Lärm von Windenergieanlagen

Quelle:BaFU

Die Nutzung von Windenergie in der Schweiz ist im Vergleich zu Deutschland immer noch relativ gering. Bis Ende 2015 waren in der Schweiz gemäß „suisse éole“, der Vereinigung zur Förderung der Windenergie in der Schweiz, 34 sog. Großwindenergieanlagen mit einer Leistung von insgesamt 60 MW installiert [1]. Die größte Anlage mit 16 Windturbinen liegt auf dem Mont Crosin im Berner Jura. Die Jahresproduktion betrug in der Schweiz im Jahr 2015 erst 110 GWh, was weniger als 0,2 % des gesamten Stromverbrauchs der Schweiz entspricht. In Deutschland waren es zum gleichen Zeitpunkt fast 26 000 Anlagen mit einer Leistung von rund 42 000 MW und einem Anteil am Stromverbrauch von 13,3 % [1].

Die Schweizer Regierung fördert im Rahmen ihrer Energiestrategie 2050 und dem Programm EnergieSchweiz 2013-2020 die Windenergie. Nach einer Studie der Universität St. Gallen aus dem Jahr 2015 [2] äußert sich eine Mehrheit der Befragten „positiv zur Entwicklung von Windenergieprojekten“, was sich mit dem Ergebnis einer früheren Studie deckt [3]. Als Grund für den langsamen Ausbau der Windenergie werden von Vertretern der Energiewirtschaft die im internationalen Vergleich zeitraubenden Verfahren beklagt. Ein Grund liegt aber auch darin, dass es in der Schweiz vergleichsweise wenige geeignete Standorte gibt. Von Anwohnern und verschiedenen Organisationen werden eine ganze Reihe von Befürchtungen geäußert (Bild 1): zu erwartende Veränderung der Landschaftsbilds, Schattenwurf, Lärm­immissionen (Schall- und Infraschall), Risiken für die Tierwelt (besonders für die Vögel), Eiswurfgefahr und oft zu geringe Effizienz für Schweizer Standorte. In der dicht besiedelten Schweiz werden künftige Windenergieanlagen zum Teil vergleichsweise nahe an Siedlungen oder touristisch genutzten Gebieten gebaut werden. Deshalb ist die Frage der Lärmimmissionen, deren Wirkung und deren Beurteilung ein zentrales Thema.

Im Folgenden wird zuerst dargelegt, wie der Lärm von Windturbinen in der Schweiz rechtlich behandelt und in der Praxis beurteilt wird. Weiter werden Ergebnisse von Schweizer Forschungsprojekten vorgestellt, und zwar ein Projekt zur Entwicklung eines Werkzeugs zur Visualisierung und Auralisierung von Windparks sowie ein zweites mit psychoakustischen Unter­suchungen zur Frage der Lästigkeitswirkung von Windturbinenlärm im Vergleich zu Straßenlärm. Die Projekte ergänzen sich synergetisch, um die Wirkung und Beurteilung von Windenergieanlagen zu optimieren.

Rechtliche Grundlagen

Umweltschutzgesetz und Lärmschutz-Verordnung

Das schweizerische Umweltschutzgesetz (USG) [4] und die Lärmschutz-Verordnung (LSV) [5] haben zum Ziel, die Bevölkerung vor schädlichen oder lästigen Lärmimmissionen zu schützen. Konkretisiert wird der Schutz in der LSV durch die Fest­legung der Beurteilungsmethodik und durch Lärmbelastungsgrenzwerte für verschiedene Anlagen wie Verkehrsinfrastrukturen, zivile und militärische Schießanlagen sowie Industrie- und Gewerbeanlagen. Der Lärm von Windenergieanlagen fällt unter letztere Kategorie.

In der Schweiz gibt es drei Typen von Lärmbelastungsgrenzwerten: Die Immissionsgrenzwerte (IGW) werden als Maßstab der Schädlichkeit oder Lästigkeit so festgelegt, dass Immissionen unterhalb dieser Werte die Bevölkerung in ihrem Wohlbefinden nicht wesentlich stören. Die Planungswerte (PW) liegen 5 dB unterhalb der IGW und dienen der Vorsorge. Die Alarmwerte (AW) liegen 10 bis 15 dB über den IGW und sind ein Indikator für die Dringlichkeit von Maßnahmen. Die Grenzwerte werden zudem nach Tag und Nacht sowie nach der Raumnutzung (Empfindlichkeitsstufen ES I bis IV) aufgeteilt, was zu dem in der Tabelle aufgeführten Grenzwertschema führt.

Grenzwerte der LSV für Industrie- und Gewerbelärm, abhängig von den Empfindlichkeitsstufen (ES).

 

Die Festlegung von Belastungsgrenzwerten erfolgt nach rein gesundheitlichen Kriterien. Wirtschaftliche, raumplanerische oder andere Interessen können erst bei der Umsetzung von emissionsbegrenzenden Maßnahmen berücksichtigt werden. Die Grenzwerte gelten an den offenen Fenstern von lärm­empfind­lichen Räumen. Dazu gehören z. B. Schlaf-, Wohn- und Aufenthaltsräume. Für Räume in Betrieben (Büros etc.), die in den ES I bis III liegen, gelten um 5 dB höhere PW und IGW.

In der rechtlichen Regelung wird zwischen neuen und be­stehenden bzw. alten Anlagen unterschieden. Altanlagen müssen mindestens die IGW einhalten, während für Neuanlagen neben dem Vorsorgeprinzip die strengeren PW gelten. Anlagen gelten als neu, wenn der Bauentscheid nach Inkrafttreten des USG (1. Januar 1985) rechtskräftig war. Grundsätzlich kann davon ausgegangen werden, dass in der Schweiz alle Windenergieanlagen nach dem 1. Januar 1985 erstellt wurden, sodass diese Anlagen als Neuanlagen zu beurteilen sind.

