Unbestrittene Vorteile der Windkraft
Unbestritten leisten die erneuerbaren Energien und damit auch die Windkraft einen wichtigen Beitrag zur Senkung der CO 2-Emissionen (Dekarbonisierung) und dadurch zur Reduzierung des sog. „Treibhauseffekts“.
Diese an sich positiven Effekte würdigen Keith und Miller auch ausdrücklich in ihrer Studie von 2018, auf die wir später noch genauer eingehen werden. „Wind beats fossil“ sagen die Harvard-Forscher grundsätzlich. Zudem senken Wind- und Solarkraft den Ausstoss von Schadstoffen für Mensch und Umwelt, wie Stickoxiden, Schwefeldioxid, Feinstaub und giftigen Substanzen wie Quecksilber.
Dennoch darf dies nicht zu einem unkritischen Scheuklappendenken führen. Denn jedes energieliefernde System bringt auch Nachteile mit sich und verbraucht in jedem Fall Ressourcen auf unserem Planeten bzw. in dessen Atmosphäre. Die Windkraft birgt – insbesondere was die Bemühungen um ein Bremsen der Erderwärmung betrifft – mittelfristig aber sogar eher die Gefahr einer zusätzlichen, weiteren Erwärmung in sich.
Ausbau der Windkraft könnte Erderwärmung weiter anheizen
In ihrer detaillierten Studie „Climatic impacts of wind power“ haben Lee Miller und David Keith von der Harvard University im Jahr 2018 die Auswirkungen von Onshore-Windparks in den USA erforscht und nach Datenauswertung verschiedene Szenarien für künftige Klimaänderungen in den Vereinigten Staaten und weltweit berechnet.
Demnach würde die Durchschnittstemperatur über der Kontinentalfläche der USA bei einem weiteren Ausbau der Windenergie bis auf das Niveau des alleinigen aktuellen Strombedarfs der USA um 0,24 °C steigen – ein Wert, der im Hinblick auf die grossen Bemühungen um das Aufhalten des globalen Temperaturanstiegs im Bereich von wenigen Zehntel Grad durch Massnahmen der Dekarbonisierung durchaus beachtlich ist.
In den nächsten 100 Jahren könnten die Nachteile durch Windparks überwiegen
Die Forscher sehen in ihrem Modell den Ausbau der Windkraft im windreichsten Drittel der Fläche der USA bei einer Leistung von 0,46 TW e vor (TW e = Terawatt elektrisch). Die Erwärmung direkt in den Windparkflächen läge durchschnittlich bei 0,54 °C. Im mittleren Westen betrüge die Temperaturerhöhung in der gesamten Fläche im Tag-Nacht-Durchschnitt sogar etwa ein ganzes Grad Celsius, wobei der Wert tagsüber bei 0,5 °C liegt, nachts aufgrund der Umwälzung der Luftschichten durch die Windräder sogar bei satten 1,5 °C Temperaturerhöhung. Oft wird vergessen, dass auch die Nachttemperaturen zur Durchschnittstemperatur zählen und das Klima wesentlich mit beeinflussen.
In den Gebieten außerhalb der im Modell vorgesehenen Windkraftzonen sehen die Prognosen nur leichte Fernwirkungen, von leichten Temperaturanstiegen bis hin zu einem Temperaturrückgang um ca. ein halbes Grad Celsius, z. B. an der Ostküste der USA. Dennoch bleibt die Durchschnittserwärmung von 0,24 °C über die gesamte Kontinentalfläche der USA im Tag-Nacht-Mittel die klimarelevante Zahl dieser Studie.
Die wohl bedeutendste Kernaussage der Studie lautet, dass der durch die Windparks verursachte globale Temperaturanstieg die durch Massnahmen der CO 2 -Senkung erhoffte Umkehrwirkung auf den Klimawandel um über ein Jahrhundert lang überwiegen könnte( 1 ).
Das heisst, bei einem weiteren Ausbau der Windkraft könnten die enormen Bemühungen der Menschheit um eine Senkung der Treibhausgase erst in etwa ab dem Jahr 2120 in einem langsamen Temperaturrückgang fruchten – vorher wäre wahrscheinlich eine weitere Erderwärmung durch die dann stark ausgebaute Windkraft dominant. Diese Aussage dürfte all diejenigen beunruhigen, die prophezeien, dass uns zur Rettung unseres Planeten nicht mehr viel Zeit bleibt.
