Das Potenzial von vertikalen Windenergieanlagen im Kontext wachsender Flächennutzungskonflikte und Akzeptanzprobleme der Windenergie

Der verstärkte Ausstoß klimawirksamer Gase ist der Hauptgrund für den heutigen anthropogenen Klimawandel (IPCC 2018). Der Energiesektor ist dabei durch die Verbrennung fossiler Energieträger der größte Emittent (Umweltbundesamt 2018). Aus diesem Grund wurde Ende des letzten Jahrtausends die Energiewende eingeläutet, bei der unter anderem die Erneuerbaren Energien (EE) die fossilen Brennstoffe ersetzen sollen. Doch der Ausbau der EE geht mit zunehmenden Konflikten einher.

Im Bereich der Windenergie, die den größten Anteil der Energieerzeugung aus den EE ausmacht, rufen insbesondere die große visuelle und akustische Signatur von horizontalen Windenergieanlagen durch ihre Bauhöhe und ihre hohen Schallemissionen eine abnehmende gesellschaftliche Akzeptanz hervor (Fachagentur-Windenergie 2019a). Zudem führen die notwendigen Abstände zu Wohn- und Schutzgebieten, die durch das Arten- Bauplanungs- und Immissionsschutzrecht bedingt sind, sowie die Distanzen, die zwischen benachbarten Anlagen bestehen müssen, zu einem enormen Flächenbedarf. Die Abstände zwischen konventionellen Windenergieanlagen, den sogenannten „Horizontal Axis Wind Turbines“ (HAWTs), sind notwendig, um eine durch Turbulenzen induzierte Leistungsreduzierung zu vermeiden (Brownstein et al. 2016; Dabiri 2011).

Das Potenzial, diese negativen Effekte zu vermeiden, bieten spezielle Windenergieanlagen mit vertikaler Achsenausrichtung. Diese Anlagenform stand bisher wenig im Fokus der Öffentlichkeit und Wissenschaft. Die Vorteile dieser sogenannten „Vertical Axis Wind Turbines“ (VAWTs) sind ihre niedrige Bauhöhe und ihr geringer akustischer Fußabdruck. Neue Forschungen zeigen zudem, dass die Energiedichte dieser Anlagen die von HAWTs um das Zehnfache übersteigen kann, wenn man sie in einer optimierten Windparkkonfiguration implementiert (Dabiri 2011, 2014).

Ziel des Artikels ist es, einen Überblick über den aktuellen Forschungsstand hinsichtlich der Konfigurationsoptimierung von VAWT-Windparks zu geben. Zudem soll das Potenzial dieser Anlagenart im Hinblick auf die derzeitige Akzeptanz- und Flächennutzungsproblematik durch eine Abschätzung der Lärmemissionen einer VAWT im Vergleich zu einer HAWT beleuchtet werden. Da bisher keine derartigen Untersuchungen durchgeführt wurden, kann diese Arbeit als Grundlage für die Planung zukünftiger VAWT-Windparks dienen.

Der Artikel ist wie folgt aufgebaut: Nachdem zu Beginn der Flächenbedarf von Windparks erläutert wird, werden die VAWTs näher betrachtet und ihre Vor- und Nachteile im Vergleich zu konventionellen Windenergieanlagen aufgezeigt. Zudem wird der Prozess dargelegt, der bewirkt, dass VAWTs eine höhere Energiedichte erzielen können als HAWTs. Dabei geht es um die Nutzung spezifischer Strömungseigenschaften der VAWTs in einem Array, die es ermöglicht, die Abstände zwischen den Anlagen im Vergleich zu den HAWTs zu verkleinern und somit den Flächenverbrauch zu reduzieren. Anschließend wird auf die akustische Signatur von Windkraftanlagen, insbesondere den der VAWTs, eingegangen. Bei ihnen ist der akustische Fußabdruck aufgrund der niedrigeren Anlagenhöhe und der kleineren Grundlautstärke sowie bestimmten Ausbreitungseigenschaften des Schalls geringer. Im letzten Abschnitt wird anhand einer Schallimissionsprognose gezeigt, wie sich die Ausbreitung des Schalls zwischen HAWTs und VAWTs auf eine bestimmte Entfernung unterscheidet. Dabei wird auch untersucht, wie groß der Abstand zu einem Wohngebiet sein müsste, damit die Anlagen genehmigungsfähig sind.

