Sind die WC4 Windräder gefährdet durch Leewellen im Schwarzwald?

Eine Leserin stellte uns folgende Frage:
„Ein Windradgegner in Simmozheim ( er ist Segelflieger und Vorsitzender von Walderhalt e.V.) warnt vor Turbulenzen (Leewellen) in dem Planungsgebiet „Gerechtigkeitswald Simmozheim WC4 „. Er behauptet hier bei uns ist das ein lokales Phänomen, das Windräder gefährden würde und zu Havarien führt.
Könnte da was wahres dran sein? Siehe mail-Verlauf. Oder Fake um den Bau zu verhindern?
Wissenschaftliche Belege hat er bisher nicht geliefert.“

Glücklicherweise hat man uns eine private Bewertung eines Mitarbeiters des Meteorologischen Dienstes der Bundeswehr zugespielt mit folgender Erklärung die wir hier überarbeitet darstellen wollen. Er sagt:

Hier werden Äpfel mit Birnen verglichen.

Die Sportflieger Malmsheim beschreiben das wie folgt:

[…] Ein seltenes Wetterphänomen. „Leewelle“ im Schwarzwald. Diese entsteht bei starkem Wind ab etwa 40…50 km/h, möglichst senkrecht zum Schwarzwald (also Ost- oder Westwind). Dabei entsteht auf der windabgewandten Seite von Bergen und Hängen eine Welle, ähnlich wie im Wasser hinter einem Stein. Auf der ansteigenden Seite dieser Welle kann man im Segelflug große Höhen erreichen und diese auch in Strecke umsetzen – ohne Thermik!

Leewellen und Rotoren sind besondere Luftbewegungen im Lee (Windschatten) von Gebirgen, die vor allem für die Luftfahrt gefährlich sind, für die geplanten Windkraftanlagen WC4 im Gerechtigkeitswald Simmozheim aber nach heutigem Verständnis keine besondere Zusatzgefahr darstellen.

Was sind Leewellen und Rotoren?

• Leewellen, auch Mountain Waves genannt, sind stehende Schwerewellen in der Luftströmung auf der dem Wind abgewandten Seite von Bergen (Lee).
• Sie entstehen, wenn stabil geschichtete Luft über ein Gebirge strömt, auf der Luvseite (Windseite) zum Aufsteigen gezwungen wird und dahinter in Schwingung gerät. Sie bilden stabile stehende Wellen in gleicher Höhe aus!
• Im unteren Bereich der Leewelle bilden sich häufig „Rotoren“ bzw. Leewalzen: Wirbelzonen mit starken Auf- und Abwinden und teils schwerer Turbulenz.
• Diese Turbulenzen können für Flugzeuge und Hubschrauber gefährlich werden, weil sich die Windgeschwindigkeit und -richtung im Flug sehr schnell ändern.

Wichtig ist: Leewellen und Rotoren sind stationäre Strukturen in der Luft, die sich typischerweise in oder oberhalb der Höhe des auslösenden Gebirges ausprägen, also zum Beispiel im Lee des Schwarzwaldes in Bereichen von grob 900–1300 m über Normalnull.

Wann treten Leewellen und Rotoren auf – und wann nicht?

Bild: http://www.wetterklima.de/flug/soaring/Leewellen.htm
Aus Bader et al.: Images in Weather Forecasting. Cambridge, 1995

• Leewellen setzen eine stabil geschichtete Atmosphäre voraus (z.B. Inversion über der Bergkette) und eine relativ gleichförmige Anströmung über längere Zeit.
• Sie treten typischerweise nicht bei klassischen Sturm- oder Orkanlagen mit stark labiler Schichtung auf; bei Sturm ist es generell turbulent, aber das hat andere Ursachen als Leewellen.
• Für die bekannte Leewellen-Vorhersage werden oft Karten in großen Höhen (z.B. Flugniveaus FL100–FL180) genutzt, also in mehreren tausend Metern Höhe.​

Die in Diskussionen verwendeten Leewellenkarten im Bereich FL180 (etwa 5500 m Höhe) beziehen sich auf Höhenbereiche, die weit über den Nabenhöhen von Onshore-Windkraftanlagen im Mittelgebirge liegen und sagen daher nur sehr begrenzt etwas über Turbulenz direkt in Nabenhöhe von Anlagen in 500–700 m aus.

