Stand August 2023
Autor: Dr. med. Stephan Kaula
Teil 2,1
Fortsetzung von „Krank durch Windräder I“
Mehr als nur Infraschall:
Schall, Infraschall und getaktete Luftströmungen
Wie Windindustrieanlagen funktionieren und Emissionen erzeugen
Wer einmal in einem Sturm gegen den Wind gelaufen ist, der weiß, was Winddruck (=Staudruck) ist1. Windindustrieanlagen nutzen bekanntlich die dabei auftretenden Kräfte und Energien um daraus Strom zu produzieren.
Physikalisch werden dabei zwei Effekte genutzt.
Einerseits wird die Luftströmung durch die schräg angestellten Rotorblätter seitlich abgedrängt, was wie bei einem Segelboot dem Rotorblatt Vortrieb verschafft. Anlagen wie mittelalterliche Windmühlen, die ausschließlich nach diesem Prinzip funktionieren, nennt man Widerstandsläufer.
Andererseits ist das Profil wie bei einem Flugzeugflügel auf den gegenüberliegenden Seiten unterschiedlich stark gewölbt. Im Falle eines Flugzeugflügels wird so unterhalb des Flügels ein Überdruck gegenüber der Oberseite erzeugt, der dem Flugzeug den Auftrieb verleiht und so in der Luft hält. Bei einer typischen dreiflügeligen Windkraftanlage entspricht die dem Wind zugewandten Rotorblatt-Vorderseite der Unterseite des Flugzeugflügels. Im Betrieb wird so zusätzlich zum Winddruck am Rotorblatt eine weitere Druckverstärkung auf der Vorderseite und auf der Rückseite eine zusätzliche Druckminderung erzeugt. Da die gegenüberliegenden Seiten nun schräg zur Rotationsebene stehen, zieht diese Druckdifferenz das Rotorblatt noch kräftiger und schneller voran (Aufwindläufer). Dieser Effekt ist vor allem entfernt von der Nabe wirksam, da dort die Anströmgeschwindigkeit zum Rotorblatt viel höher ist.2
So erreichen die modernen Windräder aus der Umsetzung der im Wind vorhandenen Bewegungsenergie unter optimalen Bedingungen Wirkungsgrade, die nahe am physikalischen Maximum von 60% (Betzsches Gesetz3) liegen. Von dieser dem Wind entzogenen Energie gibt es prozessbedingt durchschnittlich 5% elektrische Verluste, 4% mechanische Verluste und 5% aerodynamische Verluste4.
Es sind diese doch erheblichen 5% an aerodynamischer Verlustleistung, die in die WEA-Emissionen wie Schall, Infraschall und die bisher völlig unbeachteten getakteten Luftströmungen (Wirbel und Strömungszellen) umgesetzt werden. Das ist ca. 1/9 der elektrischen Leistung eines Windrades. Bei einem Windrad von 4,5 MW installierter Leistung und 12 m/sec Wind sind das also 500 000 Watt Leistung an unerwünschten Emissionen.
Betrachten wir eine WEA aus Richtung des Windes. Dem Wind stellen sich die drei Rotorblätter und der Turm entgegen. Hier treten je nach Windgeschwindigkeit bis zu über hundert Tonnen auf die Fläche verteilter Winddruck auf. Dabei bilden im Betrieb nicht nur die harten Oberflächen diesen Widerstand gegen den Wind, sondern auch die Luftmassen, die gezwungen werden, die WEA zu umströmen, und die nicht dieselbe Richtung wie der Wind haben. Für den Wind „sehen“ die Rotorblätter und der Turm also größer aus, als wir es mit unseren Augen sehen. Diese „Luftpolster“ um die Rotorblätter tragen auch zum Drehmoment des Rotors bei.
A) Die Rotorblatt-Turm-Interaktion
Betrachten wir den Durchgang eines Rotorblattes am Turm wiederum aus der Blickrichtung des ankommenden Windes. Wesentlich ist hierbei der Luftraum zwischen Rotorblatt und Turm. Dieser Durchgang dauert nur Bruchteile einer Sekunde.
1. Druckerhöhungsphase
Nähert sich das Rotorblatt dem Turm, so schieben sich zuerst die das Blatt umfließenden Luftströmungen vor den Turm und verstärken dort den Staudruck am Turm.
2. Implosion
Erreicht das Rotorblatt die sechs Uhr-Stellung, so liegt der Turm voll im Windschatten des Rotorblattes. Dadurch minimiert sich schlagartig der Staudruck am Turm um Tonnen. Dieser Effekt wird durch den verringerten Druck auf der windabgewandten Rotorblattseite verstärkt, der sich durch das Aufwindprofil bildet5.
