Warum sind Windkraftwerke auf topografisch erhöhten Standorten besonders gefährlich für Großvögel?

Warum sind Windkraftwerke auf topografisch erhöhten Standorten besonders gefährlich für Großvögel?

Vortrag zum 8. Internationalen Symposium vom 10.10. – 12.10.2014 in Halberstadt: „Populationsökologie von Greifvogel- und Eulenarten“

von Reimut Kayser



In den windschwachen Gebieten Süddeutschlands, insbesondere Baden-Württemberg und Bayern, war die Nutzung der Windenergie zur Stromerzeugung lange Zeit recht unattraktiv. Seit der Entwicklung größerer Windenergieanlagen (WEA) mit Naben­höhen von ca. 140 m und Rotordurchmessern zwischen ca. 100 – 120 m, mit Nennleistungen von meist 2,5 – 3 MW, insbesondere von speziellen Schwach­wind­kraft­werken wie der Nordex N-117 (2,4 MW) mit einem Rotor­durch­mes­ser von 117 m, lag Bayern 2012 im Zubau von WEA auf Rang 5 im bundesweiten Vergleich mit durchschnittlich 133,9 m Naben­höhe der 2012 erstellten WEA1). Abbildung (Abb.) 9 zeigt die Größenzunahme der WEA von 1990 – 2013 in Deutschland.

Abbildung 9. Quelle: „Windenergiereport Deutschland, 2013“, Fraunhofer IWES
Abbildung 9. Quelle: „Windenergiereport Deutschland, 2013“, Fraunhofer IWES

Abbildung 5. Quelle: „Windenergiereport Deutschland, 2013“, Fraunhofer IWES
Abbildung 5. Quelle: „Windenergiereport Deutschland, 2013“, Fraunhofer IWES

Abbildung 6. Quelle: Siegfried Heier „Nutzung der Windenergie“, Fraunhofer IRB, 2012
Abbildung 6. Quelle: Siegfried Heier „Nutzung der Windenergie“, Fraunhofer IRB, 2012

Um die großflächig geringe Windgeschwindigkeit (z. B. in Bayern) besser zu nutzen, werden von den WEA-Investoren sehr bevorzugt topografisch erhöhte Standorte ausgewählt: Hügel, Bergrücken, Hangoberkanten sowie Hochflächen, die an Talflanken von (Fluss-)Tälern anschließen. Dabei bewirkt bereits eine geringe Erhöhung der durchschnittlichen jährlichen Windgeschwindigkeit von z. B. sechs Metern pro Sekunde (6 m/s) (etwa in der Region München) auf 7 m/s (etwa in der Region Hamburg) fast eine Verdoppelung des Stromertrags, da die Leistung mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit ansteigt2). Die Zunahme der Windgeschwindigkeit mit der Höhe über Grund zeigen die Abb. 5 und 6, die daraus resultierende Standortwahl die Abb. 7 und 8; Abb. 8 zeigt einen typischen WEA-Standort im südlichen Bayern (Allgäu) auf einer bewaldeten Anhöhe. WEA in Waldrandnähe erzeugen zusätzliche Kollisionsgefahren für größere Vogelarten. Die dezentrale, weit gestreute Stromgewinnung geschieht in Süddeutschland somit verbrauchernah mit kurzen Leitungswegen. Die Notwendigkeit, „Windstrom“ aus dem Norden mittels monströser Überlandleitungen zu den Verbrauchern im Süden zu bringen, wird zumindest stark verringert. Gerade die sehr großen geplanten Fernstromleitungen werden jetzt schon heftigst bekämpft. Zudem bieten WEA-Projekte auch im Süden respektable finanzielle Anreize auch für kleinere mittelständische Unternehmen sowie Kapitalbeteiligungen für Kommunen und Bürger im Standortbereich. Diese „Wertschöpfung vor Ort“ erhöht die Akzeptanz bei Kommunalpolitikern und Bürgern im Umfeld der WEA-Projekte.

Abbildung 7. Quelle: „Windenergiereport Deutschland, 2013“, Fraunhofer IWES
Abbildung 7. Quelle: „Windenergiereport Deutschland, 2013“, Fraunhofer IWES

Abbildung 8. Typischer WEA-Standort in Bayern. Quelle: Augsburger Allgemeine Zeitung – 30. 12.2011
Abbildung 8. Typischer WEA-Standort in Bayern. Quelle: Augsburger Allgemeine Zeitung – 30. 12.2011

Der folgenden Darstellung liegen sehr viele gezielte Beobachtungen zugrunde zum Flugverhalten von Rot- und Schwarzmilan, vor allem seit 1974 aus den Landkreisen Dillingen/Donau und Donau-Ries (beide Lkr. im Reg.bez. Schwaben/Bayern), die zu den drei Regionen mit den höchsten Populationsdichten des Rotmilans in Bayern gehören (Ergebnisse der bundesweiten Rotmilan-Kartierung 2011/12 für Bayern: Ornithologische Fachtagung des bayerischen Landesamtes für Umwelt in Augsburg, Februar 2013). Mit zahlreichen Fachleuten aus Ornithologie und Naturschutz wurden meine Beobachtungen immer wieder diskutiert und bestätigt.

