Windenergie in der Atmosphäre – Höhe, Luftfeuchtigkeit und Wasserdampftransport
Windkraftanlagen entziehen der bewegten Atmosphäre kinetische Energie. Um mögliche Auswirkungen dieses Eingriffs einordnen zu können, ist zunächst entscheidend, in welcher Höhe Windkraftanlagen arbeiten und wie sich die Eigenschaften der Atmosphäre mit der Höhe verändern.
Dabei kommt dem meist unsichtbaren Wasserdampf eine besondere Bedeutung zu. Er ist in der Atmosphäre keineswegs gleichmäßig verteilt, sondern konzentriert sich stark auf die unteren Schichten der Troposphäre. Genau dort befinden sich auch die meisten Windkraftanlagen.
Die Atmosphäre verändert sich mit der Höhe
Mit zunehmender Höhe nehmen Luftdruck, Luftdichte und in der Troposphäre im Mittel auch die Temperatur ab. Der mittlere Temperaturgradient beträgt etwa 6,5 °C pro Kilometer Höhe. Die tatsächliche Temperaturverteilung kann erheblich davon abweichen, da auch der Wasserdampfgehalt mit der Höhe stark abnimmt.
Warme Luft kann also bei Sättigung wesentlich mehr Wasserdampf enthalten als kalte Luft (absolute Feuchte). Kühlt feuchte Luft beim Aufsteigen ab, steigt deshalb häufig zunächst ihre relative Luftfeuchtigkeit. Wird der Taupunkt erreicht, kondensiert ein Teil des Wasserdampfes und es können Wolken entstehen.
Absolute und relative Luftfeuchtigkeit müssen daher klar unterschieden werden:
Während der absolute Wasserdampfgehalt mit zunehmender Höhe im Allgemeinen stark abnimmt, kann die relative Luftfeuchtigkeit sowohl steigen als auch fallen.
Der größte Teil des Wasserdampfes befindet sich in der unteren Troposphäre
Der Wasserdampf spielt für Wetter und Wasserkreislauf eine zentrale Rolle. Seine vertikale Verteilung ist besonders ungleichmäßig. Ein großer Teil des atmosphärischen Wasserdampfes befindet sich in den ersten Kilometern über der Erdoberfläche; oberhalb der mittleren Troposphäre nimmt seine Konzentration stark ab.
Damit konzentrieren sich auch wesentliche Teile des horizontalen Wasserdampftransports auf die untere Troposphäre. Mit diesem Wasserdampf wird zugleich Energie in Form latenter Wärme transportiert.
Verdunstet an der Erdoberfläche Wasser, wird Energie für den Phasenübergang aufgenommen. Der Wasserdampf kann anschließend mit der Luftströmung über große Entfernungen transportiert werden. Kondensiert er später zu Wolkentröpfchen oder Niederschlag, wird die zuvor aufgenommene latente Wärme wieder freigesetzt und ins All abgegeben.
Wassertransport und Energietransport sind deshalb unmittelbar miteinander gekoppelt.
In welcher Höhe arbeiten Windkraftanlagen?
Bei der Betrachtung von Windkraftanlagen müssen zwei unterschiedliche Höhen unterschieden werden:
Standorthöhe (Altitude) bezeichnet die Höhe des Geländes über dem Meeresspiegel.
Anlagenhöhe bezeichnet dagegen die Höhe der Windkraftanlage über dem lokalen Boden.
Moderne Onshore-Windkraftanlagen erreichen häufig Nabenhöhen bis 180 Metern. Mit Rotorradien von teilweise mehr als 80 Metern überstreichen ihre Rotoren damit eine atmosphärische Schicht, die vom unteren Bereich in einigen Dutzend Metern Höhe bis auf über 200 oder sogar 250 Meter über Grund reichen kann.
An hoch gelegenen Standorten kommt die Geländehöhe hinzu. Alpine Windkraftanlagen können dadurch in Luftschichten von mehreren Tausend Metern über dem Meeresspiegel arbeiten. Extremstandorte auf dem tibetischen Hochland liegen sogar oberhalb von 5.000 Metern.