Infraschallknall: Die zuerst zusammengedrückte Luftmasse zwischen Rotorblatt und Turm wird damit befreit und expandiert (relativ zu ihrem großen Volumen) plötzlich. Physikalisch ist das ein Knallereignis6, dessen Maximum sich in diesem Fall allerdings nicht hörbar im Infraschallbereich ereignet. (Für physikalisch Interessierte siehe Kommentar7)
3. Zwischenphase
Wandert das Rotorblatt weiter, baut sich wieder der Staudruck vor dem Turm auf, wie vor dem Ereignis.
Dies scheint der wesentliche Vorgang für die Infraschallemission beim Rotorblatt-Turm-Durchgang zu sein.
Besonderheiten des WEA-Infraschalls durch die Rotorblatt-Turm-Interaktion
Dieses initiale Knallereignis ist wie der Tropfen, der in eine Wasserschale fällt. Die Luft reagiert elastisch wie die Oberfläche des Wassers und es breitet sich eine Schallwelle in alle Richtungen aus. Nur ist diese Schallwelle besonders „steil“ in ihrem Anstieg und Abfall (Impulshaltigkeit) und damit Ausdruck eines Ereignisses großer Energie und Gewalt. Infraschall entsteht ohnehin in der Regel bei der Bewegung von großen Massen und Objekten. Gleichzeitig ist dieses Ereignis am Windrad mit einem getakteten Luft-Volumentransport verbunden, anders als Schall, bei dem die Luftmoleküle nur um ihre Mittellage schwingen. Das hat Aspekte einer Explosionsdruckwelle, die auch nicht nur wie Schall wirkt, oder eines Tsunami, der auch nicht nur eine große Welle ist.
Und dieses Ereignis wiederholt sich im Sekundentakt über lange Zeit, wie die an Felsen nagende auflaufende Brandung mit steilen Wellen, bei der sich die einzelnen Wassermoleküle nicht nur auf und ab, sondern auch heftig in der Ebene der Wellenrichtung bewegen.
Einflüsse auf den Schalldruckpegel und die Reichweite des WEA-Infraschallsignals
Oft wird der Eindruck erweckt, die Infraschallemissionen einer WEA seien quasi eine konstante Größe, sobald sich das Windrad dreht. Das ist natürlich Unsinn. Die Intensität dieser Emissionen und damit ihre Reichweite hängen stark von vielen Faktoren ab.
Mit der Windgeschwindigkeit steigt der Staudruck exponentiell an und damit auch die entsprechenden Druckdifferenzen beim Rotorblattdurchgang am Turm. Die Leistung eines Windrades nimmt exponentiell mit der 3. Potenz der Windgeschwindigkeit zu. Wenn sie sich also von 6 m/sec auf 12 m/sec verdoppelt, dann verachtfacht sich die Windradleistung (23=8). Entsprechend ist zu erwarten, dass die Verlustleistungen der Emissionen ähnlich ansteigen. Das bestätigt sich in den Messprotokollen der LUBW9. Hier steigt der Infraschalldruckpegel (graphisch vom Autor ermittelt) mit einer Verdopplung der Windgeschwindigkeit (von 4,5 auf 9 m/sec) um 8 bis 15 dB an. Sie sind dann also mehr als doppelt so „laut“. Wobei es wenige Messwerte unter 5 m/sec und über 7,5 m/sec gibt. Messungen bei höheren Windgeschwindigkeiten waren mit den dort verwendeten Messgeräten und dem Messaufbau wegen Windschwankungen kaum mehr möglich. Der Großteil dieser Messungen erfolgte also nur weit im unteren Bereich (um 1/8) der installierten Leistung der WEA.
Die Infraschallintensität, wie vermutlich alle aerodynamischen Verluste, nehmen also mit deutlich mehr als dem Quadrat der Windgeschwindigkeit selbst unter der Berücksichtigung einer rein kugelförmigen Schallausbreitung10 zu.
Wetterbedingte Schwankungen der Luftfeuchte, -dichte und Temperatur haben ebenfalls einen erheblichen Einfluss auf die Schallausbreitung im Sinne von höheren Intensitäten und Reichweiten.
Ausbreitung von Infraschall
Im Unterschied zu hörbarem Schall sind die Wellenlängen von Infraschall (bei 10 Hz sind das z.B. 34 m) deutlich größer als die Dimensionen von zum Beispiel einem Menschen oder einem Haus. Das führt zu Eigenschaften des Infraschalls, die unserer alltäglichen Erfahrung widersprechen.
