Windräder scheinen das Klima ihrer Umgebung zu verändern und zu erwärmen. Zahlreiche Studien kommen jedenfalls zu dem Ergebnis, dass es in der Umgebung von Windkraft-Anlagen zu weniger Niederschlag kommt, insgesamt eine höhere Temperatur entsteht und folglich das Risiko von Dürren steigt.
Schon 2004 hatten amerikanische Ökologen der Princeton Universität in einem Simulationsmodell postuliert, dass Windparks das lokale Wetter und die Bodenfeuchte verändern könnten. Aus der Studie: „Die Ergebnisse zeigen, dass der Windpark den Wind auf Höhe des Rotors signifikant abbremst. Außerdem erzeugen die von den Rotoren erzeugten Turbulenzen Wirbelströme, […] was normalerweise zu einer Erwärmung und Trocknung der Oberflächenluft und zu einer Verringerung des fühlbaren Wärmestroms an der Oberfläche führt. Dieser Effekt ist am stärksten in den frühen Morgenstunden.“
2010 erschien eine Studie der Illinois Universität, in der auch Vorschläge gemacht werden, wie man diese Effekte minimieren könnte, darunter ein anderes Rotor-Design und die Platzierung von Windparks in Regionen mit ohnehin sehr volatilem Wetter.
Eine der ersten praktischen Langzeitstudien zum heute als „Wake-Effekt“ (oder „Wirbelschleppen“) bekannten Phänomen wurde zwischen 2003 und 2011 in den USA (Texas) durchgeführt. Dort befinden sich einige der größten Windparks der Welt. Die Forscher hatten im Betrachtungszeitraum mit Satellitendaten einen durchschnittlichen Anstieg der Oberflächentemperatur um bis zu 0,72 Grad Celsius gemessen, den sie mit den lokalen meteorologischen Auswirkungen der Windturbinen in Verbindung setzten. Die Temperatur in der Umgebung der Windparks in West-Zentral-Teskas wurde hierfür mit der Temperatur in den nahe gelegenen Regionen ohne Windparks verglichen.
Wake-Effekt: Luftschichten werden durcheinander gewirbelt
Der Erwärmungs-Effekt sei höchstwahrscheinlich durch die Turbulenzen in den Turbinenwellen verursacht worden, die wie Ventilatoren wirken und nachts wärmere Luft aus höheren Lagen anziehen, so die Hauptautorin Liming Zhou.
Warme Luft steigt tendenziell auf, während kältere Luft absinkt. In der Nacht entsteht eine besondere Luftschicht, bei der die Luft unmittelbar über dem Boden relativ kühl ist, in darüber gelegenen Schichten ist es wieder wärmer. Diese Luftschicht nahe der Erdoberfläche sorgt normalerweise dafür, dass auch der Boden auskühlt. Die Rotorblätter mit ihrer Sogkraft durchmischen nun die Schichten der Atmosphäre, sodass die abkühlende Wirkung der bodennahen Luftschicht gehemmt wird. Eine Masse von Windrädern wirbelt die Luftschichten so stark durcheinander, also kalte Luftmassen nach oben und warme Luftmassen nach unten, dass es zu einer Erwärmung kommt. Die Lufttemperatur über dem Boden steigt, der infolgedessen in geringerem Maße auskühlt und wärmer bleibt.
Die Erwärmung fand überwiegend nachts statt. Tagsüber wurden nur vernachlässigbar geringe bis gar keine Temperaturanstiege gemessen. Die Erwartung der Autoren, dass im Tagesverlauf umgekehrt eine leichte Abkühlung sichtbar sein müsste, wurde in den Daten nicht bestätigt.
Die Forscher hielten ihre Ergebnisse damals für ein rein lokales Phänomen. Die Schätzung für das Ausmaß der Erwärmung durch die Windparks gelte zunächst einmal nur speziell für diese Region in Texas und beziehe sich zudem auf eine Zeit, in der die Windparks schnell expandierten. Die Schätzung sollte demnach nicht direkt auf andere Regionen und Landschaften übertragen werden. Es wäre auch falsch den Effekt für einen längeren Zeitraum zu extrapolieren – die lokale Erwärmung dürfte nicht weiter ansteigen, sofern die Anzahl der Windräder konstant bliebe.
Größere Bekanntheit erlangte die 2012 im Fachblatt „Nature Climate Change“ veröffentlichte Studie auch dadurch, dass sie von der US-Weltraumbehörde NASA thematisiert wurde. In den folgenden Jahren erschienen dann weitere wissenschaftliche Arbeiten zu klimatischen Auswirkungen von Windturbinen, von denen sich manche komplett auf den Beweis des reinen Wake-Effekts (im Sinne von Unterbrechung der natürlichen Luft-Durchmischung) fokussieren.
