Stand August 2023

Autor: Dr. med. Stephan Kaula

Teil 2,2

Fortsetzung von “Krank durch Windräder II-1”

Mehr als nur Infraschall:

Schall, Infraschall und getaktete Luftströmungen

Getaktete Luft-Strömungen und Wirbel¹

Diese Windrademission wird bezüglich ihrer möglichen gesundheitlichen Auswirkung auf Anwohner vom Umweltbundesamt bisher weder berücksichtigt noch erwähnt!

Die reale Bedeutung dieser Emissionen mag man an der Aussage eines Spezialisten für Strömungsphysik (Rheologie), der in der Windkraftindustrie arbeitet, ermessen:

„Windkraft ist eine tolle Sache, nur sollten Anwohner so weit wie möglich entfernt von den Anlagen wohnen.“

In dem röhrenförmigen Luftraum hinter dem Rotor von Windenergieanlagen (WEA) entstehen diese Emissionen durch die Interaktion der Rotorblätter mit dem Wind in Form von geordneten Luftströmungen, die weit mit dem Wind fortgetragen werden. Es ist dieses sog. Nachlauffeld, in dem Fledermäuse allein durch die vorhandenen hohen Druckunterschiede das sog. Barotrauma erleiden und tot vom Himmel fallen. Dieses Nachlauffeld (siehe Simulation far wake²) geht in einigen hundert Metern Entfernung von den Anlagen zu Boden. Die Nachlauffelder von Windparks überstreichen hunderte Meter breite und kilometerlange Flächen auf dem Boden.

Treffen diese getakteten Strömungsfelder auf ein Hindernis, so bildet sich dort ein tieffrequenter pulsierender Wind- und Staudruck aus, der direkt auf Menschen einwirken oder sich auch am Auftreffort in Infraschall umwandeln kann. Dabei ist zu bemerken, dass hier vermutlich um ein bis drei Zehnerpotenzen höhere Druckwirkungen auftreten, als in derselben Entfernung durch Infraschall zu erwarten wäre, der von der Interaktion Rotorblatt/Turm ausgeht. Ihre Energien bauen sich im Gegensatz zum Infraschall mit der Entfernung viel langsamer ab und sind deshalb auch in großen Entfernungen wirksam. Zur Gegenüberstellung von Infraschall und den getakteten Luftströmungen siehe Anhang ¹¹.

Die Forschung auf diesem strömungsphysikalischen Gebiet diente bisher ausschließlich der Frage, wie eng Windräder nebeneinander aufgestellt werden können, ohne dass es zu unerwünschten Interaktionen kommt, die Einfluss auf die Stabilität von Anlagen haben oder zu Ertragseinbußen führen.

Dieses Phänomen wird dabei von anderen physikalischen Gesetzen dominiert als die Akustik und hat möglicherweise zu Verwechslungen mit Infraschall und zu Fehlinterpretationen geführt (Tremac-Studie³).

Das Nachlauffeld

Betrachten wir erneut eine Windenergieanlage aus der Blickrichtung des heranströmenden Windes.

Man denke hierbei an die völlig vergleichbaren Flügelwirbel von Flugzeugen⁶. Diese energiehaltigen Wirbel sind recht stabil und können als Wirbelschleppen nachfolgende Flugzeuge in Kilometer-Abständen zum Absturz bringen⁷, Hausdächer abdecken⁸ und auf dem Boden Infraschall erzeugen⁹. Diese Flugzeug-Wirbelschleppen sind dabei nur einzelne Luftwirbel. Im Nachlauffeld eines Windrads entstehen ununterbrochen solche Wirbel und Strömungszellen und diese treffen im Sekundentakt in einiger Entfernung auf den Boden, Wohnhäuser und Menschen.

Computermodelle

Das dreidimensionale dynamische Strömungsverhalten des Nachlauffeldes eines Windrads unterliegt allerdings so vielen unterschiedlichen Einflussfaktoren, dass sich dieses hochkomplexe Strömungsfeld hinter dem Windrad physikalisch nicht in einer Gleichung voraussagen lässt. Das trifft nicht nur für Windräder zu, sondern überall, wo sich „Schrauben“ in Flüssigkeiten oder Gasen bewegen oder diese antreiben. Also Schiffspropeller, Ventilatoren, Flugzeugpropeller, Wasserkraftturbinen und anderes. In all diesen Fällen versucht man das Strömungsverhalten zu verstehen, indem man durch Computermodelle und dem ständigen Vergleich mit erhobenen Daten von realen Messungen die Simulationen zunehmend verfeinert. (Das ist übrigens prinzipiell dasselbe Verfahren wie bei Computer-Klimamodellen.)