Die Lärmemissionen von neuen Windenergieanlagen müssen im Rahmen der Vorsorge so weit begrenzt werden, wie dies technisch und betrieblich möglich sowie wirtschaftlich tragbar ist und die von der Anlage allein erzeugten Lärmimmissionen die PW nicht überschreiten. Bei eingehaltenen PW gelten weitere vorsorgliche Maßnahmen nach der Rechtsprechung des Schweizerischen Bundesgerichts nur dann als wirtschaftlich tragbar, wenn mit geringem Aufwand eine wesentliche Emissionsreduktion erreicht werden kann. Es können Erleichterungen gewährt werden, wenn die Einhaltung der PW zu einer unverhältnis­mäßigen Belastung für die Anlage führen würde und ein überwiegendes öffentliches, namentlich auch raumplanerisches Interesse an der Anlage besteht.

Im Rahmen dieser Interessenabwägung hat die Behörde das Interesse der Bevölkerung am Schutz vor Lärm mit dem Interesse am Betrieb der Windenergieanlagen abzuwägen. Dabei sind insbesondere die Höhe der Lärmbelastung, die Anzahl betroffener Personen sowie evtl. die Umstände der Betroffenheit (z. B. wenn Liegenschaften nur während gewisser Zeiten wie Sommer oder Winter bewohnt sind) zu berücksichtigen.

Die LSV regelt nicht den Schutz gegen Infra- und Ultraschall, weil diese nicht über das Gehör wahrgenommen werden und deshalb andere Beurteilungsmethoden zur Anwendung kommen müssen. Aufgrund des Stands der wissenschaftlichen Erkenntnisse und der Erfahrung geht man heute davon aus, dass im Allgemeinen keine schädlichen oder lästigen Immissionen durch Infra- oder Ultraschall zu erwarten sind, wenn die Lärm­immissionen im hörbaren Bereich die maßgebenden Grenzwerte einhalten (siehe dazu auch [6]).

Beurteilungsmethode gemäß Anhang 6 der Lärmschutz-Verordnung

Zur Beurteilung der Lärmimmissionen von Windenergieanlagen werden am Immissionsort die verschiedenen Lärmphasen der Anlagen zu einem jährlichen Beurteilungspegel L_r zusammengerechnet und mit den maßgebenden Grenzwerten ver­glichen. Der Beurteilungspegel L_r ist getrennt für den Tag (7:00 bis 19:00 Uhr) und die Nacht (19:00 bis 7:00 Uhr) aus den Teil­beurteilungspegeln Lr,i der einzelnen Lärmphasen i zu berechnen:

Die Lärmphasen unterscheiden sich dabei in ihrer Störwirkung. Konkret sind dazu in der LSV Lärmphasen als Zeitabschnitte definiert, in denen am Immissionsort ein nach Schallpegelhöhe sowie Ton- und Impulsgehalt einheitlicher Lärm einwirkt. Der Teilbeurteilungspegel Lr,i wird aus dem A-bewerteten Mittelungspegel sowie Pegelkorrekturen für die Lärmcharakteristik und die durchschnittliche tägliche Dauer der Lärmphase wie folgt berechnet:

Lr,i = Leq,i + K1,i + K2,i + K3,i + 10 lg(ti/t0)        (2)

Dabei ist:

Lr,i:   Teilbeurteilungspegel Lr,i der Lärmphase i

Leq,i : A-bewerteter Mittelungspegel der Lärmphase i

K1,i :  Pegelkorrektur für den allgemeinen Lärmcharakter der

Lärmphase i, bzw. der Anlage

K2,i:  Pegelkorrektur für die Hörbarkeit der Tonhaltigkeit der        Lärmphase i

K3,i :  Pegelkorrektur für die Hörbarkeit der Impulshaltigkeit der       Lärmphase i

ti:    Durchschnittliche tägliche Dauer in der Lärmphase i in       Minuten

t0    720 min (Referenzzeit für Tag oder Nacht = 12 Stunden)

Mit der Pegelkorrektur K1 wird der Umstand berücksichtigt, dass der variable Charakter von Industrie- und Gewerbelärm generell störender wirkt, als dies durch den reinen Mittelungspegel abgebildet wird. Mit den Pegelkorrekturen K2 und K3 wird das Ausmaß der Störung aufgrund des Ton- und Impulsgehalts abgebildet. Diese Korrekturen werden nicht messtechnisch ermittelt, sondern Lärmexperten beurteilen diese in vier Stufen: 0 = nicht hörbar, 2 = schwach hörbar, 4 = deutlich hörbar, 6 = stark hörbar. Die Betriebspegelkorrektur 10 lg(ti/t0) gewichtet die Störung aufgrund der begrenzten Einwirkdauer ti der Lärmphase i bezogen auf die Bezugsdauer t0 von 12 Stunden (Tag oder Nacht).

Die durchschnittliche tägliche Dauer ti der Lärmphase i berechnet sich aus ihrer jährlichen Dauer Ti und der Anzahl der jährlichen Betriebstage B wie folgt:

ti = Ti/B     (3)

Bei neuen Anlageprojekten wird die durchschnittliche täg­liche Dauer ti der Lärmphase i anhand von Prognosen über den zu erwartenden Betrieb ermittelt.

Kontrolle der Beurteilung

Die erstmalige Ermittlung und Beurteilung der Lärmimmissionen sind im Rahmen des Bewilligungsverfahrens durchzuführen. Die Bewilligungsbehörde hält in ihrem Entscheid die zulässigen Lärmimmissionen, d. h. die ermittelten Lärmpegel bei den betroffenen Liegenschaften, fest. Weichen die effektiven Lärmimmissionen von der im Entscheid festgehaltenen zulässigen Lärmimmission auf Dauer wesentlich davon ab, so trifft die Vollzugsbehörde die notwendigen Maßnahmen. Konkret heißt dies, dass die Behörde im Rahmen eines neuen Verfahrens entweder spezifische Maßnahmen zur Reduktion der Emissionen anordnet oder neue zulässige Lärmimmissionen festlegt. Eine auf Dauer wesentliche Abweichung der Lärmbelastung gegenüber den verfügten zulässigen Lärmimmissionen besteht bei einer Pegeldifferenz von mindestens 1 dB während mindestens drei Jahren.