VAWTs sind eine spezielle Form der Windenergieanlagen, die im Gegensatz zu den konventionellen HAWTs durch eine Rotorachse in vertikaler Lage gekennzeichnet sind. Der Vertikalrotor war die erste Turbinenform, mit der Energie erzeugt wurde. Bereits 900 n. Chr. wurden VAWTs von den Persern als Windmühlen für mechanische Arbeiten verwendet (Eriksson et al. 2008). Seit Ende des 19. Jahrhunderts werden Windenergieanlagen zur Stromerzeugung genutzt. Im Zuge dessen wurde erkannt, dass HAWTs höhere Wirkungsgrade besitzen, was ein abnehmendes Interesse an VAWTs zur Folge hatte. Es gibt grundsätzlich zwei verschiedene Arten der VAWT welche aktuell zur Stromerzeugung genutzt werden: den Savonius-Rotor und den Darrieus-Rotor (vgl. Abb. 2). Diese Arbeit beschäftigt sich mit einer speziellen Form des Darrieus-Rotors, dem sogenannten H‑Rotor, der in Abb. 4 abgebildet ist. Wie HAWTs, nutzt diese Anlagenform das Auftriebsprinzip zur Energiegewinnung. Im Gegensatz zum klassischen Darrieus-Rotor, der gewölbte Rotorblätter besitzt, hat ein H‑Rotor gerade Rotorblätter (Eriksson et al. 2008). H‑Rotoren und andere aktuelle vertikale Windkraftanlagen sind in der Regel deutlich kleiner als HAWTs. Bei dem H‑Rotor „Windspire 1,2 kW turbine“ (Windspire 2019), um den es in diesem Artikel hauptsächlich geht, beträgt die Bauhöhe 9,1 m, während heutige HAWTs im Durchschnitt 128 m hoch sind (Weston 2018). Die geringere Anlagenhöhe hat zur Folge, dass der visuelle Fußabdruck deutlich kleiner ist. Die Anlagen sind aus größeren Entfernungen nicht mehr wahrnehmbar und es besteht keine optisch bedrängende Wirkung, die bei HAWTs häufig auftritt (VG Stuttgart 2013). Zudem spielt die Belästigung durch den Schattenwurf bei VAWTs eine untergeordnete Rolle (Hui et al. 2018). Studien zeigen außerdem, dass VAWTs aufgrund ihrer Bauhöhe und der kleineren Rotationsgeschwindigkeit Vorteile hinsichtlich des Vogelschutzes bieten und sie theoretisch in sensibleren Gebieten implementiert werden könnten (Dabiri 2011; Dabiri et al. 2015; Hui et al. 2018). Des Weiteren stellt auch der kleinere akustische Fußabdruck von VAWTs, auf den im dritten und vierten Teil des Artikels näher eingegangen wird, einen wesentlichen Vorteil dieses Windkraftanlagentyps dar.

Dem entgegen steht die geringe Nennleistung dieser VAWT-Anlagen, die sich meist im einstelligen Bereich befindet, sowie ihr geringer Wirkungsgrad als Nachteil. Dies sind die Hauptgründe dafür, weshalb dieser Anlagentyp bisher kaum im Fokus der Öffentlichkeit und der Forschung stand (Eriksson et al. 2008; Islam et al. 2013).