Nur Solarkraft alleine würde zu einer Abkühlung führen
Zwar zeigen die Harvard-Forscher in ihrer globalen Temperaturentwicklungskurve im Zeitraum von 2020 bis 2100 auch alternative Szenarien auf, die zu einer konstanten Temperatur oder sogar zu einer leichten Abkühlung führen könnten, dann aber nur über Solarkraft alleine oder über einen Mix von erneuerbaren Energien.
Sie nennen zudem für diese eher unwahrscheinlichen Szenarien sehr strenge Voraussetzungen, deren Umsetzung in wenigen Jahrzehnten als sehr unrealistisch bis unmöglich erscheinen, wie die rasche, drastische Reduktion der Emissionen in den USA oder gar die weltweite Reduktion des CO 2-Ausstosses auf 0 bis zum Jahr 2080 (1).
Zudem bringen die Forscher einen zeitlichen Faktor ins Spiel. Der Temperaturanstieg durch die Windenergie erfolge sofort, während die Vorteile der reduzierten Emissionen sich nur langsam bemerkbar machten: „Wenn die Perspektive die nächsten zehn Jahre sind, hat die Windenergie in mancher Hinsicht einen größeren Einfluss auf das Klima als der Verbrauch von Kohle oder Gas“, so Keith. Erst sehr langfristig verkehre sich dies ins Gegenteil.
Wenn die Energieerzeugung dekarbonisiert werden solle, müssten die Umweltfolgen der erneuerbaren Energien berücksichtigt werden. Im Interview bat Keith die Regierungschefs in aller Welt, die Bürger ihres Landes entsprechend zu informieren ( 8 ). Man müsse die unmittelbar schädlichen, kurz- und mittelfristigen Folgen der Temperaturerhöhung durch die Windräder mit deren langfristigem Nutzen der CO 2-Einsparung ins Verhältnis stellen und abwägen.
Die beiden Forscher sagen zudem, dass es bei Veröffentlichung ihrer Studie im Jahr 2018 bereits 40 weitere, erst kürzlich erschienene wissenschaftliche Abhandlungen und 10 Beobachtungsstudien gab, die eine Erwärmung der Temperaturen durch Windkraft entweder bereits faktisch belegen oder durch Modellberechnungen vorhersagen. Es handelt sich hier also nicht nur um die in diesem Artikel hauptsächlich zugrunde gelegte eine Harvard-Studie von Miller & Keith, sondern viele Wissenschaftler prognostizieren oder messen diesen Trend bereits.
Es geht um Windparks, nicht um einzelne Windräder
Kritiker könnten nun entgegen, dass einzelne wenige Windräder oder weit auseinander liegende Standorte wie z. B. in Bayern doch keinen Einfluss auf das globale Klima haben können. Das ist sicher richtig.
Jedoch muss hier an dieser Stelle noch einmal deutlich gemacht werden, dass sich die besorgniserregenden Ergebnisse von Miller und Keith nicht auf einzelne Windräder beziehen, sondern auf die massiv ausgebaute Windkraft in Form gigantischer, großflächiger Windparks, errichtet auf dem windigsten Drittel der Kontinentalfläche der USA.
Ein rascher und umfangreicher Ausbau der Windkraft ist aber auch im European Green Deal vorgesehen und in vielen Regionen der Erde bereits politisch beschlossene Sache. Die Harvard-Forscher sprechen hier von einem Ausbau im „big scale“ ( 1 ), also im großen Maßstab.
Wie könnten Windparks die Erderwärmung erhöhen?
Nachfolgend werden die Kernthesen der Harvard-Studie und weitere Forschungsergebnisse zusammengefasst und ihre Bedeutung auf das weitere Anheizen der globalen Klimaerwärmung erklärt und bewertet.