Aktuelle Praxis der Lärmprognose und -beurteilung

Im Jahr 2009 wurden von der Empa, dem Forschungsinstitut des ETH-Bereichs für Materialwissenschaften und Technologieentwicklung, im Auftrag des Schweizerischen Bundesamts für Umwelt, Wald und Landschaft (BAFU) Grundlagen für die Prognose und Beurteilung des Lärms von Windenergieanlagen erarbeitet. Die Erkenntnisse wurden in einem Bericht der Empa [7] dargestellt, begleitet von einem Info-Blatt [8] des BAFU. Im Folgenden werden die wichtigsten Punkte daraus zusammengefasst.

Prognose des Mittelungspegels Leq

Die Ermittlung des Lärms von Windenergieanlagen ist anspruchsvoll, da die Immissionen nur sporadisch auftreten und von vielen Parametern wie Windgeschwindigkeit und -richtung, Windgeschwindigkeitsverteilung mit der Höhe, Topografie etc. abhängig sind. Der von Windenergieanlagen abgestrahlte Schall zeichnet sich durch einen hohen Anteil von tiefen Frequenzen und den zeitweilig auftretenden charakteristischen rhyth­mischen Charakter (Amplitudenmodulation) aus. Infolge seiner typischen Charakteristik kann dieser Lärm auch dann wahrnehmbar sein, wenn dessen Mittelungspegel am Beurteilungsort deutlich tiefer ist als jener der ebenfalls zeitweise wind­induzierten Umgebungsgeräusche.

Der Schallleistungspegel Lw der Windenergieanlage wird in der Regel vom Hersteller nach DIN EN 61400-11 [9] ermittelt. Es ist zu beachten, dass Lw von der Windgeschwindigkeit abhängt. Deshalb ist die Windstatistik (prozentualer Anteil zu Geschwindigkeit m/s, evtl. Hauptwindrichtungen) eine wichtige Grundlage für die Immissionsprognose. Wesentlich ist, dass für die Geräuschemission die Windgeschwindigkeit auf Nabenhöhe relevant ist, die üblicherweise im Bereich von 60 bis über 100 m über Grund liegt. Bei der Transformation einer auf 10 m Höhe er­mittelten Statistik auf Nahenhöhe müssen korrekte Annahmen zu den tageszeitabhängigen Windgeschwindigkeitsprofilpara­metern getroffen werden. Da die Nachtperiode infolge der tieferen Grenzwerte (vgl. Tabelle) kritischer ist und dann oft gleichmäßigere Windverhältnisse herrschen, ist in der Regel die Nachtwindstatistik maßgebend. Detaillierte Referenzberechnungen ergaben, dass für die Ausbreitungsmodellierung die DIN ISO 9613-2 [10] auch für diese sehr hoch liegenden Schallquellen verwendet werden kann. Allerdings zeigten Vergleichsrechnungen mit einem numerischen Verfahren zur Reflexionsberechnung einer Kugelwelle an einer lokal reagierenden Oberfläche, dass der Bodeneffekt vorteilhaft pauschal mit +1 dB einzusetzen ist. Bild 2 zeigt dazu als Parameterstudie Berechnungsergebnisse für den Bodeneffekt einer 50 bis 80 m hohen Punktquelle über ebenem Boden in 300 bis 1 000 m Entfernung für einen 2 bis 10 m hohen Empfänger, einmal mit DIN ISO 9613-2 und einmal exakt nach [11].

Bild 2 Bodeneffekt+1dB: Bodeneffektbestimmung gemäß ISO 9613-2 und exakte Rechnung für die im Text genannten Situationsparameter.

Foto: BAFU (CH)

 

Eine Bodeneffektberechnung nach DIN ISO 9613-2 führt gegenüber der exakten Berechnung somit zu einer Immissionspegelunterschätzung von 1 bis 3 dB(A).

Pegelkorrekturen

Die Tonhaltigkeit der Immissionen moderner Windenergieanlagen ist in der Regel praktisch unhörbar. Bezüglich Impulshaltigkeit äußert sich das BAFU dahingehend, dass sich „der Begriff der Hörbarkeit des Impulsgehalts dabei nicht auf die rein akus­tische Definition der Impulshaltigkeit beschränkt wie sie z.B. in einschlägigen Normen definiert ist. Die Hörbarkeit des Impulsgehalts im Sinne der LSV kann auch die Störungscharakteristik von Impuls ähn­lichen oder rhythmischen Aspekten beinhalten. Bei Windkraftanlagen wird damit die gut wahrnehmbare und für die Bevölkerung besonders lästige Amplitudenmodulation des Geräusches abgedeckt. Dieses Vorgehen entspricht der gängigen Praxis bei der Beurteilung von ähnlich amplitudenmodulierten Geräuschen bei Industrie- und Gewerbeanlagen“ [8]. Dieser Impulszuschlag berücksichtigt somit die bei Windkraftanlagen oft beobachtete erhöhte Störwirkung aufgrund des besonderen zeitlich variablen Geräuschcharakters [12].

Für die Planung von Windenergieanlagen wird deshalb vorgeschlagen, dass für die Tonhaltigkeit K2 = 0 gesetzt wird und die Impulshaltigkeit bei Auftreten von hörbaren Amplitudenmodulationen im oben erklärten Sinne als K3 = 4 dB berücksichtigt wird. Grundsätzlich obliegt es aber den Vollzugsbehörden, die Pegelkorrekturen K2 und K3 am Immissionsort zu bestimmen.