Strukturen des Nachlauffeldes

Man hat in den Messungen und Computersimulationen gefunden, dass sich im Nachlauffeld eines Windrades drei wesentliche Strömungsstrukturen ausbilden.

1. Die Flügelspitzenwirbel, die das zylindrische Nachlauffeld nach außen abgrenzen.
2. Der zentrale Wirbel, der um den Windschatten der Gondel zirkuliert.
3. Eine helixförmige Scheibenstruktur zwischen 1. und 2., die quasi das aerodynamische „Nachbild“ des Rotorblattdurchgangs im Wind darstellt und nach Ansicht des Physikers Dr. Wolfgang Hübner wohl die energetisch dominanteste Struktur ist. Auch an der Flügelkante kommt es zu Wirbelbildungen.

Diese Elemente verändern sich mit zunehmendem Abstand von der Windenergieanlage. So scheinen diese zunächst klar geordneten Strukturen in einigen hundert Metern zunehmend in kleinere zu zerfallen (Abbildung unten links). Eine Computersimulation von 2021¹⁰ zeigte nun jedoch, dass sich danach wieder eine noch großräumigere Spiralstruktur herausbildet (Abbildung unten rechts). Und großräumig bedeutet in der Rheologie eigentlich immer energiehaltig. Hier unten zwei Abbildungen aus dieser Studie. Dabei steht das Windrad jeweils rechts vorne. Die Zahlen 1 bis 8 geben die Abstände in Vielfachen des Rotordurchmessers an. Bei einer 5 MW-Anlage entsprächen 8 Rotordurchmesser ca. 1 km Entfernung von der Anlage. Die Farben stehen für gleiche Strömungsgeschwindigkeit und Richtung.

Man erkennt, wie sich großräumige energiehaltige Strömungszellen bis in 8 Rotordurchmessern Entfernung erst herausbilden und sicherlich weit darüber hinaus reichen werden.

Die zeitliche Ordnung und damit die Information über die Dreh-Bewegung der WEA wie ein erheblicher Teil der Verlustenergie werden also mit dem Wind über große Strecken fortgetragen. Es ist nur allzu plausibel, dass dieser für die Windenergiegewinnung uninteressante Nebeneffekt auch unerwünschte Nebenwirkungen auf die Anwohner haben kann, die in diesem Nachlauffeld wohnen.

Von Flugplätzen müssen Windenergieanlagen wegen ihrer Wirbelschleppen einen Sicherheitsabstand von 4,5 km Abstand einhalten. Und das mit dem Wissen, dass bei höheren Windgeschwindigkeiten Kleinflugzeuge ohnehin nicht mehr starten oder landen dürfen. Anwohnern werden dagegen aus gesundheitlichen Gründen gar keine Abstände zugestanden. Eine ungünstige Auswirkung der getakteten Luftströmungen und Wirbel auf den Menschen wurde bisher weder in Erwägung gezogen noch untersucht.

Fazit:

Die strömungsphysikalischen Erkenntnisse zu den Nachlauffeldern von Windrädern machen gesundheitliche Nebenwirkungen für Anwohner plausibel und einen Zusammenhang mit bestehenden Windrad-Erkrankungen wahrscheinlich. Wie im kommenden Teil 3 dargestellt wird, ist es für den menschlichen Körper physiologisch weitgehend egal, ob er pulsierendem Winddruck oder Infraschall ausgesetzt wird, um über ausgelöste Stressreaktionen langfristig krank zu werden.

Die getakteten Strömungsfelder und Wirbel sind zweifellos eine Windrademission. Tatsächlich ist diese als aerodynamischer Nebeneffekt des WEA-Betriebs die energetisch stärkste Emission mit potentieller Gesundheitswirkung. Gleichwohl wird sie vom Umweltbundesamt völlig ignoriert. Es beschränkt sich mit der TA-Lärm bei Windrademissionen allein auf den Bereich der Akustik. Eine Maßnahme, die für die gesundheitliche Wirkung von Infraschall schon ohnehin fragwürdig ist. Doch diese hier beschriebene aerodynamische Emission hat mit Akustik nun überhaupt nichts zu tun.