1. Windräder bremsen den Wind, der Regen bringen würde
Die Physik der Luftströmungen in der Meteorologie legt nahe: Windräder erzeugen aus kinetischer Windenergie Strom und „rauben“ der Atmosphäre damit diese Bewegungsenergie, insbesondere im direkten Lee der Windparks. Die Luft wird einerseits gebremst und andererseits ausgetrocknet.
Der Energieentzug kann bei einzelnen Windrädern bis zu 40 % der Windströmung betragen, bei Windparks mit mehreren Anlagen liegt der Wert pro Generator mit 26 % zwar deutlich darunter, da die einzelnen Generatoren sich einander gegenseitig den Wind abschneiden.
Insgesamt aber verringert sich die Windgeschwindigkeit dadurch dauerhaft. Der Luftmassenaustausch wird reduziert - Luftmassen können somit längere Zeit über einem Gebiet liegen und sich dadurch stärker durch die Sonneneinstrahlung und Albedo-Effekte am Boden erwärmen, ohne ausgeräumt zu werden. Und die Summe dieser „Warmluftblasen“ kann beim angestrebten Ausbau der Windkraft durchaus überregionale und in Konsequenz sogar kontinentale bzw. globale Folgen haben.
(Die Albedo besagt, wie viel (Wärme-)Energie der Sonnenneinstrahlung vom Boden „geschluckt“ wird und wie viel ins Weltall zurückgestrahlt wird. Die Albedo hängt stark von Material, Dichte und Farbe ab. Beispiel: Während schwarze Teerflächen sich im Sommer sehr stark erhitzen, strahlen schneebedeckte weiße Flächen viel Wärmeenergie in den Weltraum zurück, wodurch es über Schnee immer stark auskühlt.)
Dieser Effekt ist zu vergleichen mit der am 25. Juli 2019 in Deutschland neu registrierten Höchsttemperatur von 42,6 °C in Lingen, wo die Wetterstation in einer Muldenlage gelegen und zusätzlich von windhemmenden Hindernissen umgeben war. So konnte sich die Temperatur in der „stehenden“ Luft ungewöhnlich stark aufheizen und die Hitze staute sich.
Nun auch der DWD: Hitzerekord 2019 war keiner – Hitzestau aufgrund mangelnden Luftdurchzugs
Der Meteorologe Jörg Kachelmann hatte damals moniert, dass die Temperatur ohne diese „ventilationshemmende Umgebung“, also bei normalem „Winddurchzug“, an der Wetterstation in Lingen an jenem Tag um ca. 3 Grad Celsius tiefer gelegen hätte, was der Vergleich mit Stationen in der Nähe ergeben hätte ( 6 ).
Der Allzeit-Hitzerekord hätte deshalb seiner Meinung nach vom Deutschen Wetterdienst (DWD) nicht anerkannt werden dürfen, zumal dem DWD die Nichteignung bzw. Problematik der Station bekannt war und er bereits seit 2014 nach einem neuen geeigneten Standort in Lingen suchte.
Erst im Dezember 2020 annullierte der Deutsche Wetterdienst den Rekord und gab schließlich zu, dass es aufgrund der vor allem im Osten der Station stark in die Höhe gewachsenen Vegetation zu einem Hitzestau wegen des gebremsten Winddurchzugs gekommen war. Mittlerweile wurde vom DWD in Lingen-Baccum an einem geeigneten Standort eine neue, freistehende Station eröffnet.
Die Windparks werden zum „Opfer einer atmosphärischen Windberuhigung“, die sie selbst erzeugt haben
Eine im Oktober 2020 veröffentlichten Studie der Deutschen WindGuard im Auftrag des Bundesverbands WindEnergie e.V. mit dem Titel „Volllaststunden von Windenergieanlagen an Land – Entwicklung, Einflüsse, Auswirkungen“ zeigt rückläufige Windgeschwindigkeiten für Deutschland auf.
Die Deutsche WindGuard ist ein in Deutschland führendes Unternehmen für „unabhängige, herstellerneutrale Beratung und umfangreiche wissenschaftliche, technische und operative Leistungen“ in puncto Windkraft. Mit rund 180 Wissenschaftlern und Experten werden auch regelmäßige Studien durchgeführt. Laut den Experten habe sich die Nennleistung der Windkraftanlagen im Verhältnis zu ihren Rotorkreisflächen (das ist die mittlere spezifische Nennleistung MSN) – in Deutschland im Zeitraum von 2012 bis 2019 immer weiter verringert.
