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Bau von Offshore-Windparks und Artenschutz

Um die Energiewende und den Klimaschutz voranzutreiben, müssen mehr Windanlagen auf See gebaut werden. Damit das aber nicht auf Kosten des Artenschutzes, besonders der bedrohten Schweinswale geht, setzt die Offshore-Branche in Zusammenarbeit mit den zuständigen Behörden auf bewährte Schutzmaßnahmen.

Den Rotor im Wind und den Wal im Blick

Ganz schön laut kann es für manchen Meeresbewohner werden, wenn ein Offshore-Windpark gebaut wird. Laute Geräusche entstehen, wenn die Fundamente der Windräder in den Meeresboden getrieben werden. Um die in Nord- und Ostsee lebenden Schweinwale, Seehunde und Robben vor dem Lärm zu schützen, wurden verschiedene Methoden entwickelt. Besonders Schweinwale gelten als bedrohte Art, zu laute Unterwassergeräusche können ihr Gehör kurzfristig beeinträchtigen und ihre Kommunikation stören. Lange andauernder und sehr lauter Lärm kann auch lebensbedrohlich für die Tiere sein. Damit das nicht passiert, hat die Offshore-Branche in den letzten Jahren Hand in Hand mit den zuständigen Behörden, wie dem Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) und dem Bundesumweltministerium (BMU), vorgesorgt und gemeinsam zunächst im Rahmen von Forschungsprojekten umfangreiche Schutzmaßnahmen entwickelt. Doch wie läuft das Errichten von Windkraftanlagen auf See genau ab und wie werden die Meeressäuger dabei vor dem entstehenden Lärm geschützt?

Das Weglocken – auf zu ruhigeren Orten!

Während der Bauarbeiten von Offshore-Windparks dürfen grundsätzlich festgelegte Lärmgrenzwerte nicht überschritten werden. So darf das Rammen der Stahlrohre einer Windkraftanlage in den Meeresboden in 750 Meter Entfernung nicht lauter als 160 Dezibel im Durchschnitt und bis maximal 190 Dezibel als Spitzenwert sein. Das schreibt das BSH seit 2008 vor. Für die Dauer der gesamten Bauarbeiten wird der Unterwasserlärm von mehreren Hydrofonen (speziellen mit Software ausgestatteten Messgeräten) und Unterwasserschallstationen überwacht. Die Geräuschdaten fließen anschließend an das BSH und werden seit neustem auf der behördeneigenen Plattform MarinEARS langfristig gesammelt. Die Datenbank soll zukünftig ganzjährig die gesamte Geräuschkulisse unter Wasser in Nord- und Ostsee erfassen.

Vor den Bauarbeiten werden zunächst Störgeräusche im Umkreis der Baustelle ausgesendet, damit die Tiere sich fernhalten – die sogenannte Vergrämung. Früher wurden dafür Pinger und „Seal Scarer” eingesetzt, seit 2017 schreibt das BSH stattdessen den Einsatz des Fauna Guard Systems vor. Diese Geräte senden leisere Geräusche im höheren Frequenzbereich aus als Pinger und „Seal Scarer” und sind deshalb angenehmer für Schweinswale und Robben.

In Pilotprojekten des Forschungsunternehmens Bio Consult, gelang es dem Team sogar die Aktivitäten der Meeressäuger im Umkreis der Baustelle in Echtzeit zu überwachen. Standardmäßig werden nach der Vergrämung sogenannte CPODs eingesetzt („cetacean-porpoise detectors”) – Bojen, die das Echo von Schweinswalen im Bereich der Rammstelle aufzeichnen. Die Bojen müssen zur Auswertung geborgen werden, weshalb die Daten nicht unmittelbar übermittelt werden können. Das Team von Bio Consult erprobte sogenannte WDS-Bojen ( „wireless detection system”). Sie übermitteln ihre Daten per Funk und ermöglichten ein Monitoring in Echtzeit. Sobald ein Schweinswal in der Nähe der Rammstelle erkannt wurde, konnten zusätzlich sofort weitere Vergrämungsgeräusche ausgesendet werden.

Schallschutzmaßnahmen – den Lärm umzingeln…

Um den Unterwasserschall, der beim Errichten einer Windkraftanlage entsteht, einzudämmen, gibt es verschiedene technische Verfahren und Einzelmaßnahmen. Kombiniert man bestimmte Maßnahmen miteinander, können teilweise sogar mehr als 20 Dezibel pro Rammschlag geschluckt werden. Eine „one-size-fits-all“-Lösung gibt es dabei jedoch nicht, welche Maßnahmen eingesetzt werden können, hängt stark von örtlichen Bedingungen ab wie der Beschaffenheit des Meeresbodens, der Strömung und Wassertiefe. Doch wie genau sehen die verschiedenen Ansätze aus und wo werden sie eingesetzt?