Windenergieanlagen sind gemäß LSV „Industrieanlagen“, womit die Pegelkorrektur K1 auf 5 dB gesetzt wird.

Lärmphasen

Die Lärmphasen i werden bei der Berechnung des Lr für die Windenergieanlagen aufgrund der windgeschwindigkeitsabhängigen Lw bestimmt, und zwar integral für den Windpark. Da moderne Anlagen über einen schallreduzierten Betriebsmodus verfügen, kann allenfalls die Einhaltung der PW in der kritischen Nachtperiode mittels eines entsprechenden Drosselungskonzepts erreicht werden. Im Einzelfall kann die Behörde auf der Grundlage einer Interessenabwägung Erleichterungen (nach LSV Art. 7 Abs. 2) erteilen.

Hintergrundlärm

Die Berücksichtigung des Hintergrundlärmpegels bei der Ermittlung der Lärmbelastung bzw. Lärmphasen ist in der Schweiz im Gegensatz zu anderen Staaten nicht rechtskonform. Der Hintergrundpegel wird im Rahmen der Lärmvorbelastung bei der Festlegung der ES berücksichtigt, nicht aber bei der Ermittlung der Immissionen. Das Weglassen von Lärmphasen, die vermeintlich nicht hörbar oder nicht störend sind, ist daher nicht zulässig.

Ausblick

Beim BAFU ist zurzeit eine Vollzugshilfe „UVP-Handbuch, Bereiche und Anlagen“ (UVP = Umweltverträglichkeitsprüfung) in Bearbeitung. Die Vollzugshilfe konkretisiert unbestimmte Rechtsbegriffe von Gesetzen und Verordnungen und soll eine einheitliche Vollzugspraxis fördern. Ein Kapitel der Publikation wird sich mit Windenergieanlagen beschäftigen.

Visuelle und akustische Simulation von Windenergieanlagen

Motivation und Ziel des Projekts VisAsim

Wie oben ausgeführt, stehen Anwohner und Schutzorganisationen der Planung und Umsetzung von Windenergieprojekten oft kritisch gegenüber. Bislang fehlten Planungsinstrumente, die sowohl eine visuelle als auch eine akustische Bewertung von Windenergieanlagen in der Landschaft ermöglichen. Mit dem Projekt „VisAsim: Visuell-Akustische Simulation zur Bewertung der Landschaftsverträglichkeit von Windparks“ (2011-2014) [13; 14] entstand in einer Forschungszusammenarbeit der ETH Zürich und der Empa ein wissenschaftliches Werkzeug für die künstliche Erzeugung von bewegtem Bild und Ton, das die realistische Darstellung geplanter Windparks zu Kommunikationszwecken sowie auf die Fragestellung zugeschnittene Laborexperimente ermöglicht.

Ziel des Projekts VisAsim war die Entwicklung einer GIS- basierten visuell-akustischen 3D-Landschaft, die sowohl eine ästhetische Bewertung des Landschaftsbilds als auch eine Bewertung der Störwirkung von Geräuschen der neuen Infrastrukturen im jeweiligen Landschaftskontext ermöglicht [14].

Entwicklung und Validierung des Simulationsinstruments

In einem interdisziplinären Ansatz wurden Simulationen der Geräusche von Windturbinen mit interaktiven 3D-Landschaftsvisualisierungen von Windparks in einem Simulationsinstrument vereinigt. Dazu wurden zunächst von dem bestehenden Windpark am Mont Crosin Videoaufnahmen der Landschaft und Tonaufnahmen der Windturbinengeräusche als Referenzmedien erstellt sowie der Prototyp einer visuell-akustischen Simulation entwickelt. Die Qualität des Prototyps als Medium zur Landschaftsbewertung wurde dann in einem Experiment mit den Referenzaufnahmen verglichen. Laborexperimente [15] zeigten, dass die Geräusche der Windturbinen bei den Simulationen als realistisch und bezüglich Belästigung sehr ähnlich wahrgenommen und bewertet werden wie bei den realen Aufnahmen. Beim Landschaftsbild zeigten sich bei den Simulationen im Vergleich zu realen Videoaufnahmen geringe Unterschiede bezüglich der Integration der Windturbinen in die Landschaft und etwas größere bezüglich der Realitätsnähe und gewissen Aspekten der Farbgebung und der Lebendigkeit. Die Simulationen erweisen sich somit als unterstützende Kommunikations- und Bewertungsmedien zur Veranschaulichung mög­licher Auswirkungen von Windparks. Anschließend wurden für drei Gebiete in unterschiedlichen Landschaftstypen unterschiedliche Windparkszenarien simuliert und in einer Akzeptanzstudie eingesetzt. Es hat sich gezeigt, dass das Simulationsinstrument VisAsim großes Potenzial hat, die Bewertung von Windpark-Szenarien zu verbessern.

Als ein Ergebnis des Projekts stehen realitätsnahe visuell-akustische Simulationen von virtuellen Spaziergängen durch Windparks in drei Landschaftstypen (Ebene, Hügelgebiet, Gebirge) zur Verfügung (ein Beispiel zeigt Bild 3).

Bild 3 Windenergielandschaft Typ „Hügelgebiet“, dargestellt in der Simulation „VisAsim“ Bild: Madeleine Manyoky und Ulrike Wissen Hayek, PLUS, ETH Zürich

 

Auralisierung

Die Auralisierung der Windturbinengeräusche gliedert sich in vier Module (Bild 4) [14].

Bild 4 Module zur Auralisierung von Windturbinenlärm [16]).

