/detail/low-noise-serrations-weniger-laerm-mehr-ertrag/ (abgerufen am 17.03.2023)
(9) Deutsche Windtechnik (2022): Low-Noise Serrations: Weniger Lärm – mehr Ertrag. Verfügbar unter: https://www.deutsche-windtechnik.com/news/detail/low-noise-serrations-weniger-laerm-mehr-ertrag/ (abgerufen am 23.03.2023)
(10) Heinzelmann, Barbara Souza (2011). Strömungsbeeinflussung bei Rotorblättern von Windenergieanlagen mit Schwerpunkt auf Grenzschichtabsaugung. Verfügbar unter: https://api-depositonce.tu-berlin.de/server/api/core/bitstreams/9a481504-9e37-448a-9365-4eec693b9526/content (abgerufen am 23.03.2023)
(11) Weather Guard (2020): Adding Winglets On Wind Turbine Blades: Worth The Retrofit Costs? Verfügbar unter: https://weatherguardwind.com/winglets-on-wind-turbine-blades/ (abgerufen am 23.03.2023)
(12) Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen(2011): Repowering: Ertragssteigerung und Lärmminderung. Verfügbar unter: https://docplayer.org/71188327-Repowering-ertragssteigerung-und-laermminderung.html (abgerufen am 23.03.2023)
(13) Die Bundesregierung (2020): Allgemeine Verwaltungsvorschrift zur Kennzeichnung von Luftfahrthindernissen. Verfügbar unter: https://www.verwaltungsvorschriften-im-internet.de/bsvwvbund_24042020_LF15.htm (abgerufen am 23.03.2023)
(14) Deutsche Windtechnik: Bedarfsgesteuerte Nachtkennzeichnung (BNK) für Ihre Windenergieanlagen. Verfügbar unter: https://www.deutsche-windtechnik.com/services/onshore-services/bedarfsgesteuerte-nachtkennzeichnung-bnk/ (abgerufen am 23.03.2023)
(15) Windparksatire: Heizungen halten das Rotorblatt warm. Verfügbar unter: https://windkraftsatire.de/aufbruch/faktencheck-eiswurf/#:~:text=Die%20Hersteller%20bieten%20heute%20eine,unterbindet%20oder%20das%20Abtauen%20beschleunigt (abgerufen am 23.03.2023)
(16) Bundesamt für Energie BFE (2006): Anti-freeze Beschichtungen für Rotorblätter von Windenergieanlagen. Verfügbar unter: https://digitalcollection.zhaw.ch/bitstream/11475/3034/2/2006_Siegmann_Anti-freeze%20Beschichtungen%20f%C3%BCr%20Rotorbl%C3%A4tter%20von%20Windenergieanlagen.pdf (abgerufen am 23.03.2023)
(17) TÜV SÜD (2018): Informationen zum Thema Eiswurf und Eisfall. Verfügbar unter: https://www.energieland.hessen.de/infomaterial/windenergietechnik/Berechnungsmodell_Eiswurfgutachten-und-Risikobewertung-von-Eisfall.pdf (abrufen am 23.03.2023)
(18) Fachagentur Windenergie an Land (2022): Windenergie und Artenschutz. Verfügbar unter: https://www.fachagentur-windenergie.de/fileadmin/files/Veroeffentlichungen/Natur-_und_Artenschutz/FA_Wind_Kompaktwissen_Artenschutz_09-2022.pdf (abrufen am 23.03.2023)
(19) KNE Kompetenzzentrum (2020): Paint it black – Schwarze Rotorblätter können das Kollisionsrisiko für Vögel an Windenergieanlagen senken. Verfügbar unter: https://www.naturschutz-energiewende.de/aktuelles/paint-it-black-schwarze-rotorblaetter-koennen-das-kollisionsrisiko-fuer-voegel-an-windenergieanlagen-senken/ (abrufen am 23.03.2023)