Abbildung 2.
Abbildung 2.

Abbildung 3.
Abbildung 3.

Für Großvögel, besonders für den Rotmilan, vergrößern aber die WEA-Standorte auf erhöhten (exponierten) Geländebereichen zusätzlich das schon grundsätzlich vorhandene Kollisionsrisiko mit WEA-Rotoren erheblich. Die Abb. 2 und 3 zeigen die Dimensionen und technischen Daten von WEA und die daraus resultierende grundsätzliche Gefährdung besonders für größere Vogelarten.

Abbildung 10.
Abbildung 10.

Abb. 10 zeigt die Entstehung des Auftriebs am Profil (Querschnitt) des Vogelflügels: Bei langsamem Flug hat der Stau auf der Unterseite den Hauptanteil an der tragenden Wirkung (z. B. durch Thermik, Hangwind). Je schneller die horizontale Luftströmung auf die Vorderkante des Profils wirkt, desto größer wird der Anteil des oberseits wirkenden Sogs am Auftrieb.

Abbildung 11.
Abbildung 11.

Schema des Thermiksegelns (n. JADOUL) am Bsp. des Schwarzstorchs:
Will der Vogel Energie sparend zu einem weit entfernten Nahrungsgebiet
gelangen (Distanzflug), kann er als Aufstiegshilfen für seine langen
Gleitflugstrecken
  a) Thermiksäulen oder/und
  b) Hangwinde
nutzen. Hügelketten oder lange Talflanken (in Flusstälern) werden daher
bevorzugt aufgesucht.  Auch die im Bild gezeigten Waldrandbereiche
können Aufwinde erzeugen.

Abbildung 12.
Abbildung 12.

Gerade die Suchflugjäger Rot- und Schwarzmilan bevorzugen Geländebereiche, die ihnen günstige Bedingungen für den notwendigen Energie sparenden Segelflug bieten:

  1. Geneigte Flächen erwärmen sich bei Sonneneinstrahlung stärker und erzeugen stärkere aufwärts gerichtete Warmluftströme (Thermik, Thermiksäulen) als über ebenen Flächen.
  2. Winde werden an Hängen nach oben abgelenkt. Es entstehen – auch bei bedecktem Himmel – Auftrieb erzeugende Hangwinde.
  3. Warum sind bereits flache und geringe Geländeerhebungen schon attraktive „Aufstiegshilfen“ für größere Vögel?
    • Die Hangwind- bzw. Aufwindsituation wirkt noch ein gutes Stück über die Geländeoberkante hinaus,
    • (stärkere) Thermik wirkt ohnehin in größere Höhen hinauf. In beiden Fällen genügt es, dann die höheren Luftschichten zu erreichen, wo auch die horizontale Anströmung des Flügels stark genug wird, um genügend Auftrieb über das Flügelprofil zu erzeugen (s. Abb. 12).
  4. Nicht nur für den Jagdflug vor Ort bieten Hangbereiche – übrigens weit über deren Höhenbegrenzung hinaus – hervorragende Bedingungen, sondern auch für „Transfer“-Flüge zu weit entfernten Zielen: Thermiksäulen dienen als stets genutzte „Aufstiegshilfe“ zum Höhengewinn im spiraligen Kreisflug für Großvögel, die dann wiederum Energie sparend im Gleitflug große Strecken überwinden. Z. B. der Schwarzstorch legt so Entfernungen über 15 km mittels mehrerer Thermiksäulen ohne Ruderflug-Strecken vom Brutplatz bis zum Nahrungshabitat zurück.
  5. Ähnlich Kraft sparend können Hügelketten oder Talflanken von (Fluss-)Tälern für Distanzflüge genutzt werden. Auch für Revier anzeigende Flüge und Balzflüge werden Thermik und Hangwind sehr häufig genutzt. Die gleiche Attraktivität von Geländeerhebungen für die Nutzung der Windenergie und die Flugaktivitäten von Großvögeln lässt sich treffend so zusammenfassen: Windkraftwerk-Betreiber und Großvögel haben dasselbe topografische Suchprogramm.