Im Emissionssynthesizer [17] wird für jede Turbine typen- und windgeschwindigkeitsabhängig das abgestrahlte Audiosignal erzeugt. Im Ausbreitungsfilter [18] werden die relevanten Ausbreitungsphänomene von der Quelle bis zum Immissionsort nachgebildet. Im Renderingmodul wird schließlich das Empfängersignal auf ein geeignetes Wieder­gabesystem (Lautsprecher/Kopfhörer) abgebildet. Zusätzlich können mit einem Umgebungsgeräuschsynthesizer Vegeta­tionsgeräusche erzeugt und dem Windturbinengeräusch über­lagert werden [18]. Damit werden mögliche Maskierungseffekte nachgebildet, die insbesondere bei höheren Windgeschwindigkeiten bedeutend werden können.

Der Aufbau des Emissionssynthesizers ist in Bild 5 gezeigt.

Bild 5 Blockdiagramm des Emissionssynthesizers zur Erzeugung des von der Windturbine abgestrahlten Signals.

Foto: BAFU (CH)

 

Das Ausgangssignal wird als Summe eines breitbandigen, in Terzbändern spektral angepassten Rauschens und allfälligen Reintonkomponenten gebildet. Wichtige klangbildende Elemente stellen die zeitvariablen Verstärker zur Nachbildung der Amplitudenmodulationen dar. Die diese Verstärker steuernden Zeitfunktionen entsprechen der Überlagerung einer zufälligen und einer periodischen Komponente. Die Parameterschätzung erfolgte anhand von Audioaufnahmen, die in der Nähe der entsprechenden Turbine gemacht wurden. Wie Hörversuche zeigten, liefert diese Synthesizerstruktur bei richtiger Steuerpara­metersetzung Audiosignale, die kaum von echten Aufnahmen unterschieden werden können [17].

Die Ausbreitungsfilterung modelliert die Ausbreitungsphänomene geometrische Verdünnung, Luftdämpfung, Bodeneffekt und eventuelle Hinderniswirkungen sowie turbulenzinduzierte Pegelfluktuationen. Während bei rechnerischen Immissionsprognosen die Windturbine typisch als Punktquelle auf Nabenhöhe betrachtet wird, zeigt sich bei der Auralisierung, dass mit dieser Annahme zu ausgeprägte Bodeneffektinterferenzen resultieren, die insbesondere bei einem bewegten Empfänger als deutlich hörbarer Flangereffekt in Erscheinung treten. Für die Nachbildung des Bodeneffekts muss von einer ausgedehnten Quelle ausgegangen werden, die sich über die volle Ausdehnung der Rotorflügel erstreckt. Zusätzlich wird eine frequenzabhängige stochastische Amplitudenmodulation erzeugt, um die Auswirkungen von Turbulenzen in der Luft abzubilden. In größeren Abständen (> 500 m) können diese Pegelfluktuationen mehrere dB ausmachen und stützen die Glaubwürdigkeit des Empfängersignals. Grundlage zur Parametersetzung des dazu benötigten zeitvariablen Filters bildeten numerische wellentheoretische Simulationen mit einem Modell basierend auf Finiten Differenzen im Zeitbereich. Dazu wurden Statistiken über die Ausbreitungsdämpfungen in einem inhomogenen Medium mit zufällig generierten Brechungsindexfeldern erstellt (Bild 6).

Bild 6 Beispiel eines Ausschnitts aus einem zufällig generierten Brechungsindexfeld (r: Längskoordinate, z: Höhe über Boden) zur Simulation der Schallausbreitung in einem inhomogenem Medium.

Foto: BAFU (CH)

Die Erzeugung der Vegetationsgeräusche erfolgt mittels amplitudenmodulierten Rauschens. Das Signal bildet die Kontakt­geräusche zwischen Blättern sowie an Ästen und Zweigen ent­stehende Strömungsgeräusche nach. Für verschiedene Vegeta­tionstypen stehen Zusammenhänge zwischen Windgeschwindigkeit und spezifischer spektraler Schallleistung eines Volumenelements zur Verfügung [18]. Unter Berücksichtigung der geometrischen Verdünnung und der Luftdämpfung und mit einem Modell zur Nachbildung der zeitlichen Fluktuation der Windgeschwindigkeit entsteht so ein zeitvariables Geräusch an der Empfängerposition.

Für die Hörbarmachung der Windturbinen- und Vegetationsgeräusche im Labor wurde ein Wiedergabesystem bestehend aus fünf in einer Horizontalebene kreisförmig rund um den Hörerplatz aufgestellten Lautsprechern gewählt. Die in der Synthese erzeugten Signale wurden zusammen mit der Information zum Azimutwinkel der jeweiligen Quellenrichtung bezüglich der Empfängerposition und -ausrichtung mittels eines Ambisonics-Rendering auf die fünf Lautsprecher abgebildet [15]. Mit diesem Wiedergabesystem kann eine akustische Szenerie mit ent­sprechender Richtungsinformation an ein bis zwei Hörerpositionen überzeugend reproduziert werden. Wie weitere Versuche zeigten, kann eine Vergrößerung des Sweet Spots durch alternative Renderingstrategien, wie z. B. Amplitudenpanning, erreicht werden. Dies gewinnt an Bedeutung, wenn gleichzeitig eine größere Personengruppe beschallt werden soll.

