Führen Windkraftanlagen zu Erwärmung und weniger Niederschlägen?

Verschiedene Studien haben die Fragestellung aufgeworfen, ob der vermehrte Ausbau von Windkraftanlagen zumindest auf lokaler Ebene zu negativen Folgen führen kann. Diese Frage ist insbesondere dann naheliegend, wenn ein Land wie Deutschland die Anzahl der Windkraftanlagen vervielfachen möchte.

Dann sollte man untersuchen, ob ein solcher Eingriff in die Windzirkulation das Klima im nachgelagerten Bereich von Windkraftanlagen verändern könnte. Auszuschließen ist dies nicht, wie im Folgenden gezeigt wird.

„Was aber ist dümmer, als Unsicheres für sicher und Falsches für wahr zu halten?“, fragte einst der römische Redner und Staatsmann Marcus Tullius Cicero. Dieses Zitat lässt sich in zwei Richtungen interpretieren: Weder sollte man Sachverhalte als erwiesen betrachten, wenn noch keine eindeutigen Belege hierfür vorliegen, noch sollte man sie ablehnen, wenn diese nicht mit Sicherheit verworfen werden können.

Viele Fragen, wenig Antworten

Windkraftanlagen und Wetter zeigen dieses Spannungsfeld sehr gut. So findet man gerade in den letzten zwölf Monaten eine große Anzahl an Presseartikeln, deren Autoren glauben, die aufgeworfene Frage eindeutig verneinen zu können.

Auch die Politik sieht wenig Veranlassung, auf diese Fragestellung einzugehen. Eine dem Autor vorliegende Anfrage der bayrischen AfD-Landtagsfraktion stieß auf karge Auskünfte des zuständigen Ministeriums, welches im Wesentlichen auf eine Dokumentation des wissenschaftlichen Dienstes des Bundestags von 2021 verweist und auch ansonsten wenig Willen erkennen lässt, sich dieser Frage weiter zu nähern.

Eine eingehende Klärung dieser Fragestellung wäre aber für ein Land, das die Windkraft um ein Vielfaches ausbauen will, nicht von unerheblicher Relevanz. Daher schauen wir uns nachfolgend an, welche Erkenntnisse bis heute vorliegen, die eine solche Klärung notwendig erscheinen lassen.

Windkraftanlagen beeinflussen das Mikroklima

Fangen wir mit dem an, was unumstritten ist: Windräder beeinflussen vor allem nachts in ihrer Nachlaufzone das Mikroklima, in dem sie die vertikale Durchmischung der Luftmassen verwirbeln.

Auf diese Weise werden kältere und feuchte Luftmassen aus Bodennähe nach oben transportiert sowie wärmere und trockenere Luft von oben in tiefere bodennahe Schichten gebracht. In der Folge wird es also bodennah hinter dem Windrad trockener und wärmer.

Dieser Effekt wurde bereits 2012 mithilfe von NASA-Satellitendaten anhand von vier Windparks in Texas quantifiziert. Die Forscher ermittelten eine Erhöhung der Bodentemperatur in Höhe von 0,72 Grad Celsius über den Zeitraum einer Dekade im Vergleich zu nahegelegenen Messstationen ohne Windparkeinfluss.

Eine aktuellere Übersichtsstudie von 2022 stellte für 319 Windparks in den USA über den Zeitraum eines Jahres in 61 Prozent der Anlagen eine nächtliche Erwärmung fest, die im Durchschnitt 0,36 Grad Celsius betrug. Für die Absenkung der Bodenfeuchte haben chinesische Forscher bei einem Windpark in der Grenze zur Mongolei einen Wert von bis zu 4,4 Prozent für den Zeitraum eines Jahres ermittelt.

Die Reichweite dieser Effekte hängt naturgemäß von der Topografie der Umgebung ab. Auf glatten Oberflächen wie der Meeresoberfläche kann sich der Einfluss eines Offshore-Windparks bis auf 70 Kilometer hinziehen. Für einen Onshore-Windpark sind messbare Effekte auf wenige Kilometer begrenzt.