Wie in der Einleitung erwähnt, gehört neben dem Flächenbedarf der akustische Fußabdruck der konventionellen HAWTs zu den größten Problemen beim Ausbau des Windenergiesektors. VAWTs hingegen, könnten laut Literatur auch in dieser Hinsicht deutliche Vorteile aufweisen (Dabiri 2011; Dabiri et al. 2015; Islam et al. 2013). Allerdings ist die Akustik dieser Anlagenform lediglich im Bereich der Geräuschmechanismen und der Schallemissionen in der unmittelbaren Umgebung einer Anlage durch computerbasierte Studien erforscht worden. Das Potential der VAWTs im Vergleich zu HAWTs im Bezug auf die Ausbreitung des Schalls ist bisher hingegen kaum erforscht. Es ist wichtig zu erwähnen, dass aufgrund der Komplexität des Themas nur auf die Grundlagen der Akustik im planerischen Kontext eingegangen wird. Folgend einige vertiefende Studien, die sich ausführlicher der Aeroakustik beschäftigen: Dessoky et al. 2019; Ghasemian and Nejat 2015; Tadamasa and Zangeneh 2011.

Bei der Energiegewinnung durch Windenergieanlagen entstehen zwei verschiedene Arten von Lärm: der mechanische und der aerodynamische Lärm. Mechanischer Lärm wird durch verschiedene Anlagenkomponenten der VAWTs, wie z.B. den Generator oder das Getriebe produziert. Diese Geräusche können entweder tonal oder breitbandig sein. Die Hersteller sind jedoch in der Lage diese Lärmquelle zu behandeln und einzudämmen. Der aerodynamische Lärm hingegen, ist die primäre Lärmquelle von VAWTs und wird daher zunächst genauer betrachtet.

Der zweite Teil dieses Unterkapitels beschäftigt sich dann mit der Ausbreitung des Lärms in der Atmosphäre. Mithilfe des in Deutschland etablierten Ausbreitungsmodells für Lärm von Windenergieanlagen in der freien Atmosphäre, wird anschließend beispielhaft berechnet, wie sich die Ausbreitung des Lärms von HAWTs und VAWTs unterscheidet.

In diesem Abschnitt wird anhand einer überschlägigen Berechnung die Ausbreitung des Schalls für eine HAWT und für eine VAWT abgeschätzt und miteinander verglichen. Zudem werden die Ausbreitungsszenarien den derzeit in Deutschland gültigen Grenzwerten für Lärm in Siedlungen gegenübergesellt.

Sowohl für die Schallprognose der HAWT, als auch für die der VAWT wurde das in Deutschland etablierte Ausbreitungsmodell nach der Norm DIN ISO 9613‑2 (DIN 2015, S.6) in den Berechnungen verwendet. Die Formel für den sog. energieäquivalenten Oktavband-Dauerschalldruckpegel [L\({}_{\text{fT}}\)(DW)] lautet

Parameter LW bezeichnet den Schalleistungspegel in Dezibel, für den in dieser Berechnung bei der HAWT 105 dB angegeben wurden. Dieser Wert wurde gewählt, da er dem Durchschnittswert von horizontalen Windenergieanlagen in Deutschland entspricht (BWE 2018). Bei der VAWT wurde ein Wert von 57,9 dB verwendet, welcher vom Turbinenmodell „QR5“ stammt (Botha 2015). In diesem Fall wurde der Wert eines anderen VAWT-Modells verwendet, da es für das Modell „Windspire 1,2 kW turbine“ vom Hersteller keine Angabe zum Parameter LW gibt⁷. Bei dem Turbinenmodell „QR5“ handelt es sich, anders als bei der „Windspire 1,2 kW turbine“, um eine VAWT des klassischen Darrieus-Typs. Die drei Rotorblätter dieses Modells sind nicht gerade wie bei einem H‑Rotor (vgl. Abb. 4), sondern entsprechen einer Helixform. Der Lärmpegel von 57,9 dB ist im Vergleich zu anderen VAWT-Modellen relativ hoch. Dieser wurde jedoch gewählt, um einen verhältnismäßig lauten Zustand zu simulieren, damit im Falle eines Planungsvorhabens eine hohe Planungssicherheit gewährleistet wird. Parameter DC gibt die Richtwirkungskorrektur in Dezibel an, die beschreibt, um wieviel Einheiten der von der Punktquelle erzeugte, äquivalente Dauerschalldruckpegel in der festgelegten Richtung von dem Pegel einer angerichteten Punktschallquelle abweicht. Für eine ungerichtet, ins Freie abstrahlende Punktschallquelle, also auch für Windenergieanlagen, nimmt dieser Wert allerdings 0 dB an (Umweltbundesamt 2015). Parameter A beschreibt die Dämpfung in dB, die während der Schallausbreitung zwischen Emittenten und Empfänger vorliegt. Term A in Gleichung (1) ist durch Gleichung (2) gegeben.