Kleine Luftblasen unter Wasser erzeugen, die einen Teil des Schalls schlucken – das ist die derzeit gebräuchlichste Schallschutzmaßnahme in Deutschland. Es gibt sie in einfacher und doppelter Ausführung ( „single big bubble curtain” – BBC; „double big bubble curtain” – DBBC). In seltenen Fällen wird auch ein Dreifach-Blasenchleier eingesetz. Dabei werden in relativ weitem Abstand um die Rammstelle ein bzw. zwei Schlauch- oder Rohrsysteme am Meeresboden verlegt, die aufsteigende Blasen aussenden. In der kleineren Variante – dem sogenannten kleinen Blasenschleier – liegen mehrere Ringe unmittelbar um den Rammpfahl und erzeugen die Luftblasen. Will man die Luftblasen auch noch unabhängig von Unterwasserströmen aufsteigen lassen, kann ein geführter Blasenschleier eingesetzt werden. Dabei steigen die Luftblasen entlang einer Membran oder einer Wand empor.

Nach bisherigen Erfahrungen können bei einem doppelten Blasenschleier (DBBC) 15 bis 16 Dezibel bei Wassertiefen um die 40 Meter eingespart werden. Wieviel Lärm eingedämmt werden kann, entscheiden jedoch auch Faktoren wie die Lochgröße der Düsen in den Schläuchen, die verwendete Luftmenge und der Abstand sowie die Länge der Düsenschläuche.

Hier geht es auch zu einem Erklärvideo über den Balsenschleier der Firma Hydrotechnik Lübeck.

Der Hydroschalldämpfer kommt in Deutschland in Kombination mit einem einfachen oder doppelten großen Blasenschleier zum Einsatz. Das HSD-System besteht aus einem Netz mit Schaumstoffelementen in verschiedenen Größen. Jedes dieser HSD-Elemente ist auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt. Dadurch können sowohl hohe als auch tiefe Geräusche bei unterschiedlichen Meerestiefen abgefangen werden. Anders als bei Blasenschleiern können beim Hydroschalldämpfer so die Form, Größe, Anzahl und Anordnung der künstlichen Luftblasen genau eingestellt werden.

Bisher wurde dieses Schallschutzsystem serienmäßig bei Monopile-Rammungen in Nord- und Ostsee angewendet. Bis zu zehn Dezibel können damit jeweils pro Rammung eingespart werden. Das Unternehmen Vattenfall hat den Schalldämpfer beim Bau des Offshore-Windparks Sandbank 2015 zum ersten mal erfolgreich getestet und eingesetzt.

Wenn größere Pfahlkaliber von bis zu acht Meter Durchmesser in den Meeresboden getrieben werden müssen, wird der Hydroschalldämpfer meist mit einem doppelten Blasenschleier kombiniert. Dabei lassen sich die Schalleinsparwerte der einzelnen Maßnahmen jedoch nicht einfach aufaddieren. Stattdessen kann schlicht in der Summe etwas mehr Schall absorbiert werden als die einzelnen Maßnahmen das allein könnten.

In der Nordsee konnten dank Kombination von Maßnahmen die Bauarbeiten schon um bis zu 18 bis 19 Dezibel leiser von statten gehen. In der deutschen Ostsee variierten die Schallminderungen stärker, was an anderen Meeresbodeneigenschaften liegen kann, meinen Experten des Instituts für technische und angewandte Physik. Da die Ostsee ein ruhigeres Gewässer ist und weniger Strömungen führt als die Nordsee, gehen sie davon aus, dass dort sogar mehr Schall reduziert werden kann.

Hüllrohre eignen sich besonders für das Errichten von Monopiles. Mit ausgeklügelten Konzepten können sie auch bei anderen Fundamenttypen eingesetzt werden. Designt sind die Rohre entweder doppelwandig oder als einwandige Variante mit einer die gesamte Pfahllänge umschließenden Isolierung aus Luft, Schaumstoff oder einem Blasenschleier. Der Einsatz kann unterschiedlich gehandhabt werden:

Ein Kran stülpt das Rohr über den bereits auf den Meeresboden abgesetzten Pfahl; der Rammpfahl wird schon auf dem Errichterschiff in das Hüllrohr geschoben, dann auf dem Meeresboden abgesetzt und nach der Rammung zurückgehoben; oder vom Errichterschiff wird das Hüllrohr mechanisch auf den Meeresboden abgesenkt und erst dann wird der Pfahl eingelassen. Wie praxistauglich dieses Verfahren ist, wurde beim Bau des Offshore-Windparks „Riffgat“ demonstriert: 30 Monopile-Fundamente wurden zusammen mit einem 30 Meter langen und 10 Meter breiten doppelwandigen Stahlrohr mit innen liegendem Blasenschleier in den Meeresboden getrieben. Der Einsatz ist logistisch allerdings etwas aufwendiger, da ein entsprechender Kran und Lagerraum für das Hüllrohr vorhanden sein muss.