Abbildung 17.
Abbildung 17.

Abbildung 18.
Abbildung 18.

Abbildung 19. Quelle: Siegfried Heier „Nutzung der Windenergie“, Fraunhofer IRB, 2012
Abbildung 19. Quelle: Siegfried Heier „Nutzung der Windenergie“, Fraunhofer IRB, 2012

Besonders kollisionsträchtig sind daher einzelne WEA oder gar „Windparks“, z. B. an Oberkanten von Flusstälern, die quer zu den Hauptwindrichtungen aus dem westlichen Sektor verlaufen. Die von Süd nach Nord verlaufenden zahlreichen Flusstäler, die den Alpenraum in Süddeutschland bis zur Donau hin entwässern, sind besonders kritisch (Beispiel: Abb. 18). Zudem haben sie streckenweise hohe Attraktivität für süd(west)wärts ziehende Großvögel. Schon vor dem alpennäheren Bereich bietet die flussauf immer mehr vorherrschende Grünlandnutzung besonders gute Nahrungshabitate. Gerade (steilere) Hangbereiche werden meist nicht ackerbaulich genutzt, sondern als Wiesen. Dadurch ergeben sich längere Aufenthaltszeiten (vor allem im Spätsommer/Herbst) und erhöhte Flugaktivitäten in besonders kritischen Bereichen: WEA, die quer zur Hauptwindrichtung an der Taloberkante eines von Süd nach Nord strömenden Flusses aufgereiht sind (s. Abb. 19),

  • können in geringerem seitlichen Abstand zueinander gestellt werden (üblicherweise ca. das 3,5-Fache des Rotordurchmessers), wodurch die Lücken für den Durchflug relativ eng werden,
  • bieten Vögeln, die nun mal gerne und häufig über dem Hangkantenbereich segeln, in der Regel die größtmögliche Risikofläche an, da
    a) die Rotationsebene sich immer senkrecht zur jeweiligen Windrichtung einstellt,
    b) (Groß-)Vögel sich im (kreisenden) Segelflug gerne vom Wind seitlich verdriften lassen und damit bereits bei einer einzigen Flugroute für längere Zeit bzw. öfters in den Rotorbereich gelangen können.

Abbildung 3.
Abbildung 3.

Die zuletzt genannten Zusammenhänge werden durch folgende technische Daten noch deutlicher

  • Selbst bei einem langsam laufenden Schwachwindkraftwerk wie der Nordex N-117 beträgt die Zeit für einen heilen Durchflug, wenn er mittig zwischen zwei Rotorblättern stattfindet, bei minimaler bzw. maximaler Umdrehungszahl des Rotors 1,91 bzw. 0,75 Sekunden (ohne Berücksichtigung des zusätzlichen Risikos infolge von Turbulenzen im näheren Bereich der Rotorblätter). Dazu: siehe Abb. 3.
  • Der Risikobereich (vom Rotor überstrichene Kreisfläche) einer Nordex N-117 beträgt 1,071 Hektar [ha]. Bei einem Windpark mit acht Nordex N-117 ergibt sich dann eine Risikofläche von über 8,5 ha quer zur Windrichtung bzw. zur Flugrichtung.