Mehr Windräder = weniger Strom pro Windrad

Was ist aber nun, wenn wir nicht nur von einem Windrad oder einem Windpark reden, sondern von einer großflächigen Installation von Windparks, wie dies gerade in Deutschland von der Bundesregierung geplant wird? Dann stellt sich unter anderem die Frage, ob nicht der Windzirkulation summarisch so viel Energie entzogen wird, dass die zur Verfügung stehende Windenergie signifikant reduziert wird.

Eine aktuelle Studie des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena quantifiziert diesen Effekt für die Stromausbeute von Windrädern. Sie gibt an, dass bei einer Verdreifachung der in Deutschland installierten Leistung von Windkraftanlagen auf 200 Gigawatt (GW) deren durchschnittlicher Kapazitätsfaktor, also das Verhältnis von durchschnittlich gelieferter zur installierten Leistung, um zehn bis 13 Prozent sinkt.

Eine nicht unerhebliche Zahl, vor allem, weil sie unter der Annahme errechnet wurde, dass diese 200 GW in Deutschland gleichmäßig verteilt installiert sind – ist dies nicht der Fall, fällt die Abnahme größer aus. Eine Studie, welchen Einfluss ein solches Szenario auf das Klima in Deutschland haben könnte, ist dem Autor dieses Artikels bis dato nicht bekannt.

Was bewirkt eine Vollversorgung mit Windkraftanlagen?

Eine Quantifizierung des Temperatureinflusses eines drastischen Ausbaus der Windkraft findet sich für die USA in einer Harvard-Studie von Lee Miller und David Keith aus dem Jahr 2018, in der die Autoren der Frage nachgegangen sind, was es bedeuten würde, wenn die USA ihren kompletten Strombedarf aus Windkraft beziehen würden, was einer Steigerung der US-Windkraftproduktion um den Faktor 14 entspräche.

Sie kamen in diesem Szenario auf eine durchschnittliche Erhöhung der Oberflächentemperatur der USA um 0,24 Grad Celsius. Dieser Erwärmungseffekt ist aber nicht gleichmäßig verteilt, sondern konzentriert sich auf die in der Studie modellierten Windanlagenzonen in der Mitte der USA.

Zudem zeigt sich ein ausgeprägter Unterschied zwischen Tages- und Nachtzeit, was mit dem eingangs besprochenen Effekt der Luftdurchmischung im Nachlauf der Windkraftanlagen zu erklären ist. Im Bereich der Windanlagenzonen werden nachts in weiten Bereichen Temperaturerhöhungen von bis zu 1,4 Grad Celsius errechnet, was sicherlich nicht mehr als vernachlässigbare Größenordnung gesehen werden kann. Mit anderen Worten: Die Technik, die die „Klimaerwärmung“ stoppen soll, führt selbst zu lokaler Erwärmung.

Windkraftanlagen mit Soforteffekt

Dabei sind sich die Forscher zweier Einschränkungen bewusst: Zum einen ist ein solches Ausbauszenario der Windkraft in den USA nicht denkbar – die Rechnungen haben insoweit einen hypothetischen Charakter – und zum anderen haben die Autoren darauf hingewiesen, dass die Simulationsrechnungen nicht 1:1 auf andere Regionen der Welt übertragbar seien.

Angesichts der hier errechneten Größenordnung der klimatischen Effekte in Gebieten mit hoher Windkraftanlagendichte stellt sich aber durchaus die Frage, warum solche Untersuchungen nicht in Deutschland erfolgen – wo insbesondere im windreichen norddeutschen Raum mit einer Dichte von Windkraftanlagen zu rechnen sein dürfte, die der Größenordnung der Studie entsprechen dürften.

In einer begleitenden Pressemitteilung weisen die Autoren auch auf einen wesentlichen zeitlichen Aspekt hin: Die direkten Auswirkungen der Windenergie auf das Klima träten sofort auf, während sich die Effekte der Reduktion anthropogener CO₂-Emissionen erst wesentlich langsamer ergäben.

Darf es etwas Meer sein?

Zu guter Letzt lohnt es sich, einen Blick auf die Thematik von Offshore-Anlagen zu werfen. Bereits gesagt wurde, dass diese aufgrund der glatten Meeresoberfläche einen besonders weiten Nachlaufbereich aufweisen können.