Lage Simmozheim / Gerechtigkeitswald WC4 im Windfeld des Schwarzwaldes

• Simmozheim liegt im Hecken- und Schlehengäu zwischen Weil der Stadt und Althengstett; die Höhe der Gemarkung reicht von rund 437 m bis etwa 587 m über Normalnull (Hörnle).
• Der Schwarzwald bildet eine deutlich höhere Barriere mit Gipfellagen im Nordschwarzwald meist zwischen etwa 800 und 1100 m, lokal darüber.
• Die im Gerechtigkeitswald diskutierten Flächen WC4 liegen nach Bürgerinformationen in einem Bereich mit moderater Windhöffigkeit und mittlerem Turbulenzgrad; der Turbulenzgrad wird mit etwa 0,20–0,24 angegeben, also knapp unterhalb der Schwelle, ab der die LUBW einen Standort als ungeeignet wegen zu hoher Umgebungs­turbulenz einstuft (>0,25).​

Für die großräumige Strömung bedeutet das: Simmozheim liegt im Lee des höheren Schwarzwaldes, wenn die vorherrschenden Winde aus SSW bis NW kommen, also in einer eher windschattigen, geschützten Position im Vergleich zu exponierten Lagen direkt auf den Schwarzwaldhöhen oder der Schwäbischen Alb.

Bedeutung von Leewellen und Rotoren für Windkraftanlagen bei WC4

Aus den oben genannten physikalischen und örtlichen Zusammenhängen lassen sich für WC4 im Gerechtigkeitswald Simmozheim folgende Kernaussagen für eine breite Öffentlichkeit ableiten:

1. Unterschied bewegtes Flugzeug vs. stehende Anlage
   • Leewellen‑Rotoren und die zugehörigen Auf- und Abwinde sind vor allem für bewegte Objekte in der Luft gefährlich, weil sich im Flug sehr schnell Auf-, Ab- und Scherwinde ändern können.
   • Eine Windkraftanlage ist ein stehendes Objekt am Boden; vertikale Auf- und Abwinde in moderaten Größenordnungen wirken hier vor allem als zusätzliche Lasten auf Rotor und Turm, werden jedoch im technischen Standsicherheits‑ und Ermüdungsnachweis der Anlage explizit berücksichtigt.
2. Höhenlage der Leewellen vs. Höhenlage der Anlage
   • Leewellen und Rotoren sitzen typischerweise im Höhenbereich des auslösenden Gebirges und darüber; im Fall des Nordschwarzwaldes also grob ab etwa 900 m bis weit über 1000 m.
   • Die geplanten Anlagen im Bereich WC4 liegen deutlich darunter (Standortgelände um etwa 500–600 m über NN, Nabenhöhen typischer moderner WEA im Binnenland liegen dann vielleicht in der Größenordnung 150–170 m über Grund).
   • Damit befindet sich die Anlage voraussichtlich unterhalb der typischen Kernzone von Leewellen und Rotoren des Schwarzwaldes, was gegen eine besondere Zusatzgefährdung durch diese Phänomene spricht.
3. Turbulenz und Sturm – allgemeine Belastungen
   • Jede Windenergieanlage muss nach Normen (z.B. IEC-Klassen) und Herstellerangaben so ausgelegt sein, dass sie definierte Windgeschwindigkeiten, Böenspitzen und Turbulenzgrade sicher aushält; dazu gehören auch extremer Sturm und Böen („Böenspread“ = Differenz zwischen Mittelwind und Spitzenböe).
   • Je höher und je zerklüfteter ein Standort im Gebirge ist, desto größer sind normalerweise Windgeschwindigkeit und Turbulenz, weshalb Anlagen im Hochschwarzwald oder auf der Schwäbischen Alb tendenziell stärker ausgelegt werden müssen als Anlagen im windschattigen Lee.
   • Die DWD-Gutachten und der Windatlas Baden‑Württemberg liefern für jede Region Kenngrößen wie mittlere Windgeschwindigkeit, Windleistungsdichte, Turbulenzgrad und Extremböen, auf deren Basis Hersteller und Betreiber die Standsicherheit und Wirtschaftlichkeit einer Anlage nachweisen müssen.
4. Spezifische Situation WC4 / Simmozheim
   • Der Windatlas und unabhängige Simulationen (z.B. der Firma Al‑Pro) bestätigen für WC4 eine eher niedrige bis moderate Windleistungsdichte (190–215 W/m²) und einen Turbulenzgrad um 0,2–0,24, also erhöht, aber noch unterhalb der LUBW-Grenze für „ungeeignet“ (>0,25).​
   • Das spricht dafür, dass WC4 nicht zu den extrem exponierten Sturm‑ und Turbulenzstandorten zählt, wie sie auf Höhenkämmen des Schwarzwaldes oder der Alb vorkommen.
   • Leewellenkarten in FL180 (etwa 5500 m) zeigen zwar Auf- und Abwindzonen (updrafts/downdrafts), beziehen sich aber auf Flughöhen weit über dem Boden und taugen nicht als direkte Begründung für gefährliche Turbulenz am Standort einer Windkraftanlage im Bereich 500–700 m über NN.

