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Große Windpark können ihre Umgebung nachts abkühlen
Windräder verändern nicht nur Luftströmungen, sondern können auch Temperatur und Feuchte direkt im Windpark beeinflussen. Eine hochauflösende Simulation des Huitengxile-Windparks in der Inneren Mongolei zeigt vor allem nachts und im Winter lokale Abkühlung, veränderte Feuchte und schwächeren Wind, wobei die Temperaturänderungen allerdings kleiner als die natürliche Schwankungsbreite blieben.
Beijing (China). Windturbinen entziehen der Luft Bewegungsenergie und erzeugen zugleich Turbulenzen, wodurch große Windparks die atmosphärische Grenzschicht und damit das lokale Wetter beeinflussen können. Frühere Untersuchungen fanden dabei häufig höhere Nachttemperaturen über Windfarmen, weil die Rotoren wärmere Luft aus höheren Schichten nach unten mischen.
Ob sich dieser Effekt auch bei sehr großen Anlagen in trockenen, hoch gelegenen Regionen zeigt, ist weniger klar. Der Huitengxile-Windpark in der Inneren Mongolei umfasst mehr als 1.200 Turbinen, liegt auf rund 2.100 Metern Höhe und ist wegen seiner dichten Anordnung ein Testfall für lokale Klimaeffekte.
Forscher des Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences (IAP), um Entao Yu haben nun untersucht, wie der Windpark Temperatur, Feuchte, Wind und Turbulenz beeinflussen könnte. Dazu nutzte das Team das Wetter- und Klimamodell Weather Research and Forecasting (WRF) in der Version 4.6.1. Im inneren Modellgebiet lag die räumliche Auflösung bei einem Kilometer.
Die Simulationen deckten die Jahre 2018 bis 2020 ab und verglichen jeweils einen Kontrolllauf ohne Windpark mit einem Lauf, in dem die Turbinen als Impulsbremse und Turbulenzquelle berücksichtigt wurden. Als Randbedingungen dienten ERA5-Reanalysedaten, ausgewertet wurden die Oberflächentemperatur, die relative Luftfeuchte am Boden, die Windgeschwindigkeit auf Turbinenhöhe und die turbulente kinetische Energie (TKE), ein Maß für die Stärke turbulenter Luftbewegungen.
In Bereichen mit hoher Turbinendichte zeigte das Modell in allen Jahreszeiten eine Abkühlung an der Oberfläche. Im Winter erreichte sie lokal etwa 0,5 Grad Celsius, im Sommer rund 0,2 Grad. Über die gesamte betrachtete Region lagen die mittleren Änderungen mit 0,23 Grad im Winter und 0,07 Grad im Sommer deutlich unter der natürlichen Schwankungsbreite von 1,31 beziehungsweise 0,86 Grad.
Nachts fiel die Abkühlung stärker aus als tagsüber und erreichte über alle Jahreszeiten in dicht bebauten Bereichen bis zu 0,44 Grad Celsius, im Winter lokal bis zu 0,55 Grad. Bei der relativen Luftfeuchte ergab sich ein komplizierteres Muster, denn sie nahm in vielen Bereichen zu, während im Winter innerhalb des Windparks sowohl Zu- als auch Abnahmen auftraten.
Deutlicher war der Einfluss auf den Wind in Höhe der Turbinen. Dort sank die Windgeschwindigkeit im Winter in besonders dicht belegten Bereichen um etwa 4,4 Meter pro Sekunde, im Sommer um rund 2,0 Meter pro Sekunde. Zugleich stieg die TKE im Winter lokal um bis zu 1,2 Quadratmeter pro Quadratsekunde und im Sommer um etwa 0,7 Quadratmeter pro Quadratsekunde. Anders als bei Temperatur und Wind war dieser Turbulenzeffekt tagsüber stärker.
Die Modellanalyse zeigt zudem ein dreischichtiges Temperaturmuster, bei dem die Luft nahe am Boden abkühlt, im Bereich der Rotoren wärmer wird und oberhalb davon wieder kühler ist. Die Forscher führen dies auf das Zusammenspiel von Impulsentzug und vertikaler Durchmischung zurück, weil die Turbinen den Wind bremsen und dadurch den bodennahen Wärmeaustausch schwächen können, während zusätzliche Turbulenz vor allem in Rotorhöhe wirkt.
Damit unterscheidet sich das Ergebnis von früheren Arbeiten, die für Windparks oft eine nächtliche Erwärmung an der Oberfläche fanden. Nach Ansicht der Autoren könnten Größe und Dichte des Windparks, Gelände, Hintergrundklima und Modellauflösung zu solchen Unterschieden beitragen. Aus der neuen Simulation lässt sich daher keine allgemeine Regel für Windparks in anderen Regionen ableiten.