Windparks verändern das lokale Klima und trocknen die Böden aus
Eine weitere der wenigen Studien mit echten Daten aus dem Umkreis von Windparks wurde 2016 in Schottland durchgeführt. Ergebnis: Eine Erhöhung der nächtlichen Lufttemperatur (diesmal nicht der Bodentemperatur), eine höhere Luftfeuchtigkeit sowie Vertrocknung und Änderung des Mikroklimas der Böden. Die jüngste Praxis-Studie wurde erst dieses Jahr publiziert und kommt aus China, wo die Autoren untersuchten, wie sich einer der großen Windparks in der Grenzregion zur Mongolei auf die Umgebungstemperatur und die Feuchtigkeit der Böden auswirkte. Ergebnis: Die Bodenfeuchtigkeit sank erheblich, auch über das Gelände des Windparks hinaus.
Alle diese Studien beschränken sich auf Windparks an Land. Der Wake-Effekt ist in Offshore-Windparks besser sichtbar und die Auswirkungen sind eventuell größer. Die Abschwächung der Windgeschwindigkeit auf der windabgewandten Seite des Windparks und die darauf folgende Durchmischung der bodennahen Luft mit Luft aus hunderten Metern kann man dann in Form von Nebelbildung wahrnehmen. Nachgewiesen wurde das zum Beispiel für Windparks in der Nordsee.
Dass Windräder die Luft abbremsen, durchmischen und so das Umgebungsklima verändern, ist inzwischen Konsens. Das kann man so auch beim wissenschaftlichen Dienst des deutschen Bundestages nachlesen. Die Wechselwirkungen zwischen einer Windkraftturbine und ihren umgebenden Luftschichten beeinflusst die Feuchtigkeits- und Wärmeströmungen zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre. Lokale Gegebenheiten wie Geographie und Wetter spielen natürlich eine große Rolle darin, wie sich die Durchmischung der Luftschichten letztlich auf das Klima und die Böden auswirkt. Man sollte also nicht zu stark verallgemeinern.
Indes bestreiten manche Wissenschaftler, dass es zu einer Aufheizung kommt, teilweise wird ein neutraler oder sogar kühlender Effekt auf die Temperatur behauptet. „Betrachtet über die ganze Atmosphäre sehen sie gar keine Temperaturveränderung, sie sehen nur eine andere Verteilung der Wärme. Also unten wärmer, oben kühler – am Ende gleicht es sich wieder aus“, meint Dr. Stefan Emeis vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gegenüber dem mdr.
In Bezug auf die Texas-Studie zeigte sich der Experimentalphysiker Gerd Ganteför gegenüber dem Nordkurier mehr besorgt über weniger Regenfall als einen vermeintlichen direkten Temperaturanstieg. „Große Windräder bremsen den Wind logischerweise ab. Weniger Wind bedeutet weniger Verdunstung und damit weniger Niederschlag. Und wenn es trockener wird, könnte es eben auch passieren, dass es wärmer wird.“
Harvard-Forscher: Globale Abhängigkeit von Windkraft wäre schädlich fürs Klima
Eine 2018 veröffentlichte Studie von Meteorologen der Harvard-Universität untersuchte die klimatischen Auswirkungen von Onshore-Windparks für die gesamten USA auf Basis einer Simulationsrechnung. Dazu wurde die Annahme getroffen, dass die Windkraft eine entscheidende Rolle in der Stromversorgung der USA ausmacht. Die aus dem Modell folgenden um 0,24 Grad Celsius erhöhten Durchschnittstemperaturen (gemessen zwei Meter über Bodenhöhe) und die geringere Bodenfeuchte in der näheren Umgebung der Windparks wurden demnach durch eine Umwälzung der natürlichen Temperaturschichten verursacht. Die Studie postulierte darüber hinaus noch Effekte auf das überregionale Klima. Windparks können laut den US-Forschern auch größere überregionale Luftströmungen beeinflussen, was zu Dürreperioden und Starkregen führen könne.
Eine wichtige Kernaussage der Harvard-Wissenschaftler: Der globale Erwärmungseffekt durch Windparks dürfte die Wärmeverringerung durch die Dekarbonisierung der globalen Stromerzeugung im Verlauf eines Jahrhunderts grob ausgleichen. Übersetzt bedeutet das: Wenn die ganze Welt auf Windparks setzt, dann erwärmt sich der Boden so stark, dass man genauso auch bei fossilen Kraftwerken hätte bleiben können. Der Erdtemperatur wäre nicht geholfen. Und man hätte sich die gigantischen Kosten des Windkraft-Ausbaus, die schon heute weltweit kumuliert in der Größenordnung von Tausend Milliarden liegen, gleich sparen können.
Nun sprechen sich die Harvard-Forscher aber nicht pauschal gegen den selektiven Ausbau der Windkraft aus. Die Umweltauswirkungen von Windenergie seien „sicherlich geringer als die der fossilen Energien.“ Für die Erreichung der CO2-Ziele sollte man Wind- und Solarenergie auf Grundlage von Schätzungen ihrer klimatischen Auswirkungen bewerten und vergleichen. Bezüglich Aufheizungseffekten sehen die Autoren Solarparks klar im Vorteil, weil diese in ähnlichen Modellrechnungen nur ein Zehntel des Effekts von Windparks erreichen würden.