Anschaulich kann man sich das an folgendem Bild machen: Sie stehen einige Meter vom Ufer entfernt im Meer. Eine lange sanfte Dünung-Welle von 34 m Länge läuft auf sie zu. Das Wasser steigt gleichzeitig auf allen Seiten ihres Körpers an und fällt auch so wieder ab. Hinter ihnen bildet sich kein Wellenschatten. Es ist so, als ob die Welle einfach um sie herumfließt, als wären sie gar nicht da.
Der Infraschall ist also ein periodischer von allen Seiten gleichzeitig ansteigender und abfallender Luftdruck. Physikalisch nennt man dieses Phänomen Beugung. Um von der Reflektion einer Welle zu sprechen, bedarf es einer Oberfläche, die mindestens fünffach so breit und hoch ist wie die Wellenlänge. Daraus wird klar, wie schwer es ist, Infraschall mit Lautsprechern zu erzeugen. Ein dicker Basslautsprecher mag mit 10 Hz schwingen, doch wird er keinen Infraschall erzeugen, der mit dem Infraschall von Windenergieanlagen vergleichbar ist, sondern hauptsächlich nur die Luft von vor dem Lautsprecher nach hinten und zurück schaufeln. Er erzeugt vor allem periodischen Wind, dessen Staudruck dummerweise Infraschallmessgeräte (Mikrophone oder Mikrobarometer) von Schalldruck nicht unterscheiden können (siehe Untersuchungen der LUBW). Tatsächlich brauchte man, um einen Windradinfraschall von 10 Hz zu imitieren, so wie er sich in hunderten Metern Entfernung von einer Anlage räumlich ausbreitet, einen Lautsprecher mit 5 x 34 m = 170 Meter Durchmesser !
Realitätsnahe Tests der Infraschallwirkung von WEA auf Menschen können somit nur in speziellen Druckkammern erfolgen oder noch besser in der Realität untersucht werden. Deshalb sind alle Laborversuche zum Infraschall fragwürdig und die immer noch fehlenden breiten Felduntersuchungen von Anwohnern im Umfeld von WEA unerlässlich!
Und weil man niemanden wochenlang in eine Druckkammer sperren kann um die Wirkung von Infraschall Langzeit-Expositionen zu erforschen, sind Feldstudien ebenfalls nicht zu umgehen, wie von vielen Seiten bestätigt wird11.
Infraschall wird um Hindernisse wie eine Lärmschutzwand oder ein Einfamilienhaus „herum“ gebeugt. Er dringt so in Häuser über die Dächer, geschlossene Fenster und Türen12. Je tiefer ein Ton, umso leichter dringt er durch schwingfähige (Zimmer-) Wände. Infraschall durchdringt aber keine Felswände oder schwingungsunfähige Außenwände von Häusern. Wollte man sich baulich vor Infraschall schützen, müsste man quasi in einer Druckkammer oder einem U-Boot leben. Infraschall wird an Bergrücken, großen Gebäuden und dem Erdboden reflektiert und kann sich durch Interferenzen mit seinen Reflektionen oder von mehreren Quellen (Windparks) lokal erheblich verstärken oder auslöschen. Im Gegensatz zum hörbaren Schall ist eine sichere Prognose der lokalen Infraschallbelastung deshalb faktisch nicht möglich.
Wie jeder Schall wird auch Infraschall mit dem Wind weiter getragen als gegen den Wind. So erreicht der Schall bei einem Wind von 10m/sec mitwindig in einer Entfernung von 350 m dieselbe Lautstärke wie 330 m gegenwindig. Dieser Effekt ist also vergleichsweise gering.
Fazit zum Infraschall durch den Rotorblattdurchgang am WEA-Turm
WEA-Infraschall hat eine besondere Charakteristik und unterliegt großen Schwankungen. Seine Ausbreitung ist nicht prognostizierbar, seine Auswirkungen auf den Menschen in niedrigen Intensitäten sind nicht geklärt und einzuhaltende Grenzwerte nicht definiert. Infraschall von WEA wurde entgegen den irreführenden Aussagen der LUBW auch noch in mehreren zehn Kilometern Entfernung nachgewiesen (Siehe Teil 1). Wie in Teil 3 näher erläutert wird, spielt die bewusste Wahrnehmbarkeit von Infraschall bei der Beurteilung einer gesundheitlichen Gefährdung medizinisch keine Rolle. Bei medizinisch glaubhaften und plausiblen Erkrankungen von WEA-Anwohnern durch den Betrieb der Anlagen wurden und werden erforderliche Feldstudien zur Untersuchung möglicher gesundheitlicher Gefährdungen trotz entsprechender Empfehlungen von Fachleuten nicht durchgeführt. Aus diesen Untersuchungen könnten erst Abstandsempfehlungen abgeleitet werden.