Ausblick

Auf den Grundlagen des Projekts VisAsim wurde im Auftrag des schweizerischen Bundesamts für Energie BFE ein ausleih­barer mobiler Demonstrator für Windparks entwickelt, mit dem die VisAsim-Simulationen in verschiedenen Regionen der Schweiz vorgeführt werden können, zum ersten Mal an der Thurgauer Herbstmesse WEGA 2015 in Weinfelden (Schweiz). Der Demonstrator hat sich als attraktives Informationsmedium für die Bevölkerung erwiesen. Auch Investoren und Planungs­behörden sehen ein großes Potenzial, mit den Simulationen den Dialog mit der Bevölkerung im Planungsprozess zu unterstützen. In einem nächsten Schritt wäre es wünschenswert, das Tool so weiterzuentwickeln, dass Planungs- und Bauprozesse konkret unterstützt werden können. Dies entspricht den Empfehlungen von [19], die Anwohner frühzeitig positiv einzubeziehen, „um präventiv die Wahrscheinlichkeit für Beschwerden nach Errichtung des Windparks zu verringern.“

Psychoakustische Untersuchungen zu Windturbinenlärm

Motivation und Ziel der Untersuchungen

Es gibt aktuelle Erkenntnisse aus der Literatur, dass Windturbinenlärm (WTL) deutlich belästigender wirkt als anderer Industrielärm sowie auch als Verkehrslärm [20; 21]. Aus wissenschaftlicher Sicht stellt sich die Frage, welche Charakteristiken der Lärm­immissionen zu der erhöhten Belästigung beitragen. Es stellt sich aber auch die Herausforderung der adäquaten recht­lichen Beurteilung.

Generell hängt die Belästigung durch WTL mit vielen Faktoren zusammen, wie der Sichtbarkeit von Windturbinen, individuellen (z. B. Lärmsensitivität) und situationellen Charakteristiken (ökonomischer Nutzen) der betroffenen Personen [20; 21] sowie den akustischen Charakteristiken. Bezüglich letzteren scheint insbesondere die Amplitudenmodulation (AM) wichtig zu sein [22]. Hierzu ist zurzeit relativ wenig bekannt, und es ist nicht klar, welche akustischen Eigenschaften alleine, d. h. ohne moderierende Effekte wie die Sichtbarkeit, mit der Belästigung zusammenhängen. Grundlagen hierzu könnten helfen, die negativen Wirkungen solcher Anlagen gezielt zu minimieren und die Beurteilung von Windturbinenlärm auf solidere Grundlagen zu stellen. Vor diesem Hintergrund führte die Empa eine Laborstudie zur Lästigkeitswirkung von WTL durch. Die Methodik und Ergebnisse sind im Detail in [23] beschrieben. Nach­folgend wird die Studie kurz beschrieben und deren wichtigste Erkenntnisse erläutert.

Ziel der Studie war es, die Lästigkeitsreaktionen auf WTL und Straßenlärm (StL) unter kontrollierten Laborbedingungen zu untersuchen und zu vergleichen. StL wurde als Referenzschallquelle gewählt, da dieser die wichtigste technische Umweltlärmquelle darstellt [24] und zudem als Referenzlärmart der LSV dient. Die Untersuchung profitierte maßgeblich von den im Projekt VisAsim (siehe oben) entwickelten Werkzeugen, die die volle akustische Kontrolle über die WTL-Stimuli erlaubten.

Methodik

Unter Laborbedingungen wurde die akute (kurzzeitige) Lästigkeit bzw. psychoakustische Lästigkeit [25] erfragt. Diese unterscheidet sich inhärent von der in Feldstudien ermittelten Belästigung, die sich durch über längere Zeit anhaltende Lärmexposition ergibt [26]. Weiter bleibt anzumerken, dass die hier untersuchten akustischen Eigenschaften alleine, d. h. ohne moderierende Effekte, nur einen recht geringen Anteil der im Feld beobachteten Belästigung zu erklären vermögen (z. B. [21]). Diese Aspekte (Lästigkeit im Labor vs. Belästigung im Feld; akustische vs. nicht akustische Faktoren) sind bei der Interpretation der Ergebnisse zu berücksichtigen.

Die Hörversuche wurden als vollständiger Versuchsplan gestaltet (Details vgl. [23]). Dazu wurden akustische Stimuli systematisch bezüglich folgender drei Variablen verändert: Lärmquelle (WTL, StL), AM (ohne, periodisch, zufällig) und A-bewerteter Mittelungspegel (LAeq) in Schritten von 5 dB von 35 bis 55 dB (WTL) bzw. 40 bis 60 dB (StL). Situationen ohne AM treten sowohl bei WTN als auch bei StL („Autobahnrauschen“) auf. Periodische AM ist WTL-spezifisch, während zufällige AM die typische Situation von StL nahe von Straßen mit geringer bis mittlerer Verkehrsdichte darstellt. Die Stimuli für WTL wurden mit den oben beschriebenen Werkzeugen aus VisAsim generiert [17; 18]. Dazu wurde eine einzelne 2,0-MW-Windturbine bei Starkwind synthetisiert, wobei die periodische AM mit Pegelschwankungen von rund 10 dB (Maximal- zu Minimalpegel) und einer Schwankungsfrequenz von 0,75 Hz abgebildet wurde (Bild 7a).

Bild 7 Pegelzeitverläufe des A-bewerteten und FAST-geglätteten Schalldruck­pegels zur Beobachtungszeit t [LAF(t)] für Stimuli mit einem Mittelungspegel von 45 dB von (a) Windturbinenlärm ohne und mit perio­discher Amplitudenmodula­tion (AM) und (b) Straßenlärm ohne und mit zufälliger AM.

Foto: BAFU (CH)

Die Stimuli für StL wurden aus Stereo-Audioaufzeichnungen einzelner Autovorbeifahrten auf einer geraden Landstraße gemischt, um repräsentative Situationen für Autobahnrauschen mit hoher Verkehrsdichte (ohne AM) und für Straßen mittlerer Verkehrsdichte (zufällige AM) zu erhalten. Die Erstellung dieser Stimuli war deutlich aufwendiger als für WTL. In Zukunft wird die Empa auch hier auf Werkzeuge zur Synthetisierung zurückgreifen können [27]. Bild 7 zeigt exemplarisch die Pegelzeitverläufe der Stimuli mit einem LAeq von 45 dB. Für die Situationen mit AM liegen die Pegelschwankungen der StL- Stimuli in derselben Größenordnung wie der WLT-Stimuli, während die Schwankungsfrequenz um ein Vielfaches geringer ist (Bild 7). Die Spektren der beiden Lärmquellen sind hingegen vergleichbar [23].