Abbildung 13.
Abbildung 13.
  • Durch Stau des auftreffenden Windes an der Waldkante entsteht ein verdichtetes „Luftpolster“
  • dieses erzeugt bereits vor dem Hindernis des Waldrandes eine Aufwindzone, da höhere Luftströmungen über das Luftpolster hinwegstreichen müssen.
  • Aber auch in größerer Distanz vom Waldrand ins Bestandsinnere herrschen gute Aufwind- verhältnisse, da die stark abgebremste Luftschicht in der Baumwipfelebene (intensiv rot dargestellter Bereich) das Luftpolster auch noch weit nach hinten unterstützt. Im Grenzbereich Luftpolster/ darüber strömende Luftschichten sind die Turbulenzen besonders stark. Großvögel vermeiden diese durch Aufenthalt in ruhigeren Luftschichten, die etwa in 3-4-facher Baumhöhe erreicht werden. Somit gelangen sie leicht in die Risikozone auch großer WEA, wenn die Wipfelhöhe z. B. bei 25 – 30 m liegt.
  • Warum überfliegen Großvögel ausgedehntere Waldgebiete oft in relativ großen Höhen von häufig 100 – 200 m?
    Großvögel wollen v. a. größere Strecken (Distanzflüge) im Energie sparenden Segelflug zurücklegen:
    • Bei sonnigem Wetter wird das Prinzip des Thermiksegelns bevorzugt. Da über Waldgebieten die Entstehung von aufsteigender Warmluft (Thermik) gegenüber dem Offenland erheblich verringert ist, muss vom Vogel die Thermiknutzung über dem Offenland zum Aufstieg in höhere Luftschichten genutzt werden, so kann a) im Gleitflug (mit Höhenverlust) eine größere Strecke überwunden werden oder b) bei leichtem Wind dann in entsprechender Höhe die hier dann ausreichend schnelle Luftströmung für den Auftrieb über das Flügelprofil genutzt werden. Somit ist dann Energie sparender Segelflug auch ohne Höhenverlust möglich.
    • Bei bereits mäßigem Wind werden Geländeerhebungen oder/und Waldrandbereiche ebenfalls als Aufstiegshilfen in die Höhenschichten größerer Windgeschwindigkeit genutzt. Die schwarzen Pfeile in Waldrand-Nähe in Abb. 13 symbolisieren den Aufwind.
    • Bei stärkerem Wind wird eine größere Flughöhe auch aus anderen Gründen bevorzugt: Im Höhenbereich der Wipfelebene wird der Wind sehr stark abgebremst, der Geschwindig- keitsunterschied zur nächst höheren, darüber weggleitenden Luftströmungsschicht ist hier in einem bestimmten Grenzbereich (gleich oberhalb des roten Balkens) am größten. Folglich sind hier die größten Turbulenzen! Mit zunehmender Höhe nimmt der Unterschied (Gradient) der einzelnen Windgeschwindigkeiten zwischen den einzelnen geschichteten Luftströmungen immer mehr ab: Die Turbulenzen werden immer schwächer, die Strömung immer mehr laminar (blaue Pfeile). Daher vermeiden Großvögel vor allem für ihren Segelflug die niedrigeren Höhenbereiche mit Turbulenzen.
    Stark vereinfachte schematische Darstellung: Je intensiver die rote Schraffierung (oberhalb des roten Balkens), desto stärker ist die Turbulenz. Zunehmende Stärke der grünen Signatur stellt die Abnahme der Turbulenzen mit Übergang zur laminaren Strömung (blaue Pfeile) dar.
    Aus dem gleichen Grund – nicht nur wegen der höheren elektrischen Leistung in größerer Höhe – wollen WEA-Investoren größere Nabenhöhen gerade über Waldgebieten. Die hohe Rauigkeit der Wipfelebene erfordert einen relativ höheren Abstand der Nabe zu dieser als über „glatterem“ Offenland. (LINKE, 2008, mündlich, HEIER, 2012). Denn die starken Druckschwankungen (Sog und Druck) in den tieferen Luftströmungen belasten Material und Konstruktion in hohem Maße.
    Hier ist folgender Einwand naheliegend: Warum meiden Großvögel beim Aufstieg nahe vor/über dem Wald nicht die dortigen z. T. starken Turbulenzen, wenn sie andererseits bei (Distanz-)Flügen über den Wald hinweg auch schwächeren Turbulenzen nach oben ausweichen? Im ersten Fall überwiegen die Vorteile des Energie sparenden Aufstiegs bzw. Segelflugs im besonders günstigen Jagdhabitat Waldrand-Offenland bzw. die Erleichterung von Revier- und Balzflügen klar die Nachteile. Zudem kann stärkeren Turbulenzen auch etwas ausgewichen werden. Bei einem längeren Flug über den Wald hätte ein Vogel im Turbulenzbereich nur lang einwirkende Nachteile, aber in höheren, stärkeren Luftströmungen hat er nur Vorteile (Profilwirkung).

Auch die häufig gewählten WEA-Standorte im Bereich von Waldrändern erhöhen das Kollisionsrisiko für Großvögel erheblich:

  • Am Waldrand und im Kronenbereich dahinter staut sich die anströmende Luft und nachfolgende Strömungen müssen über dieses „Luftpolster“ hinweg nach oben gleiten. Dieser Effekt wirkt bis etwa zur dreifachen Höhe der Waldkante, bei z. B. 30 m Wipfelhöhe bis ca. 90 m - damit bis in den unteren Bereich auch sehr großer WEA (eigene Beobachtungen, G. HONOLD jun., mündlich, 2012). Dazu: siehe Abb. 13.
  • Großvögel benutzen gerne diese lokalen Aufwärtsströmungen für Balz- und Revierflüge, als Energie sparende Aufstiegsmöglichkeit für nachfolgende Distanzflüge und besonders gern für Kraft sparenden Segel-Suchflug: denn im Übergangsbereich Wald-Offenland sind meist auch die besten Nahrungshabitate.
  • Waldränder mit stark gekrümmten Linien (Einbuchtungen, Vorsprünge u. ä.) können aus sehr unterschiedlichen Windrichtungen Aufwinde erzeugen und haben daher besonders hohe Attraktivität für (jagende) Großvögel. Dazu: siehe Abb. 14, 15 und 16.