Die einzelnen Terme der Gleichung (2) beschreiben unterschiedliche atmosphärische Dämpfungseinflüsse, die bereits in Tab. 1 genannt wurden. In Tab. 2 werden einige Ergebnisse der Berechnung der atmosphärischen Dämpfungsterme A\({}_{\text{div}}\), A\({}_{\text{gr}}\) und A\({}_{\text{atm}}\) gezeigt. Die Werte der Terme A\({}_{\text{div}}\) und A\({}_{\text{atm}}\) liegen bei beiden Anlagentypen sehr dicht beieinander. Bei der Betrachtung der Werte des Parameters A\({}_{\text{agr}}\) wird auffällig, dass die Dämpfung der VAWT, die der HAWT signifikant übersteigt. Wie vorher bereits erwähnt, werden die Parameter A\({}_{\text{bar}}\) und A\({}_{\text{misc}}\) in Schallimmissionsprognosen für Windenergieanlagen vernachlässigt und sind in Tab. 2 daher nicht abgebildet.

Neben dem durchschnittlichen Schallleistungspegel (LW) fließt auch die Nabenhöhe der jeweiligen Anlage mit in die Berechnung ein. Für sie wurde bei der HAWT ein Durchschnittswert von 128 m verwendet (Weston 2018). Im Falle der VAWT wurde ein Wert von 9,1 m gewählt, da dieser Wert der Bauhöhe des VAWT-Typs „Windspire 1,2 kW turbine“ entspricht (Windspire 2019). Weitere Anlagendaten fließen nicht in die Berechnungen ein.

Anhand Abb. 9 ist zu erkennen, dass sich die Ausbreitung der Schallemissionen der beiden Anlagentypen stark unterscheidet. In der Regel werden Schalldruckpegel von weniger als 35 dB nicht in Schallimissionsprognosen berücksichtigt, da darunter liegende Werte in der Überwachungspraxis der Schutzbehörden irrelevant sind. In Abb. 10 werden zum besseren Verständnis und zur Vergleichbarkeit einige alltägliche Beispiele zur Wahrnehmung und Wirkung von Schalldruckpegeln gezeigt. Der Wertebereich der Ordinate reicht in Abb. 9 jedoch bis 0 dB, da der Schalldruckpegel von der VAWT in einem sehr niedrigen dB-Bereich liegt und ansonsten in der Abb. nicht darstellbar wäre. Bei der VAWT sinkt der Schalldruckpegel bereits bei etwa 200 m Entfernung auf 0 dB ab und ist somit für das menschliche Gehör nicht mehr wahrnehmbar. Bei der HAWT fällt dieser Wert bei der gleichen Entfernung auf \(<50\) dB und unterschreitet somit den Imissionsrichtwert für Schall bei Tag in reinen Wohngebieten (TA Lärm 2017) (vgl. obere gestrichelte Linie in Abb. 9). Damit eine HAWT genehmigungsfähig werden kann, darf sie den Imissionsrichtwert für Schall bei Nacht in reinen Wohngebieten von 35 dB nicht überschreiten (untere gestrichtelte Linie in Abb. 9). Ausgehend von Abb. 9 muss die HAWT nach dem hier verwendeten Rechenmodell etwa 800 m vom Wohnungsgebiet entfernt sein, um diese Bedingung zu erfüllen. Aus der Literatur sind ähnliche Abstände bekannt (z.B. BWE 2018). Die VAWT hingegen, wäre bereits bei einem deutlich kleineren Abstand genehmigungsfähig. Ab welcher Distanz der Immissionsrichtwert bei Nacht genau unterschritten wird, ist aus Abb. 9 nicht ersichtlich, da für die Entfernung \(<100\) m mit dem Modell keine Werte berechnet werden können. Die verwendete ISO Methode ist lediglich für Distanzen von 100–1000 m zur Emissionsquelle anwendbar.

