Der Strom der Zukunft soll in Europa wesentlich von den Meeren kommen – vor allem von Offshore-Anlagen in der Nordsee. Allein vor der deutschen Küste ist bis 2050 der Aufbau von tausenden neuen Windrädern geplant. Die bisherige Kapazität soll damit fast verzehnfacht wird.
Aber wie ist das "grüne Kraftwerk auf See", das so für ein klimaneutrales Europa entstehen soll, richtig zu planen?
Eine neue Studie des Helmholtz-Zentrums Hereon zeigt nun, dass der massive Ausbau der Offshore-Windenergie in der Nordsee erheblichen Einfluss auf Luft- und Meeresströmungen haben kann – stärker als bislang gedacht. Die Forschungsgruppe um Studienleiter Nils Christiansen hat die Umweltfolgen der bis 2050 geplanten Entwicklung simuliert. In ihrer Arbeit, erschienen im Fachblatt "Nature Communications Earth & Environment", kommen die Forschenden zu dem Schluss: Werden Windparks zu dicht aneinander geplant, können sie die Luft- und Wasserphysik im Meer großräumig durcheinanderbringen.
Rotoren auf See beeinflussen Wind und Wellen
Im Zentrum der Studie steht das Zusammenwirken von sogenannten "Wake"-Effekten: Offshore-Rotoren entziehen dem Wind Energie. Hinter einem Windpark entsteht deshalb ein Bereich mit geringerer Windgeschwindigkeit und erhöhter Turbulenz, eine "Wake-Zone". Der Wind kann dort deutlich langsamer werden.
Diese Windschatten wirken nicht nur in der Atmosphäre. Der Wind prägt auch die oberen Wasserschichten. Gleichzeitig beeinflussen die Fundamente der Turbinen die Meeresströmung direkt: Sie wirken wie Pfeiler im Wasser und erhöhen den Widerstand gegen die Gezeitenströmung.
Atmosphärische und hydrodynamische Effekte greifen dabei ineinander. Zusammen entstehen so neue Muster von Turbulenz und Durchmischung.
Die Strömung wird langsamer, das Meer wärmer
Für ihre Untersuchung nutzten die Forschenden hochauflösende Simulationen der Nordsee über einen Zeitraum von zehn Jahren. Sie kombinierten Modelle der Atmosphäre mit hydrodynamischen Meeresmodellen und berechneten ein Szenario mit stark ausgebauter Offshore-Windenergie.
Das Ergebnis: In Regionen mit vielen Windparks könnten Meeresströmungen um bis zu 20 Prozent langsamer werden. Gleichzeitig verändert sich die Verteilung der Gezeitenenergie.
Neben der Strömung verändert sich auch die Temperaturstruktur des Wassers. Bei schwachem Wind wird das Wasser der Oberfläche kaum noch durchmischt. In den Modellen erwärmte sich dadurch in stark ausgebauten Windparkregionen die Meeresoberfläche um bis zu 0,2 Grad Celsius. In einem flachen Schelfmeer wie der Nordsee kann selbst eine solche kleine Veränderung ökologische Folgen haben, etwa für den Nährstofftransport. Lokal allerdings können Gezeitenwirbel, die an den Fundamenten im Wasser entstehen, die vertikale Durchmischung umgekehrt auch verstärken.
Bitte Abstand halten!
Noch seien viele Effekte unsicher, geben die Forschenden zu bedenken. So steht zur Zeit etwa noch infrage, ob sich der Sedimenttransport Richtung Küste verändert – eine wichtiges Thema für den Küstenschutz. Möglicherweise steigt in manchen Gebieten durch die veränderten Strömungen auch das Planktonwachstum und damit der Fischbestand.
Klar ist: Je dichter Windparks gebaut werden, desto stärker fallen die Effekte aus. Größere Abstände zwischen den Windrädern könnten die Eingriffe verringern. Auch höhere Anlagen würden helfen, weil sich der Bremseffekt auf den Wind dann in höhere Luftschichten verlagert, merken die Forschenden an – und raten aufgrund der Unwägbarkeiten der Folgen zu Vorsicht.
Im deutschen Nordseegebiet stellen "Windverschattungseffekte" schon jetzt die Offshore-Planung vor große Herausforderungen: Stehen Windparks zu dicht, sind sie weniger effizient. Sowohl aus wirtschaftlicher wie ökologischer Sicht, so die Schlussfolgerung der Forschung, werde daher entscheidend sein, Windparks in Zukunft unter Berücksichtigung ihrer Folgen für das Gesamtsystem Meer zu planen.