Für die atmosphärische Wirkung einer Windkraftanlage ist jedoch insbesondere ihre Höhe über dem lokalen Gelände relevant, weil sie bestimmt, welche Schichten der bodennahen Atmosphäre vom Rotor unmittelbar erfasst werden.
Windkraftanlagen greifen in eine feuchte Luftströmung ein
Die Kraft des Windes beruht auf der kinetischen Energie bewegter Luft. Eine Windkraftanlage wandelt einen Teil dieser Energie in mechanische und anschließend elektrische Energie um.
Hinter dem Rotor besitzt die Luftströmung deshalb im Mittel eine geringere Geschwindigkeit als davor. Gleichzeitig entstehen Nachlaufströmungen und zusätzliche Turbulenz. Dieser sogenannte Wake-Effekt kann sich abhängig von atmosphärischer Schichtung, Windgeschwindigkeit und Anlagengröße über dutzende Kilometer erstrecken.
Der horizontale Wasserdampftransport lässt sich vereinfacht als Produkt aus Wasserdampfgehalt und Windgeschwindigkeit betrachten. Wird die Windgeschwindigkeit einer Luftmasse verändert, verändert sich daher zunächst auch deren momentaner Wasserdampffluss.
Entscheidend ist die räumliche Dimension
Aus dieser physikalischen Beziehung folgt jedoch nicht automatisch, dass Windkraftanlagen im gleichen Verhältnis den großräumigen Wasserkreislauf oder die Niederschlagsmenge reduzieren.
Die Atmosphäre reagiert dynamisch. Luft kann beschleunigt, vertikal durchmischt oder seitlich in einen Windpark nachgeführt werden. Auch Druckgradienten, atmosphärische Stabilität, Gelände und großräumige Wetterlagen beeinflussen die weitere Entwicklung.
Die entscheidende wissenschaftliche Frage lautet deshalb nicht, ob Windkraftanlagen die Strömung beeinflussen – dies ist physikalisch unvermeidlich und durch Wake-Effekte gut belegt –, sondern:
Wie groß ist die räumliche und zeitliche Wirkung einer großflächigen Entnahme kinetischer Energie auf Feuchte-, Wärme- und Impulstransporte in der unteren Troposphäre?
Diese Frage gewinnt mit zunehmender Größe und räumlicher Konzentration von Windparks an Bedeutung.
Die untere Atmosphäre verdient besondere Aufmerksamkeit
Gerade die ersten hundert bis wenigen tausend Meter der Atmosphäre sind für diese Betrachtung interessant. Hier treffen mehrere Faktoren zusammen:
Der Wasserdampfgehalt ist vergleichsweise hoch, der horizontale Feuchte- und Wärmetransport ist bedeutend und gleichzeitig findet hier die technische Nutzung der Windenergie statt.
Windkraftanlagen greifen somit genau in jenen Teil der Atmosphäre ein, in dem ein wesentlicher Teil des atmosphärischen Wasser- und Energietransports erfolgt.
Das allein ist noch kein Nachweis einer großräumigen klimatischen Wirkung. Es ist jedoch ein physikalisch begründeter Anlass, neben der erzeugten elektrischen Energie auch die Veränderungen der atmosphärischen Strömungs-, Feuchte- und Wärmeflüsse quantitativ zu untersuchen.
Fazit
Wind ist nicht nur Energieträger, sondern zugleich Transportmedium der Atmosphäre. Bewegte Luft transportiert Wasserdampf und damit erhebliche Mengen latenter Energie.
Da sich der atmosphärische Wasserdampf stark auf die unteren Kilometer der Troposphäre konzentriert und Windkraftanlagen gerade in diesem Bereich kinetische Energie aus der Luftströmung entnehmen, besteht ein unmittelbarer physikalischer Zusammenhang zwischen Windgeschwindigkeit, Wasserdampftransport und Windenergienutzung.
Wie groß daraus resultierende regionale oder überregionale Veränderungen des Wasserkreislaufs tatsächlich sind, ist eine davon zu unterscheidende quantitative Frage.
Genau hier sollte eine umfassende Betrachtung der Windenergienutzung ansetzen: Nicht nur die gewonnene elektrische Energie ist zu bilanzieren, sondern auch die Auswirkungen auf die Energie- und Stoffströme der Atmosphäre, aus denen diese Energie entnommen wird.