Abbildung 14.
Abbildung 14.

Abbildung 15.
Abbildung 15.

Legende zu den Abbildungen 14 und 15: Ausschnitt TK 1 : 25.000; Luftbild 1 : 12.500

  • Waldränder sind auch wegen der Grenze zwischen verschiedenen Lebensraum-Typen besonders ergiebige Nahrungshabitate insbesondere für Greifvögel. Bläst der Wind auf die Waldkante, dann fallen günstige Bedingungen für den Segelflug und für das Nahrungsangebot zusammen: besonders hohe Attraktivität für Suchflugjäger wie Milane.
  • Die Bereiche ca. 50 – 70 m vor und nach dem Waldrand sind daher besonders kritische WEA-Standorte.
    Die Anziehungskraft von Waldrandbereichen wird noch erheblich gesteigert, wenn die Waldränder starke Richtungsänderungen in Form von Einbuchtungen, schmalen Vorsprüngen u. ä. aufweisen, dadurch wird
  • der als Nahrungshabitat (Jagdgebiet) besonders ergiebige Grenzbereich Wald/Offenland wesentlich länger und
  • Wind aus sehr unterschiedlichen Richtungen führt zu sehr günstigen Bedingungen für Suchflugjäger. Auch als Horststandorte sind vielgestaltige Waldränder besonders bevorzugt.
  • Wichtig ist noch folgende Beobachtung: Auch Ansitzjäger wie Mäuse-bussarde benutzen bei ihren besonders ausgiebigen Revier- und Balzflügen gern Waldränder oder/und Hangbereiche als Aufstiegshilfen, ähnlich auch Wespenbussarde. Baumfalken jagen im Waldrandbereich, vor allem um den Horst, besonders häufig und ausgiebig auf Insekten, sie gelangen dabei in alle Höhenbereiche bis ca. 250 m und damit auch in den Risikobereich von WEA-Rotoren. Die vielen Hin- und Herbewegungen beim Insektenjagdflug erhöhen das Kollisionsrisiko.

Abbildung 16.
Abbildung 16.

Zukunftsaspekt:

Die stetig weiter zunehmende Intensivierung der Landwirtschaft verschlechtert die Nahrungsbedingungen gerade für Suchflugjäger wie Milane und Weihen immer gravierender: Einerseits geht die Zahl der Beutetiere durch Verlust von Grünland, Hecken und Feldrainen zurück. Andererseits wird die Erreichbarkeit der Nahrung immer mehr erschwert durch Zunahme der Flächen mit hochwachsenden Kulturpflanzen, insbesondere von „Energiepflanzen“ wie Mais und Raps. Gerade zur Zeit des höchsten Nahrungsbedarfs für eine Rotmilan-Familie ab Ende Mai bis Ende Juli sind große Landschaftsteile für den Nahrungserwerb gleichsam versiegelt. Die Bilanz zwischen Energieverbrauch beim Jagdflug und Energiegewinn bei der Nahrungsaufnahme wird immer kritischer, je weiter bzw. zeitlich länger die Suchflüge werden müssen. In der Folge werden Geländeerhebungen und Waldränder noch wichtiger und attraktiver wegen ihrer günstigen Bedingungen für den Energie sparenden Segelflug.

FAZIT:

Der landwirtschaftliche Strukturwandel, ohnehin ein entscheidender Faktor für den Rückgang der Rotmilanpopulation, nimmt zusammen mit dem weiteren Ausbau der Windkraft Milane u. a. größere Vögel gleichsam „in die Zange“. Dabei ist das Problem noch ziemlich im Anfangsstadium: Ende 2013 waren „onshore“ 24.008 WEA mit 33.658 MW Gesamtleistung in Deutschland im Betrieb3). Nach Vorgaben der Bundesregierung (u. a. BMU, 2012) sollen bis 2050 ca. 78.500 MW Nennleistung durch WEA an Land (insgesamt „on- und offshore“ ca. 85.000 MW) installiert werden.

Dillingen, Dezember 2014
Reimut Kayser



Nachtrag der Redaktion:

Die in Abbildung 13 dargestellte Form der Windströmung nennt sich Logarithmisches Windprofil. Der mathematische Hintergrund dazu ist bei Wikipedia dargestellt.

Zuletzt geändert: 2017/12/26 17:06
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