Möllerström et al. haben ähnliche Erkenntnisse gesammelt, die auch auf Vorteile der VAWTs im Hinblick auf den akustischen Fußabdruck hindeuten und somit die Ergebnisse der Imissionsprognose dieser Arbeit stützen. Sie untersuchten die Schallausbreitung einer HAWT und einer VAWT, die jeweils eine vergleichbare Bauhöhe und eine vergleichbare Nennleistung aufweisen. Dabei fanden sie heraus, dass die Grundlautstärke der VAWT um einige Dezibel leiser ist als bei HAWTs, obwohl bei beiden Messungen die gleichen Windgeschwindigkeiten herrschten (Möllerström et al. 2015). Zudem nimmt der Lärm bei der VAWT laut Untersuchungen stärker ab als bei den horizontalen Windkraftanlagen. Als Grund führen Möllerström et al. die unterschiedlichen Schallfrequenzen der beiden Anlagenarten auf. Bei VAWTs werden im Gegensatz zu HAWTs kaum niedrige Frequenzen emittiert. Diese niedrigen Frequenzen werden von der Atmosphäre bei der Schallausbreitung weniger absorbiert als höhere Frequenzen. Es kommt daher zu einer stärkeren Schalldämpfung bei VAWTs. Des Weiteren wird bei vertikalen Anlagen mehrheitlich Lärm emittiert, der ähnliche Frequenzen wie der Hindergrundlärm aufweist. Das könnte zu einer stärkeren Maskierung der Anlagengeräusche von VAWTs führen und sich positiv auf den akustischen Fußabdruck auswirken (Möllerström et al. 2014).

Trotz der Übereinstimmungen aus der Literatur hat das Ausbreitungsmodell einige Beschränkungen. Zum einen sind die Prognosewerte erst ab einer Entfernung von \(> 100\) m und nur bis zu einem Abstand zur Emissionsquelle von \(<1000\) m gültig, weshalb sich die X‑Achse in Abb. 9 auch auf diesen Bereich beschränkt. Es ist somit unklar, wie sich die Schallausbreitung \(<100\) m verhält und bei welchem Abstand die Imissionsrichtwerte einer VAWT bei Tag und bei Nacht bereits unterschritten werden. Des Weiteren sind die Berechnungen immer unabhängig von der Windgeschwindigkeit, da in dem Modell von der Mitwindbedingung und der Volllast der Anlagen ausgegangen wird.

Die Untersuchungen dieser Arbeit legen nahe, dass die bisher wenig im Fokus der Forschung und Öffentlichkeit stehenden VAWTs ein hohes Zukunftspotenzial bieten. Im Vergleich zu den konventionellen HAWTs weisen sie einen kleineren Flächenverbrauch auf und haben zudem eine geringere akustische Signatur.

Der geringere Flächenverbauch ergibt sich aus einer höheren Energiedichte, die gegeben ist, wenn VAWTs in einer speziell ausgerichteten Windparkkonfiguration implementiert werden. Die entstehenden Turbulenzen bei der Durchströmung von Wind durch ein solches Array, können von den stromabwärts liegenden Anlagen effektiv zur Energiegewinnung genutzt werden. Da zudem eine schnelle energetische Wiederaufladung des Windes erfolgt, können die VAWTs deutlich näher zu den benachbarten Anlagen stehen, als es bei HAWTs der Fall ist. Somit kann laut Literatur in Windparks mit VAWTs bis zu zehn Mal mehr Energie pro Flächeneinheit erzeugt werden, als in konventionellen HAWT-Windparks (Dabiri 2011). Die eigenen Berechnungen dieser Arbeit zur erzielbaren Energiedichte von VAWTs liegen etwas unterhalb dieser Größenordnung. Dennoch deuten sie ebenfalls auf eine höhere Energieausbeute pro Flächeneinheit im Vergleich zu HAWT-Windparkkonfigurationen hin.