An den Hörversuchen nahmen 60 Probanden teil (31 Männer, 29 Frauen), die einen breiten Querschnitt von Alter (18 bis 60 Jahre; Median 35 Jahre), Lärmsensitivität und Einstellung zu Windenergie und Straßenverkehr abdecken. Alle teilnehmenden Probanden gaben an, normal zu hören.

Die Hörversuche wurden in einem Halb-Freifeldraum durchgeführt. Als Reproduktionssystem wurde eine dreikanalige Lautsprecheranordnung gewählt (links, Mitte, rechts; Bild 8).

Bild 8 Experimenteller Aufbau der Hörversuche in einem Halb-Freifeldraum der Empa mit der auf dem Bildschirm aufgeführten Versuchssoftware und den drei Lautsprechern.

Foto: BAFU (CH)

Diese Anordnung erlaubte die Richtungsinformation von Autovorbeifahrten abzubilden, während die Windturbine stabil in der Mitte lokalisierbar war, auch wenn die Probanden ihren Kopf während des Versuchs bewegten.

Der Versuch (fokussierter Versuch, d. h. konzentriertes Zuhören) bestand aus einer Einführung in die Thematik, der Orientierung (Abspielen von Stimuli zum Aufzeigen deren Bandbreite), zwei Übungsbeispielen, dem eigentlichen Hörversuch sowie einem abschließenden Fragebogen zur Person. Eine Software führte die Probanden durch den Versuch, spielte die Stimuli in zufälliger Reihenfolge ab und zeichnete die Lästigkeitsurteile auf. Mit dem Fokus auf Lästigkeit von WTL und StL am Tag beantworteten die Probanden nach jedem Stimulus folgende Frage unter Verwendung der ICBEN 11-Punkte-Skala [28]: „Wenn Sie sich vorstellen, dass dies die Geräuschkulisse in ihrem Garten ist, welche Zahl zwischen 0 und 10 gibt am besten an, wie stark Sie sich dadurch insgesamt gestört oder belästigt fühlen würden?“ Die Lästigkeitsurteile wurden in die binäre Variable „starke Lästigkeit“ (high annoyance, HA) übersetzt, mit einem Wert von HA = 1 für Urteile von 8 bis 10 und einem Wert von HA = 0 sonst. Die Daten wurden mittels logistischer Regression (sog. verallgemeinerte Schätzungsgleichungen) ausgewertet, um Lärmwirkungskurven für die Wahrscheinlichkeit (probability) starker Störung (pHA) zu erhalten. Die Kurven sind u. a. von Interesse, da in der Vergangenheit basierend auf solchen Kurven die Immissionsgrenzwerte der LSV festgelegt worden waren, und zwar üblicherweise bei einem Wert von pHA = 25 % [29], was einer Grenze für „epidemiologische Erheblichkeit“ entspricht [30].

Erkenntnisse und Diskussion

Bild 9 zeigt die gemittelten relativen Häufigkeiten für starke Lästigkeit (HA = 1).

Bild 9 Relative Häufigkeiten (Symbole) und Wahrscheinlichkeit für starke Belästigung (pHA) in Abhängigkeit des Mittelungspegels (LAeq). (a) Gepoolte Daten [verschiedene Situationen von AM aller Windturbinen- (WTL) und Straßenlärm-Stimuli (StL)]; (b) WTL und StL ohne AM und mit perio­discher (WTL) bzw. zufälliger (StL) AM. Symbole repräsentieren die Beobachtungen (WTL: Kreise; StL: Dreiecke) und Linien die entsprechenden logistischen Regressionsmodelle, in (a) mit 95%-Konfidenzintervallen.

Foto: BAFU (CH)

WTL ruft bei gleichem LAeq deutlich stärkere Reaktionen hervor als StL, insbesondere mit AM. Bei StL ist der Einfluss der AM auf die Lästigkeit deutlich geringer. Die logis­tische Regressionsanalyse bestätigt die statistische Signifikanz dieser Beobachtungen. LAeq (p = 0,00) und Quellentyp (p = 0,06) sind mit starker Lästigkeit (pHA) assoziiert. Weiter trägt die AM über eine Interaktion mit der Quelle (p = 0,02) zur Lästigkeit bei, d. h. deren Effekt hängt von der Quelle ab (Bild 9b). Interessanterweise beeinflusste hingegen keines der Personenattribute wie Alter, Geschlecht, Lärmsensitivität oder Einstellung die Lästigkeitsurteile (p > 0,3), während im Feld solche Attribute sehr wichtig sein können [20; 21]. Dies kann bedeuten, dass im Labor die Urteile eng mit der sensorischen Wahrnehmung der Stimuli zusammenhängen.

Über den gemeinsam untersuchten Pegelbereich von 40 bis 55 dB sind die Modellkurven für WTL und StL auf der Abszisse um rund 3 bis 5 dB zueinander verschoben (Bild 9a), d. h. durch WTL wird dieselbe Lästigkeit durch entsprechend tiefere LAeq hervorgerufen als durch StL. Weiter sind die Kurven von WTL mit und ohne AM um rund 2 dB zueinander verschoben (Bild 9b).