Modellstudie: Relevante globale Erwärmung durch Windparks denkbar
Es kann als gesichert gelten, dass Windparks das lokale Klima verändern, in Form von weniger Regen und trockeneren Böden in der Umgebung. Die Auswirkungen sind logischerweise umso stärker, je höher die einzelnen Windräder und je größer deren Rotor-Blätter sind, und hat auch umso größere Effekte auf die Umgebung, je weitflächiger der Windpark angelegt ist. Der Aufheizungs-Efffekt tritt besonders stark in den Sommermonaten auf, weil sich der Boden bei Sonneneinstrahlung stärker aufheizt. Nachts ist die Aufwärmung stärker als tagsüber.
Über die Stärke des postulierten Erwärmungseffekts wird noch viel diskutiert. Andere Faktoren wie die Bodenbeschaffenheit spielen hier eine Rolle. Sehr große Windparks oder viele Windparks auf einmal haben zudem sehr wahrscheinlich einen Effekt auf das globale Klima. Eine potentielle globale Erwärmung durch den Wake-Effekt ist hingegen kaum erforscht. Vielleicht ist das Weltklima einfach zu komplex, um so etwas jemals statistisch sauber erfassen zu können. Eine Langzeitstudie, die auf globalen Temperaturdaten basiert, existiert überhaupt nicht. Es gibt hier lediglich Modell-Studien.
Die meisten dieser Studien konstatieren einen signifikanten Einfluss auf das globale Wetter (Verteilung von Wolkenbildung und Regen), aber einen vernachlässigbaren Effekt auf die Welttemperatur. Einige wenige Modell-Studien errechnen eine global relevante Erwärmung. So kommt etwa eine bereits 2010 von MIT-Forschern veröffentlichte Arbeit zu dem Ergebnis, dass Onshore-Windkraftanlagen (im Modell machen sie 10 Prozent der weltweiten Stromversorgung aus) die durchschnittliche Landoberflächen-Temperatur um bis zu einem Grad Celsius erhöhen könnten.
Extremwetter vor allem im Umkreis von Windparks?
Die zunehmende Anzahl an Extremwetterereignissen wie längere Dürreperioden, Starkregen und Überflutungen werden häufig pauschal dem Klimawandel zugeordnet. Was aber, wenn diese lokalen Klimaveränderungen zumindest teilweise durch Windparks ausgelöst werden? Die obigen Studien deuten stark auf diese Möglichkeit hin.
Schon 2010 hatte die South China Morning Post laut Recherchen der Preußischen Allgemeinen Zeitung einen interessanten Artikel zum Austrocknungs-Effekt durch Windräder veröffentlicht. „12 Kilometer nördlich der Huitengliang-Windfarm in Xilinhot, Innere Mongolei, beobachtete der Hirte Siqinbateer ein seltsames Phänomen auf seiner Weide, das selbst Meteorologen verwirrt. ,Der Erdboden erwärmt sich schnell wie ein Ofen, und nicht ein Tropfen Regen fällt' sagte er während der Regensaison. Seine Behauptung deckt sich mit den Statistiken der Regierung. Li Qinghai, Ingenieur beim Wasserstatistischen Büro in Xilingol League, erklärte, die Niederschlagsdaten seines Büros würden seit 2005 einen deutlichen Rückgang der jährlichen Niederschläge in der Nähe großer Windparks anzeigen, in manchen Gegenden bis zu 80 Prozent. Daher würde er diese Problematik gern genauer erforschen, doch er fand keine Unterstützung für das Vorhaben.“
In Deutschland sind die Böden auffälligerweise häufig dort besonders trocken, wo eine hohe Konzentration von Windkraftanlagen vorliegt. Im Frühjahr 2021 wurde auf Vancouver Island (British Columbia) ein Windpark mit 55 Turbinen und knapp 100 Megawatt Leistung in Betrieb genommen. Im Sommer 2021 wurde in British Columbia in Lytton ein Hitze-Rekord gemessen; 2021 und 2022 gab es mehrmals Hochwasser auf Vancouver Island. Am schwindenden Colorado River ist womöglich nicht der Klimawandel schuld, sondern die Tausenden von Windkraftanlagen auf den Rocky Mountains.
Es wäre wohl angebracht, in Zukunft bei extremen klimatischen Ereignissen ganz genau hinzuschauen, ob sich in der Umgebung eventuell ein großer Windpark befindet. Anekdotische Evidenz sollte man nicht überinterpretieren, aber fest steht laut aktuellem Forschungsstand dies: Windparks verändern zumindest das lokale Klima, sorgen für weniger Niederschlag, machen die Boden trockener und können im Extremfall Dürreperioden auslösen. Windkraft hat also genau die gegenteiligen Folgen auf die Umwelt und das Klima, die man sich von seinem Ausbau verspricht - zumindest regional.