Dieses Ergebnis ist mehr als überraschend, da die Technik der Anlagen in den letzten 10 – 20 Jahren eigentlich immer moderner und effektiver wurde und der Windstrom inzwischen aus einer Höhe von deutlich über 200 m über Untergrund abgeschöpft wird. Dennoch sank die MSN um durchschnittlich ca. 25 - 30 % ( 9 ).
Interessant ist dabei, dass die Untersuchung die relativ stärkste Abnahme der durchschnittlichen jährlichen Windhöffigkeit – das ist das zu erwartende Windaufkommen an einem bestimmten Standort – in denjenigen Regionen feststellte, in denen der Wind bisher am stärksten wehte und die Windenergie von daher am intensivsten abgeschöpft wurde. Die Studie stellt damit einen eindeutigen Zusammenhang zwischen der forcierten Abschöpfung von Windenergie aus der Atmosphäre und den rückläufigen Windgeschwindigkeiten der letzten Jahre her.
Eine im Dezember 2018 veröffentlichte Studie des Institute of Atmospheric Physics, der Chinese Academy of Sciences (Huang et al.), Peking, stellte fest, dass die stetige Abnahme von atmosphärischen Winden auf der Nordhalbkugel mittlerweile ein weit verbreitetes und möglichweise bereits sogar globales Problem ist. Dieses Phänomen hat inzwischen unter dem Begriff „globale terrestrische Windberuhigung“ ( global terrestrial stilling) Einzug in die wissenschaftliche Literatur gehalten ( 7 ).
Insbesondere in China, dem weltweit führenden Land in puncto Windkraftgewinnung, müssen diejenigen Regionen mit den gigantischsten kommerziellen Windparks die stärksten Rückgänge an oberflächennaher Windenergie hinnehmen – durch eben jene verursacht.
2. Wie Windparks die „Wetterküche“ beeinflussen
Mikroklimatische Effekte einzelner Windräder oder Windparks sind seit langem bekannt und wurden in zahlreichen Studien belegt ( 2 ). Die Effekte betreffen insbesondere das Lee, also den Windschatten der Parks, und nehmen mit deren Grösse zu ( 3 ).
Allerdings können Windparks in Summe – insbesondere durch den weiteren, massiv geplanten Ausbau – auch grossräumigere atmosphärische Strömungen in der Höhe beeinflussen kann, was zu Phänomenen wie langanhaltender Trockenheit mit überregionalen Dürren, Starkregenereignissen und Änderungen in Flora und Fauna führen könnte. Unbestritten und von Miller & Keith belegt sind die Auswirkungen der Windräder hinauf in Luftschichten von 1 - 2 km Höhe, also auf die sog. Peplosphäre, die Grenzschicht zwischen erdnaher Luft und der freien Atmosphäre.
Gerade diese Grenzschicht ( boundary layer) der Atmosphäre gilt als wesentlicher Motor unseres Wetters und hat dadurch auch Auswirkungen auf höhere Luftschichten. Hier wird Wetter gemacht und die Summe der Wettererscheinungen über einen längeren Zeitraum prägt somit auch das Klima. Miller & Keith sprechen hier von „altered large-scale atmospheric flow“, also veränderten Luftströmungen im großen Maßstab, was nochmal verdeutlicht, dass ein massiver Ausbau der Windkraft eben nicht nur mikroklimatische Effekte hat, sondern auch die großen atmosphärischen Strömungen beeinflussen kann.
3. Temperaturveränderungen in Windparks
Durch die Turbinenwirkung der Rotoren wird tagsüber aus höheren Luftschichten kältere Luft bergab bewegt und wärmere, oft auch feuchte Bodenluft nach oben zurück in die Atmosphäre.
Ein gegensätzlicher Effekt, nur deutlich stärker ausgeprägt, war nachts zu beobachten. Normalerweise sinkt ab Sonnenuntergang kühle Luft nach unten zur Erdoberfläche, da sie schwerer ist und wärmere Luftschichten lagern sich darüber ab.