Nach 30 Jahren Energiewende und dem Bau von 30 000 WEA sollen nun bei den Plänen einer schnellen Vervielfachung der Anlagenzahl die Mindestabstände von WEA zu Wohngebäuden ganz wegfallen.
Diese Situation geht zu Lasten einer Minderheit von WEA-Anwohnern. Das nur als einen groben umweltmedizinischen Missstand zu bezeichnen, ist verharmlosend.
B) Hörbarer Lärm von Windindustrieanlagen
Laufende Windenergieanlagen sind mit ihrem typischen Wusch-Wusch hörbar. Das Geräusch entsteht vorwiegend durch sog. Strömungsabrisse an den Rotorblättern. An den Blattspitzen erreichen die Windradflügel Geschwindigkeiten von über 200 km/h. Das Fahrtwind-Geräusch von fahrenden PKWs entsteht auf dieselbe Weise. Das monotone Geräusch ist für viele Menschen stark belastend, wie es aus dem folgenden Diagramm in dem vom Umweltbundesamt herausgegebenen Text: 60/2019: „Modell zur Gesamtlärmbewertung“ 13, Seite 76 zu entnehmen ist:
Senkrechte Achse:
Anteil von Personen, die den jeweiligen Lärm als hochgradig störend empfinden.
Waagerechte Achse: Lautstärke in dB (unbewertet)
Windradlärm wird also gemäß diesem Diagramm bei gleicher Lautstärke ca. 8x störender empfunden, als zum Beispiel Verkehrslärm. Der bisher ungeklärte Effekt der WEA fließt nicht in die Bewertung der TA-Lärm ein. Windradlärm wird dort wie Verkehrslärm behandelt.
Da die störende Wirkung von Geräuschen der Bahn bei gleicher Lautstärke geringer ist, darf die Bahn lauter sein als andere Schallquellen. Das nennt man Bahnbonus. Folgerichtig müsste WEA-Lärm einen Malus erfahren, also die von Anwohnern zu ertragenden und erlaubten Grenzwerte niedriger angesetzt werden als die von Straßenverkehr. Das ist jedoch nicht der Fall. Im Gegenteil, es gibt aktuell die Bestrebung, die Grenzwerte gerade für nächtlichen WEA-Lärm heraufzusetzen14.
[In § 31k des Gesetzes zur Änderung des Erdgas-Wärme-Preisbremsengesetzes, zur Änderung des Strompreisbremsegesetzes sowie zur Änderung weiterer energiewirtschaftlicher, umweltrechtlicher und sozialrechtlicher Gesetze vom 26. Juli 2023 wurde inzwischen, „um die Leistung oder die Strommenge einer Windenergieanlage in der Nachtzeit zu erhöhen“, zugelassen, dass „sich der Schallpegel der Anlage in dieser Zeit um maximal 4 Dezibel gegenüber dem bisher genehmigten Wert erhöht“. Anm. René Sternke]
Todesfälle durch Lärm
Dabei ist bekannt und unbestritten, dass gemäß einer Untersuchung der WHO15 hörbarer Lärm als Dauerstressfaktor jährlich eine Million Menschenleben kostet. Der Lärm des Flugbetriebs des Frankfurter Flughafens ist so für jährlich rund 340 Tote verantwortlich16 und ab einer Fluglärmbelastung von 50 dB steigt das Herztodrisiko um 44% an17.
Windenergieanlagen-Anwohner werden bereits jetzt von der Störwirkung des WEA-Lärms höher belastet als Anwohner stark befahrener Straßen und sollen nun auf Kosten ihrer Gesundheit noch schlechter gestellt werden.
Treibende Kräfte sind hier die wirtschaftlichen Interessen der Windkraftlobby und die politische Ideologie, die alle negativen Auswirkungen des Windenergieausbaus ignorieren, kleinreden und verdrängen.
In der Fortsetzung des 2. Teils werden die WEA-Emissionen der getakteten Luftströmungen und die verschiedenen Formen von Wirbeln im Nachlauffeld der Windräder behandelt und es wird der Frage nachgegangen, inwieweit diese auf Anwohner besonders in mehreren Kilometern Entfernung noch einwirken können. Danach wird in Teil drei auf die Pathophysiologie möglicher Erkrankungen eingegangen.