Schallminderungsmaßnahmen – weniger Lärm um Viel...

Neben Methoden, den Unterwasserschall an der Ausbreitung zu hindern, gibt es allerdings auch noch Möglichkeiten, beim Bau erst gar nicht so viel Lärm zu erzeugen. Dafür sorgen sogenannte Schallminderungssysteme. Was im Fachjargon sperrig klingt, ist im Prinzip einfach. Wir stellen einige Ansätze vor.

Bei dieser Maßnahme wird nicht der Schall gedämmt, sondern der Quellpegel reduziert. Das ist möglich indem, salopp formuliert, weniger stark gerammt wird, was wiederum mit einem größeren Hammer ausgeglichen werden kann. Nach bisherigen Erfahrungen können dabei zwei bis drei Dezibel pro Halbierung der Rammstärke gespart werden. Basierend auf diesen Erkenntnissen hat sich in den letzten Jahren ein sogenanntes „schalloptimiertes“ Rammverfahren in Deutschland etabliert. Dabei wird ein möglichst großer Rammhammer der neuesten Generation mit einer um 50 bis 60 Prozent reduzierten Rammstärke eingesetzt. Das Verfahren lässt sich gut mit einer zweiten Schallschutzmaßnahme, wie zum Beispiel einem Blasenschleier kombinieren.

Größere Windkraftanlagen haben mehr Kapazität, ergo lassen sich mit dem Bau größerer Anlagen schneller die gewünschte Megawatt-Kapazität erreichen und es müssen weniger Rammarbeiten vorgenommen werden, wodurch insgesamt weniger Lärm verursacht wird.

Durch eine Kombination von Rütteln und Rammen kann die Dauer des schallintensiven Rammens verkürzt werden. Beim Rütteln lassen rotierende Gewichte in der Vibrationsramme den Pfahl vibrieren und treiben ihn so in den Meeresboden. Die Vibrationsramme versetzt den Pfahl in vertikale Schwingungen mit einer Frequenz von rund 20 Herz. Dieser „Vibrationsschall“ im unteren Frequenzbereich breitet sich im flachen Wasser der Nord- und Ostsee nicht mehr aus. Allerdings treten auch höherfrequente Schwingungen auf, die den Schallpegel im Wasser während des Einsatzes der Vibrationsramme begleiten. Bei dieser Methode ist noch einige Forschungsarbeit nötig, um die Auswirkungen auf den Boden und die Standfestigkeit der Fundamente besser zu verstehen.

Es geht aber auch ganz ohne Rammen. Neben den klassischen Stahlrohren (Monopiles) gibt es auch die „Suction-Bucket-Jacket”-Methode mit Saugeimer-Fundamenten. Dabei saugen sich die Fundamente, die aussehen wie umgedrehte Eimer, mittels Unterdruck fast geräuschlos in den Boden. Diese Fundamente werden seit vielen Jahren in der Öl- und Gasindustrie eingesetzt. Orsted hat die Technologie für die Windenergieanlagen als erstes Unternehmen übernommen und 2014 im Windpark „Borkum Riffgrund 1“ erstmalig erprobt. Für „Borkum Riffgrund 2“ kamen 20 dieser Fundamente zum Einsatz. Vattenfall hat mit dem „Aberdeen Bay Offshore Projekt” vor Schottland einen ganzen Park auf diesen Saugeimer-Fundamenten errichtet.

Den Walen auf der Spur – was sagen die Studien?

2019 gab der Bundesverband der Offshore-Windparkbetreiber eine Studie in Auftrag, welche die Auswirkungen von Rammarbeiten beim Bau von Offshore-Windparks und den dabei entstehenden Schallwellen auf Schweinswale in der deutschen Nordsee untersucht hat. In der sogenannten Gesamtstudie Schallauswirkungen 2 wurden insgesamt die Bauarbeiten von elf Windparks in der deutschen Nordsee begleitet. Dabei sollte herausgefunden werden, ob die Schallwellen langfristig zur Vertreibung der Schweinswale aus heimischen Gewässern beitragen. Die Untersuchung wurde von dem Unternehmen BioConsult SH, IBL Umweltplanung und dem Institut für angewandte Ökosystemforschung (IFaOe) durchgeführt.

Dazu wurden Hydroschalldaten von Waldetektoren (C-PODs) sowie Daten von Schweinswalzählungen aus dem Flugzeug in der deutschen Bucht aus den Jahren 2014 bis 2016 sowie die Datenbasis einer Vorgängerstudie von 2009 bis 2013 ausgewertet. Die Forscher stellten dabei eine gleichbleibende Aktivität der Schweinswale fest. Eine langfristige Vertreibung und Verkleinerung der Population konnte auf Basis dieser Daten nicht festgestellt werden. Die Ergebnisse deuten hingegen auf ein konstantes Schweinswaltreiben in der deutschen Nordsee hin.

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