Die Rotorblätter mit ihren Sogkräften aber durchmischen diese natürliche nächtliche Luftschichtung. Die kühlen Luftmassen werden nach oben gewirbelt, die wärmeren nach unten. Es ergibt sich in der Nähe dieser Anlagen annähernd eine Einheitstemperatur der gesamten unteren Atmosphärenschicht.
Am Boden in zwei Metern Höhe, wo die Temperaturen offiziell gemessen werden, resultiert also eine deutliche Temperaturerhöhung. Diese Erhöhung – insbesondere der nächtlichen Temperaturen – konnte von Miller und Keith bei den 28 grossen im Betrieb befindlichen Windkraftparks der USA festgestellt werden.
Diese Beobachtung wurde auch bereits 2016 in einer schottischen Studie gemacht: Die nächtliche Temperatur im Bereich eines Windparks lag 0,18 °C höher als in der Umgebung, ebenso wurde eine höhere Luftfeuchtigkeit gemessen. Windparks haben laut der Studie einen bedeutenden Einfluss auf die Entwicklung dieser Parameter und auf das gesamte Mikroklima vor Ort. Je weiter man sich von den Turbinen entfernte, umso weniger stark waren die Veränderungen der Klimawerte (Temperatur, Feuchtigkeit etc.) (2).
4. Die Energiedichte von Windparks ist gering
Windparks haben nur ca. ein Zehntel der Energiedichte von Solarparks (3) d. h. sie benötigen deutlich mehr Fläche, um die gleiche Energiemenge zu erzeugen. Der Ressourcenverbrauch der „sauberen“ Riesen an der Erdoberfläche ist also sehr hoch, die Energiedichte gering.
Falls sich die Elektromobilität in der Automobilindustrie wirklich als finale künftige Antriebstechnologie durchsetzen sollte, würde der Strombedarf drastisch ansteigen. Wenn dann hauptsächlich auf Windkraft gesetzt würde, wäre der Flächenverbrauch sehr hoch und es käme wohl auch zu dem prognostizierten, damit verbundenen Temperaturanstieg.
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Weniger Niederschläge, trockene Böden undDürre im Windschatten der Riesen
Im Lee, d.h. auf der windabgewandten Seite der Windräder wird der Atmosphäre beständig Feuchtigkeit entzogen, im Sommer stärker als im Winter. Im Juni 2019 zeigte die wissenschaftlich-kritische Internetseite sciencefiles.org einen deutlichen Zusammenhang zwischen der Lage von Windparks und besonders stark betroffenen Dürregebieten auf.
Legte man die Karten des Dürremonitors des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung und die Standortkarte von Windparks, herausgegeben vom Bundesamt für Naturschutz, übereinander, ergab sich eine erstaunlich starke Korrelation ( 4 ). Offensichtlich verstärken Windparks zumindest die Dürreintensität.
Auch chinesische Medien und Wissenschaftler berichteten schon vor vielen Jahren über Zusammenhänge bzw. Korrelationen zwischen Windkraft, Regenarmut und Dürre. Die South China Morning Post aus Hongkong beschrieb z. B. folgenden Fall: 12 Kilometer nördlich der Huitengliang-Windfarm in Xilinhot in der inneren Mongolei beobachtete ein Hirte ein merkwürdiges Phänomen auf seiner Weide, welches auch Meteorologen erst rätseln lies: „Der Erdboden erwärmt sich schnell wie ein Ofen, und nicht ein Tropfen Regen fällt“ (und das trotz der Regensaison), klagte der Hirte.
Und die Beobachtung des Mannes konnte auch vom örtlichen wasserstatistischen Büro belegt werden. Demnach verzeichne man seit 2005 einen deutlichen, manchmal sogar extremen Rückgang der jährlichen Niederschlagsmenge in der Nähe großer Windparks, in einigen Gegenden seien es sogar bis zu 80 Prozent Verlust ( 8 ).
Offshore-Windparks zur Abmilderung von Hurrikans
Dass große Windparks die Luft wirklich austrocknen, zeigt auch die Harvey-Studie von 2018, die sogar mehr oder weniger die Empfehlung formuliert, vor der amerikanischen Golfküste großflächig Offshore-Windparks zu installieren, um die Wucht künftiger Hurrikane zu mildern und deren oft gewaltige Regenmengen zu verringern.