Fortsetzung: „Krank durch Windräder II-2“
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Anmerkungen
1) Bei einem kräftigem Wind (11 m/sec) beträgt der senkrecht auf eine Hauswand von 10x10m verteilte Winddruck ca. 1,5 Tonnen. Auf eine WEA lasten 101 bis 102 t an Staudruck.
2) Die relative Geschwindigkeit zur Luft steigt durch die Rotation an der Rotorblattspitze auf ein Vielfaches der Geschwindigkeit des Windes an. Entsprechend wird der resultierende Anströmwinkel an das Rotorblatt gegenüber der Rotationsebene flacher. Dabei nimmt der Auftrieb mit dem Quadrat dieser Anströmgeschwindigkeit zu, sodass der Aufwindeffekt stärker in Entfernung zur Nabe wirksam wird.
3) https://de.wikipedia.org/wiki/Betzsches_Gesetz
4) https://www.wind-energie.de/themen/anlagentechnik/funktionsweise/energiewandlung/
5) In der Nähe der Nabe ist die Aufwindwirkung gering. An der schmalen Rotorblattspitze wiederum ist der Windschatteneffekt sehr klein, sodass sich die Implosion wesentlich im Bereich dazwischen ereignet.
6) https://www.spektrum.de/lexikon/physik/knall/8093, Ein Knall hat ein kontinuierliches Spektrum mit einem Maximum in einem Frequenzbereich.
7) Luftmoleküle bewegen sich mit Durchschnittsgeschwindigkeiten etwas über der Schallgeschwindigkeit und es braucht daher Zeit, bis ein Druckausgleich hergestellt ist. Neben der Dauer des Blattdurchgangs sind daher für diese Zeit die räumlichen Dimensionen der komprimierten und sich wieder expandierenden Luftmassen maßgeblich. Das ist ähnlich so wie die Länge eines Pendels die Dauer des Hin- und Herschwingens bestimmt. Die Dimensionen des Raumes zwischen Rotorblatt und Turm legen für das Maximum eine Frequenz von 8 bis 50 Hz nahe.(Breite des Rotorblattes, Abstand vom Turm und die Rotorblattlänge). Dieses Maximum ist auch daraus ersichtlich, dass in der Fourier-Reihe der tieffrequenten WEA-Emissionen die Spitze der zweiten Harmonischen höher als die erste ist. Es handelt sich beim WEA-Infraschall also um breitbandige einzelne Infraschall-Knallereignisse, die sich nur im Takt des Flügeldurchgangs wiederholen. Die sogenannte Fourierreihe bildet die Flügeldurchgangsfrequenz und ihre Harmonischen nur zwangsläufig mathematisch ab. Sie ist quasi ein durch die Brille der Flügeldurchgangsfrequenz zerhacktes und verzerrtes Abbild des kontinuierlichen Knallspektrums. Klatscht man regelmäßig 1x pro Sekunde in die Hände und erstellt von dieser Tonaufzeichnung eine Fourier-Reihe, so bildet sich gleichfalls ein Peak bei 1 Hz. Diese Darstellung der Wiederholungsfrequenz der einzelnen Knallereignisse hat also mit einem Infraschallnachweis in der Rotorblatt-Durchgangsfrequenz nichts zu tun.
9) LUBW-Messprotokoll https://pudi.lubw.de/detailseite/-/publication/84558
10) Schall breitet sich von einer Quelle in der Luft üblicherweise in alle Richtungen gleichmäßig aus. Dabei verteilt sich seine Schallintensität auf einer immer größer werdende Halbkugelschale, die mit dem Quadrat des Abstandes anwächst. Deshalb verringert sich bei einer kugelförmigen Schallausbreitung die Schallintensität auf ¼, wenn sich der Abstand verdoppelt, auf 1/9 bei Verdreifachung des Abstands. Es gibt Hinweise darauf, dass diese große Abschwächung für den Infraschall von Windenergieanlagen nicht immer zutrifft. Eine zylindrische Ausbreitung durch reflektierende Luftschichten mit geringerer Abschwächung wird diskutiert.
11) Infraschall: Die unsichtbare Gefahr der Windkraftanlagen: https://www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/energie/windkraft-und-gesundheit-neue-studie-gibt-entwarnung-bei-infraschall/
12) Dafür müssen sich die Dachhaut, Fenster und Türen in ihren Dichtungen nur um Bruchteile von Millimetern bewegen.
16) https://www.op-online.de/region/frankfurt/fluglaerm-zehn-jahren-3400-tote-2841260.html