Ein weiterer Effekt wurde in einer Veröffentlichung von Nicolas Fahel und Christina Archer von der University of Delaware beschrieben. Diesen kann man so beschreiben, dass großflächige Offshore-Windparks einen ähnlichen Einfluss auf die Luftzirkulation ausüben wie die Landmassen der Küste: Niederschläge verlagern sich von der Küste zu den Offshore-Windparks, wodurch es in deren Nachlauf zu vermehrter Trockenheit an der Küste kommt.

Um diese Hypothese mit realen Daten zu validieren, haben die Autoren Niederschlags- und Windgeschwindigkeitsdaten in der Nähe zweier britischer Windparks – Walney und Burbo Bank – gesammelt und mit Daten von vergleichbaren Wetterstationen verglichen, die sich nicht im Nachlaufbereich von Windkraftanlagen befinden. Die Messergebnisse lassen sich so zusammenfassen, dass sich im Nachlauf der Offshore-Windparks eine Abnahme der Windgeschwindigkeit um acht Prozent und der Niederschlagsmengen um zehn Prozent ereignet.

Zu einem ähnlichen Ergebnis kamen dänische Wissenschaftler. Diese haben den Einfluss von drei vor der westdänischen Stadt Esbjerg liegenden Offshore-Windparks untersucht und ermittelt, dass diese die Windgeschwindigkeit im Gebiet von Esbjerg um bis zu zehn Prozent reduzieren. Die Forscher schließen, dass der weitere Ausbau der Offshore-Windenergie vor der Küste Dänemarks den Effekt weiter verstärken könnte.

Effekt bekannt – eigentlich

An dieser Stelle soll nun ein Strich gezogen werden. Es gibt mehr als klare Hinweise, dass der großflächige Ausbau der Windkraft deutliche Effekte auf das lokale Klima haben könnte und es wäre Zeit, sich Klarheit zu verschaffen, wie groß dieser Einfluss für Deutschland sein könnte.

Die bereits eingangs erwähnte Dokumentation des Bundestags aus dem Jahr 2020 kommt jedoch nach einer Diskussion der Studienlage zu der überraschenden Schlussfolgerung, dass „der in Europa feststellbare Zuwachs an Dürreperioden nicht infolge des Betriebs von Windrädern erklärt werden könnte“.

Dies ist ein rhetorischer Kniff, denn zum einen behauptet niemand, dass gegenwärtig auftretende Dürreprobleme monokausal durch Windräder bedingt seien, zum anderen wird mit dieser Feststellung die Fragestellung umgangen, ob durch einen großflächigen Ausbau der Windkraft die hier diskutierten Effekte deutlicher als bisher zutage treten.

In einem Interview mit dem „Nordkurier“ fasste Prof. Ganteför diese unbefriedigende Situation wie folgt treffend zusammen: „Ich habe erstaunlich wenig Papers zu diesem Thema gefunden. Und zugleich wird die Windkraft weiter stark ausgebaut. Eigentlich brauchen wir hier Klimamodellrechnungen für das lokale Umfeld, also für Norddeutschland zum Beispiel, die eingebettet werden in die großen Klimamodelle.“

Im Sinne von Marcus Tullius Cicero ist dies gleichbedeutend mit der Forderung, dass wir von einer Unbedenklichkeit eines massiven Windkraftausbaus für das Klima erst dann ausgehen dürfen, wenn wir dies mit hinreichender Sicherheit ausschließen können.

Derzeit dürfen wir hiervon nicht ausgehen.

Über den Autor:

Dr. rer. nat. Christoph Canne (geboren 1971 in Saarlouis), Diplom-Chemiker und Diplom-Kaufmann, ist Bundespressesprecher der Bundesinitiative VERNUNFTKRAFT e. V. Der Verein verfolgt satzungsgemäß den Zweck, „im Rahmen energie- und umweltpolitischer Fragestellungen im Wege der Volks- und Berufsbildung über ökologische, ökonomische und technische Zusammenhänge zu vermitteln. Weiteres Ziel ist, sachgerechte und fundierte Einschätzungen der Auswirkungen umwelt- und energiepolitischer Maßnahmen auf die Allgemeinheit und die Natur zu befördern.“