Das wird erreicht durch die physikalischen Effekte der Konvergenz vor den Windparks und der Divergenz mit anschließender Austrocknung hinter den Parks. Das bedeutet die Luft wird vor den Parks an den Windrädern gestaut, zusammengepresst und entweicht in die Höhe. Dahinter sinkt die Luft wieder in alle möglichen Richtungen zu Boden und trocknet dadurch aus wie ein Föhn-Fallwind nach Überquerung eines Gebirges.
Wenn die Luft das Festland erreicht, sei ein großer Anteil der Feuchtigkeit bereits „herausgepresst“. „Wir haben in den Simulationen unserer Studie eine 30-prozentige Reduzierung der Niederschläge erzielt“, sagt Geo-Ingenieurin Cristina L. Archer (8). Die Ergebnisse der Studie kommen der Offshore-Windbranche der USA natürlich wie gerufen, da sie nun argumentieren können, dass ihre Windparks die Gefahren durch Hurrikans und Starkregen reduzieren.
Auswirkungen von Windparks auf die Tierwelt
Die Auswirkungen auf Tier- und Pflanzenwelt wurden ausführlich in einem Dokument der Wissenschaftlichen Dienste des Deutschen Bundestags beschrieben ( 5 ). Demnach stellen Windparks nach der Bau- und Erschliessungsphase für die meisten am Boden lebenden Zucht- und Wildtiere kein grösseres Problem dar.
Allerdings kann es bei Tieren, die noch höhere Frequenzbereiche hören können als der Mensch, wie z. B. bei Pferden oder Rindern, zu Hörschäden kommen. Nicht zu unterschätzen sind auch die Kollisionsraten von Greifvögeln wie Bussard, Milan oder Seeadler sowie von Fledermäusen mit den Rotoren, die zumindest regional die Bestände besonders des Mäusebussards dezimierten.
Ist Solarkraft besser als Windenergie?
Solarenergie verursacht nur ein Zehntel des Temperaturanstiegs von Windkraft und benötigt auch nur ca. ein Zehntel der Fläche für die Erzeugung der gleichen Energiemenge. Sie ist damit ressourcenschonender und würde auch die Bemühungen der Menschheit in puncto Bremsen des Klimawandels durch CO 2-Reduzierung deutlich früher belohnen, nicht erst nach über 100 Jahren, wie es Miller und Keith für die Windkraft prognostizieren.
Natürlich nennen auch die beiden Harvard-Ingenieure, wie bei guten Wissenschaftlern üblich, eine Reihe an Hypothesen und Unsicherheiten, die in ihre Modelle eingeflossen und nicht absolut verifizierbar sind. Aber die Tendenz deutet auf einen klimaerwärmenden Effekt von Windparks hin.
Nicht unerwähnt bleiben sollte auch eine Gegendarstellung von Mark Z. Jacobson, der Miller und Keith vorwirft, den wasserdampfreduzierenden Effekt von Windrädern in ihrer Studie nicht berücksichtigt zu haben. Eine Reduktion dieses Treibhausgases (des Wasserdampfs) bringe eine Abkühlung der Atmosphäre mit sich.
David Keith aber versicherte dem Autor des vorliegenden Artikels persönlich, dass die dem Artikel zugrunde gelegte Harvard-Studie auf einer langjährigen Reihe von expertengeprüften Studien basiert und das verwendete Wetterforschungs- und Klimaprognosemodell bewährt ist. Es wurde in Zusammenarbeit von einer Community von Forschern entwickelt und auf alle gängigen Qualitätsstandards geprüft.
Bleibt abzuwarten, wie die Politik weltweit diese Erkenntnisse bewertet und ob ein Umdenken bzw. eine kritischere Auseinandersetzung mit den erneuerbaren Energien, insbesondere der Windkraft, stattfindet.
Tipp der ZDG-Redaktion:Wer persönlich für das Klima aktiv werden möchte, kann zunächst bei sich selbst beginnen, etwa mit einer pflanzenbasierten Ernährung, da gerade die Fleischproduktion enorm klimaschädlich ist.