Für die Emissionen von WEA und damit den Abstandsregeln ist dringend ein eigenständiges Regelwerk zu fordern. Gleichzeitig sind ernsthafte Anstrengungen zur Erforschung des realen Gesundheitsrisikos zu unternehmen dem Anwohner mit dem Betrieb von WEA ausgesetzt werden.

1. Zu dieser strömungstechnischen Fragestellung sei auch auf die Ausarbeitungen des Physikers Dr. Wolfgang Hübner u.a. auf Windwahn verwiesen.
2. Simulation fare wake: https://www.youtube.com/watch?v=XJkwSonubNg
3. Zitat aus der Tremac-Studie: „Liegt die Beobachterposition in einem turbulenten Strömungsfeld, was im betrachteten Anwendungsfall gegeben ist, kann nicht trivial zwischen hydrodynamischen (turbulenzinduzierten) und akustischen Druckschwankungen differenziert werden.“ (Anmerkung: Die Tremac-Studie behandelt allerdings nicht den Bereich des weiter entfernten Nachlauffeldes.)
4. Weltweit drehen sich WEA im Uhrzeigersinn. Mit einer spiegelverkehrten Bauart würde man eine gegensinnige Drehung bewirken. Es gibt keine tiefere Begründung für diese einseitige Entscheidung, WEA nur so zu bauen. Im Gegenteil könnten wegen des Corioliseffektes gegensinnig rotierende WEA sogar effizienter sein.
5. Luftdruckunterschiede würden sich allerdings recht schnell ausgleichen, wenn die Ausgleichsströmungen nicht seitlich abgelenkt und so in Strömungswirbel, wie den Rotorblattspitzenwirbeln erhalten blieben.
6. Windrotorblätter und Flugzeugflügel haben beide Auftriebsprofile, ähnliche Dimensionen und vergleichbare Geschwindigkeiten relativ zur Luft https://hmn.wiki/de/Wingtip_vortices
7. https://www.aerointernational.de/airlines-nachrichten/unterschaetzte-gefahren-wirbelschleppen-und-sicherheitsabstaende.html
8. https://www.wohnungswirtschaft-heute.de/dokumente/DGebuWirbelschleppen.pdf
9. Peer Böhning, Akustische Lokalisierung von Wirbelschleppen file:///C:/Users/user/Downloads/Dokument_22-3.pdf
10. https://www.mdpi.com/2504-186X/6/4/44, (Data Driven Modal Decomposition of the Wake behind an NREL-5MW Wind Turbine. Int. J. Turbomach. Propuls. Power 2021, 6, 44. https:// doi.org/10.3390/ijtpp6040044, Cherubini, S.; De Cillis, G.; Semeraro, O.; Leonardi, S.; De Palma, P.)

1.  Tabelle: Gegenüberstellung  von Infraschall und getakteten Luftströmungen

	Infraschall	Strömungspulse und Wirbel
Physikalisches Gebiet	Akustik	Rheologie
Bewegung der Luftmoleküle	Schwingen der einzelnen Moleküle um ihre Mittellage	Werden als geschlossenes Luftpaket versetzt, umgeben und stabilisiert von Luftwirbeln
Periodizität	Durch den Rotorblatt/Turmdurchgang angeregtes elastisches Schwingen im Medium Luft	Durch den drehenden Rotor getaktete Luftströmung
Ausbreitung	Tiefe Frequenzen kugelförmig	Weitgehend gerichtet
Abnahme mit der Entfernung	Bei Infraschall Abnahme des Schalldrucks mit dem Quadrat der Entfernung	Gering
Geschwindigkeit	Schallgeschwindigkeit	Windgeschwindigkeit +/-
Transportierte Energie	Eher gering, Schallenergie, Bild: Welle auf ruhigem Wasser	Hohe kinetische Energie Bildhafter Vergleich: Tsunami
Durchgangszeit in den Dimensionen: Haus und Mensch	Druckerhöhung quasi simultan von allen Seiten (Schallgeschwindigkeit), lange Wellenlänge > 10 m bis mehrere 100 m	nicht simultan, sondern zeitlich deutlich versetzt (0,02 bis 1 sec.) (Windgeschwindigkeit) Strömungszellen, Wirbel im Meterbereich