In Summe heißt das: Die Leewellen‑ und Rotorentheorie erklärt wichtige Gefahren für die Luftfahrt im Lee des Schwarzwaldes, liefert aber keine tragfähige Begründung, warum die Windkraftanlagen WC4 im Gerechtigkeitswald Simmozheim ausgerechnet durch Leewellen/Rotoren außergewöhnlich gefährdet wären.

Was bleibt als reales Risiko?

• Jede Windkraftanlage kann durch sehr starke Stürme oder überraschende Orkanböen (z.B. Gewitter‑Böenwalzen) geschädigt werden, wenn sie nicht rechtzeitig abgeschaltet wird oder die Böe deutlich über das Auslegungsniveau hinausgeht.
• Ob ein konkreter Standort wie WC4 technisch geeignet ist, hängt daher vor allem von:
  • der nachgewiesenen Windlastfähigkeit der jeweiligen Anlage (Hersteller‑Nachweis, Typenzertifikat),
  • den gemessenen und modellierten Extremböen- und Turbulenzwerten (z.B. DWD-Gutachten, Windatlas)
    und nicht von Leewellenkarten in großen Flughöhen ab.

Aus meteorologischer Sicht spricht die Lage im Lee des Schwarzwaldes mit moderatem Turbulenzgrad dafür, dass WC4 eher begünstigt ist und nicht zu den standortseitig besonders sturmgefährdeten Gebieten gehört – vorbehaltlich einer fachlich korrekten Auslegung und unabhängigen Prüfung der Windlasten durch DWD/Ingenieurbüros und der technischen Nachweise des Herstellers.

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Quellen:

[1] Wikipedia: Leewelle, de.wikipedia.org/wiki/Leewelle

[2] Spektrum.de – Lexikon der Geowissenschaften: Leewellen

[3] Dr. Erland Lorenzen (2002): Entstehung, Eigenschaften und Gefahren der Leewellen im Mittelgebirge

[4] Vast.aero: Flugtaktiken für Hubschrauber im Mittel- und Hochgebirge (PDF)

[5] Heise, R.; Etling, D.: Schwerewellen und Rotoren, Promet 39(1/2), 36–44 (PDF)

[6] Süddeutsche Zeitung: Turbulenzen im Flugverkehr – Wellen über den Wolken

[7] ForWind – Zentrum für Windenergieforschung: Turbulenzen

[8] DWD / Windenergieanlagen – Physikalische Aspekte und Auswirkungen auf die Umgebung (Wissenschaftliche Dienste BT, PDF)

[9] TopMeteo / Segelflugliteratur zur Wellenflugvorbereitung

[10] Gemeinde Simmozheim: Zahlen und Fakten (Ortsporträt)

[11] Wikipedia: Simmozheim

[12] Informationsportal/Bürgerinitiative zu WC4 Gerechtigkeitswald (Windhöffigkeit, Turbulenzgrad, Al-Pro-Gutachten)