Die Schallemissionen von Windkraftanlagen setzen sich aus einer Vielzahl von Lärmarten zusammen und ihr Entstehungsprozess ist hochkomplex. Laut den Erkenntnissen aus der vorhandenen Literatur und aus den Berechnungen dieser Arbeit, weisen VAWTs eine geringere akustische Signatur als HAWTs auf. Sie ist maßgeblich auf die niedrigere Grundlautstärke zurückzuführen. Außerdem spielt das spezifische Ausbreitungsverhalten des Schalls bei diesen Anlagen eine Rolle. Die Bodendämpfung (A\({}_{\text{gr}}\)), die mit der Bauhöhe der jeweiligen Anlage zusammenhängt, hat einen größeren Einfluss auf die Schalldämpfung von VAWTs als bei HAWTs (vgl. Tab. 2). Durch die Schallimissionsprognose in dieser Arbeit konnte veranschaulicht werden, dass die VAWTs die Lärmrichtwerte für Wohngebiete bei deutlich kürzeren Distanzen unterschreiten als HAWTs. Dies würde nicht nur dazu führen, dass neue Räume und deutlich mehr Flächen für den Bau von Windenergieanlagen verwendet werden können. Weiterhin könnten VAWTs folglich das durch die Lärmemissionen entstehende Konfliktpotenzial und die dahingehenden Bedenken der Bevölkerung reduzieren und somit die gesellschaftliche Akzeptanz steigern.

Die durchgeführten Berechnungen weisen jedoch einige Beschränkungen auf. Daher muss das Rechenmodell in Zukunft an die speziellen Eigenschaften der VAWTs angepasst werden. Eine Berücksichtung der jeweiligen Rotationsgeschwindigkeit, der Schnelllaufzahl oder des Anstellwinkels, die sich bei VAWTs und HAWTs stark unterscheiden, könnte hierbei eine Möglichkeit sein. Zudem muss es mit dem weiterentwickelten Modell möglich sein, die Werte für die Distanz \(<100\) m der Schallausbreitung zu berechnen, was mit dem Modell, das in dieser Arbeit verwendet wurde, nicht realisierbar war. Des Weiteren wurde in den Berechnungen dieser Arbeit lediglich die Lärmemission für eine Einzelanlage beider Windturbinentypen berechnet. In der Realität würde in einem VAWT-Array jedoch eine Vielzahl von Anlagen Lärm emittieren. In einem solchen Windparkszenario wird die Gesamtschallemission durch die Addition der verschiedenen Schalldruckpegel im Vergleich zu den hier berechneten Werten deutlich höher sein.

Die Ergebnisse zeigen dennoch, dass VAWTs das Potenzial besitzen die negativen Effekte der konventionellen Windenergieanlagen zu vermeiden. Die geringere visuelle und akustische Signatur sowie der kleinere Flächenverbrauch dieser Anlagen, bieten im Vergleich zu den konventionellen HAWTs neue Flächennutzungsmöglichkeiten. Windparks mit VAWTs könnten beispielsweise auf ungenutzen Flächen in der Nähe von Siedlungen oder anderen Schutzgebieten installiert werden, auf denen HAWTs aufgrund der Überschreitung verschiedener Grenzwerte nicht zulässig sind. Dadurch könnten Probleme die beim Ausbau des Windenergiesektors bestehen, insbesondere Flächennutzungskonflikte, reduziert und eine erhöhte gesellschaftliche Akzeptanz erreicht werden.