Die hier beobachteten Lästigkeitsreaktionen auf WTL im LAeq-Bereich von 35 bis 45 dB sind mit pHA = 2 bis 34 % (Bild 9b) vergleichbar mit Ergebnissen aus Feldstudien für ähnliche Pegel mit pHA = 4 bis 30 % [20] und pHA = 7 bis 16 % [21]. Hingegen fallen die Reaktionen auf StL im LAeq-Bereich von 40 bis 60 dB mit pHA = 3 bis 91 % (Bild 9b) deutlich stärker aus als in [31] mit pHA = 1 bis 12 %, aber ähnlich stark wie in [32] mit pHA 6 bis 60 %. Die höhere Lästigkeit von WTL im Vergleich zu StL deckt sich mit Beobachtungen im Feld [20; 21]. Auch der starke Zusammenhang zwischen der Lästigkeit und dem LAeq bestätigt die Erkenntnisse aus anderen Laborstudien für WTL [33] und StL [34], dass der LAeq ein guter Prädiktor für die akute Lästigkeit und somit allenfalls auch für die Belästigung im Feld ist. Allerdings ist hier der im Feld beobachtete schwache Zusammenhang mit der Belästigung [21] zu berücksichtigen.

Die „rein akustische“ Verschiebung der WTL- und StL-Kurven mit 3 bis 5 dB ist zwar ausgeprägt, jedoch deutlich geringer als für vergleichbare Außenpegel in Feldstudien mit 15 bis 20 dB [20; 21]. Somit scheinen im Feld andere, nicht akustische Variablen eine entscheidende Rolle zu spielen, die hier bewusst ausgeschlossen wurden.

Schließlich bestätigt die erhöhte Lästigkeit bei WTL mit AM Beobachtungen aus der Literatur [19; 22]. Bemerkenswert ist die beobachtete unterschiedliche Lästigkeitswirkung der AM von WTL und StL. Während die WTL- und StL-Stimuli vergleichbare Pegelschwankungen aufweisen (Bild 7), unterscheiden sie sich bezüglich der Schwankungsfrequenz stark. Dies mag ein Hinweis darauf sein, dass letztere die Lästigkeit beeinflusst. Die subjektive Wahrnehmung der AM für Schwankungsfrequenzen unter 20 Hz wird mit dem psychoakustischen Parameter Schwankungsstärke beschrieben [25], der sein Maximum bei 4 Hz erreicht. Die Schwankungsfrequenz von WTN mit 0,75 Hz liegt nahe diesem Maximum, während diejenige von StL um ein Vielfaches geringer ist und offenbar zu tief war, um diese Wahrnehmung hervorzurufen. Die Erkenntnisse zeigen das Potenzial, die Lästigkeitswirkung von Windenergieanlagen zu vermindern, indem die AM vermindert oder zumindest stark reduziert wird, z. B. mit einem operationellen Ansatz [35].

Ausblick

Bei der Interpretation obiger Ergebnisse müssen die inhärenten Unterschiede zwischen Feld- und Laborstudien berücksichtigt werden, wie in [23] im Detail diskutiert wird. Die Studie zeigt jedoch, dass die erhöhte Lästigkeit von WTL im Vergleich zu StL auch im Labor deutlich nachzuweisen ist. Sie sollte daher bei der Beurteilung von Lärmimmissionen berücksichtigt werden, beispielsweise mittels Pegelkorrekturen.

Fazit

Der Anteil der Windenergie zur Energieversorgung der Schweiz ist noch gering, jedoch ist ein markanter Ausbau geplant. Die rechtliche Beurteilung geplanter Anlangen erfolgt in der Schweiz wie oben beschrieben gemäß Lärmschutzverordnung Anhang 6 „Industrie- und Gewerbelärm“. Dazu ist ein Beurteilungspegel je tags und nachts aus dem A-bewerteten Mittelungspegel und Pegelkorrekturen für den Charakter des Lärms zu berechnen und mit Grenzwerten zu vergleichen. Die in diesem Beitrag beschriebenen Forschungsprojekte sollen zusätz­liche Hilfe bei der Beurteilung des Lärms und bei der Kommunikation mit den Betroffenen leisten.

Mit den im Projekt VisAsim erarbeiteten Werkzeugen zur visuellen und akustischen Simulation von geplanten Windenergieparks wird es möglich, sowohl eine ästhetische Bewertung des Landschaftsbilds als auch eine subjektive Beurteilung der Störwirkung von Geräuschen neuer Infrastrukturen im jeweiligen Landschaftskontext vorzunehmen. Zudem eignet sich das Werkzeug zur Kommunikation in der Planungsphase, um der Bevölkerung frühzeitig anhand einer realitätsnahen Simulation zu zeigen, was bezüglich Landschaftsbild und Geräuschumgebung zu erwarten ist, was die Akzeptanz in der Bevölkerung erhöhen und die negativen Wirkungen vermindern kann.

Eine Besonderheit von VisAsim ist, dass die akustische Simulation auf synthetisch erzeugten Signalen basiert. Dies erlaubt, gezielt Stimuli für Hörversuche herzustellen, was für die beschriebene psychoakustische Studie erfolgreich angewandt wurde. Die Studie zeigte, dass die erhöhte Lästigkeit von Windturbinenlärm im Vergleich zu Straßenlärm auch im Labor nachgewiesen werden kann. Die Ergebnisse solcher Studien können Hinweise geben, wie Windenergieanlagen konstruiert und betrieben werden sollen, um die Lärmbelästigung möglichst gering zu halten. Weiter leisten sie einen Beitrag dazu, wie der Lärm von Windenergieanlagen störungsgerecht beurteilt werden soll.

Es gibt eine zurzeit stetig wachsende Zahl wissenschaftlicher Beiträge zur Wirkung des Lärms von Windenergieanlagen. Es gilt nun, die richtigen Schlüsse aus diesen Arbeiten zu ziehen sowie Forschungslücken zu identifizieren und zu schließen. Vor dem Hintergrund der international stark unterschiedlichen recht­lichen Verfahren und Grenzwerte [36; 37] wäre es wünschenswert, wenn sich schließlich einheitliche wirkungsbezogene Beurteilungsmethoden etablieren würden.

Literatur