Windparks verändern die Nordsee

Ein Team um Nils Christiansen vom Helmholtz-Zentrum Hereon hat eine Studie zu den Einflüssen von Offshore Windparks auf die Ozeandynamik veröffentlicht. Im Fokus stand eine Abschwächung des Windes und einhergehende Veränderungen der physikalischen Bedingungen der betroffenen Nordseegebiete. Denn die Windkraftanlagen stellen Hindernisse für Wasser und Luft dar. Die Effekte sind im Hinblick auf die Planung zukünftiger Offshore Windparks von großer Bedeutung. Die Studie erschien im Fachmedium Frontiers in Marine Science.

Die imposanten Aufnahmen der Offshore Windparks in der Nordsee mit Blick auf das glitzernde Wasser haben sich fest in den Köpfen eingebrannt. Sie gehören bereits wie der Wattwurm zum Bild der Nordsee. Doch welche nicht sichtbaren Zusammenspiele und Auswirkungen gehen mit dem wichtigen Baustein deutscher Energiewende einher?

Die Studie des Hereon-Instituts für Küstensysteme – Analyse und Modellierung simuliert eine Abschwächung der Windgeschwindigkeit auf der windabgewandten Seite (Lee-Seite) der Parks. Belegt wurde das Phänomen kürzlich von einem Hereon-Team, dessen Studie im Journal Nature erschien (Akthar et al., 2021). Auslöser für die Abschwächung des Windes sind die Turbinen.

Für die Stromerzeugung entziehen sie dem Windfeld kinetische Energie. In Lee der Windräder entstehenden sogenannte atmosphärische Wirbelschleppen. Diese sind charakterisiert durch verringerte Windgeschwindigkeit sowie durch spezielle Druckverhältnisse und erhöhte Luftturbulenz. Unter stabilen atmosphärischen Bedingungen breiten sich die Defizite der Windgeschwindigkeit bis zu 70 km hinter den Windparks aus.

Wenn der Wind abflaut

Mithilfe hochauflösender, hydrodynamischen Computersimulationen hat das Team die Effekte auf die südliche Nordsee für den Sommer 2013 (Mai bis September) analysiert. Die Analyse zeigt einen Zusammenhang von Wirbelschleppen und Änderung des impulsgetriebenen Austauschs zwischen Atmosphäre und Wasser.

Hierdurch könnten wiederum die horizontalen Strömungen und die Schichtung des Wassers beeinflusst werden.
Die Effekte der Wirbelschleppen sind stark genug, um die vorhandenen Strömungen umzulenken. Was eine Verschiebung der mittleren Temperatur- und Salzgehaltsverteilung in den Gebieten der Windparks zur Folge hat.

„Die auftretenden Änderungen bleiben im Rahmen der interannuellen Variabilität. Dennoch, zeigen sie ähnliche Größenordnungen auf, wie die vermuteten mittleren Änderungen aufgrund des Klimawandels oder der Variabilität von Jahr zu Jahr“, so Nils Christiansen, vom Hereon Institut für Küstensysteme, der federführender Autor bei der Studie war.

Es wird neu geschichtet

Eine weitere Konsequenz der Wirbelschleppen ist die Minderung von scherungsbedingten Prozessen an der Meeresoberfläche. In anderen Worten: Die vom Winden hervorgerufene turbulente Durchmischung der Wasseroberfläche wird dutzende Kilometer um den Windpark reduziert.

Wasser ist meist geschichtet, so liegt z.B. eine Schicht mit wärmerem Wasser auf einer Schicht mit kaltem.

Durch die Windparks wird die natürliche Schichtung gestört. Aufgrund der reduzierten Durchmischung wird eine stabilere Schichtung des Wassers begünstigt. Besonders auffällig war das während des Rückgangs der Sommerschichtung. Die natürliche Sichtung des Wassers ist im Sommer besonders markant und nimmt zum Herbst hin ab. Im Gebiet der Windparks wurde jedoch eine stabilere Schichtung außerhalb der jahreszeitlichen Schwankung berechnet.

Was bedeuten die Ergebnisse für die Nordsee?

„Die Größenordnung der induzierten mittleren Veränderungen deutet nicht auf schwerwiegende lokale Auswirkungen hin, allerdings treten weitreichende strukturelle Veränderungen im System auf“, sagt Christiansen. „Die Veränderungen in der Strömung und Durchmischung beeinflussen voraussichtlich die Planktonproduktion und die Struktur des Nahrungsnetzes und können die Wirkungsweise von Schutzgebieten beeinflussen. Es ist also wichtig diese Folgen bei der Entwicklung von Meeresschutzkonzepten zu berücksichtigen“, sagt die Hereon-Institutsleiterin Prof. Corinna Schrum und gibt einen Ausblick für die Implementierung der Ergebnisse.

Es seien aber weitere Untersuchungen erforderlich, um mögliche Rückkopplungen auf den Luft-Meer-Austausch zu analysieren. Eine Änderung dieses Austausches wirke sich potenziell auf regionale atmosphärische Bedingungen und die Ökosystemdynamik aus und wird Gegenstand weiterführender Studien sein.

Weitere Informationen

• Website Institut für Küstensysteme – Analyse und Modellierung
• Originalpublikation Christiansen N, Daewel U, Djath B and Schrum C (2022) Emergence of Large-Scale Hydrodynamic Structures Due to Atmospheric Offshore Wind Farm Wakes. Front. Mar. Sci. 9:818501. doi: 10.3389/fmars.2022.818501
• Studie von Akhtar, N. et al. Akhtar, N., Geyer, B., Rockel, B. et al. Accelerating deployment of offshore wind energy alter wind climate and reduce future power generation potentials. Sci Rep 11, 11826 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-91283-3