Infra­schall aus Windener­gie­an­la­gen – was man heute dazu wissen sollte

- Profes­sor Werner Roos, Oktober 2020 -

In den letzten Monaten wurde der Druck zur Planung und Aufstel­lung von Windener­gie­an­la­gen auf vielen Ebenen erheb­lich verstärkt. Bundes­re­gie­rung, Landes­re­gie­run­gen und Windin­dus­trie räumen bishe­rige Rücksich­ten auf Menschen und Natur­räume aus dem Weg, um eine extreme Flächen­dichte dieser Anlagen zu errei­chen, wie sie in solcher “Gründ­lich­keit” in keinem anderen Land Europas verwirk­licht wird. Ein wesent­li­cher Teil dieser Strate­gie besteht darin, die poten­ti­elle Gefahr des von Windan­la­gen ausge­hen­den Infra­schalls für die Anwoh­ner zu verharm­lo­sen. Dabei wird die Tatsa­che genutzt, dass auf diesem Gebiet wissen­schaft­lich haltbare Daten nur unzurei­chend vorhan­den sind und statt­des­sen häufig oberfläch­li­che bzw. eng begrenzte Infor­ma­tio­nen in Umlauf gebracht werden.

Bereits 2016 wurde durch die Landes­an­stalt für Umwelt Baden-Württem­berg (LUBW) verbrei­tet, Infra­schall aus Windan­la­gen sei nicht proble­ma­ti­scher als die Emission von Haushalts­ge­rä­ten oder fahren­der PKW (LUBW, 2016). Abgese­hen davon, dass die Benut­zung  eines Haushalts­ge­räts  und das Fahren im Auto nicht vergleich­bar sind mit der Suche nach erhol­sa­men Schlaf, sind auch die techni­schen Randbe­din­gun­gen, wie das LUBW vorgeht, unzurei­chend. Im kriti­schen Frequenz­be­reich unter­halb von 8 Hz wurden nur wenige und technisch unzurei­chende Messun­gen publi­ziert, insbe­son­dere wurde das Infra­schall-Rauschen des Hinter­grunds nicht klar von der Emission der Anlagen getrennt. Bis heute wird an der wider­leg­ten These festge­hal­ten, Infra­schall-Inten­si­tä­ten unter­halb der Wahrneh­mungs­schwelle (das sind Schall­dru­cke, die 90 % der Menschen nicht mehr hören) seien nach aktuel­lem Wissen unschäd­lich. Spätes­tens seit 2017 ist bekannt, dass Infra­schall unter­halb der indivi­du­el­len Hörschwelle wahrge­nom­men werden kann und definierte Gehirn-Areale aktiviert (Weichen­ber­ger et al. 2017). 

In dieser Situa­tion erscheint es sinnvoll, sich der Charak­te­ris­tika des von Windan­la­gen ausge­hen­den Infra­schalls zu erinnern und auf wesent­li­che Aspekte ihrer Wirkung auf den Menschen hinzuweisen.

Die wichtigste Evidenz: erkrankte Anwohner

Es ist unbestrit­ten, dass manche Anwoh­ner von Windan­la­gen unter einem Stress-Syndrom leiden, welches mit hochgra­di­gem Schlaf­man­gel beginnt und zu Angst­re­ak­tio­nen, Depres­sio­nen und Herz-Kreis­lauf-Erkran­kun­gen führt. Die Anzahl der Betrof­fe­nen in Deutsch­land steigt mit der Anlagen-Dichte und wird auf Grund der Befunde von Praxis-Ärzten auf mindes­tens 180 000 geschätzt (Kaula, 2019). Viele der Betrof­fe­nen haben ihre Gesund­heits­pro­bleme und den Bezug zu benach­bar­ten Windan­la­gen auch per Video dokumen­tiert. Der Anteil von Erkrank­ten an der Gesamt­zahl der exponier­ten Menschen ist schwer abschätz­bar, weil die einzel­nen Symptome (Schlaf­stö­run­gen, Schwin­del­an­fälle, Atemnot, Angst­zu­stände etc.) für sich allein wenig spezi­fisch sind und auch von Ärzten oft nicht den benach­bar­ten Windan­la­gen zugerech­net werden. Außer­dem wirken lokale Gegeben­hei­ten wie Gelän­de­struk­tur, Vegeta­tion, Windrich­tung und – aufkom­men etc. stark modifi­zie­rend. Die häufig genannte Zahl von 10 – 30 % Erkrank­ten ist eine auf ärztli­cher Erfah­rung beruhende, grobe Abschät­zung. Vieles spricht heute dafür, dass indivi­du­ell unter­schied­li­che Empfind­lich­kei­ten eine erheb­li­che Rolle spielen: bei sensi­blen Patien­ten erfolgt die unbewusste Wahrneh­mung der Druck­schwan­kun­gen offen­bar bei wesent­lich gerin­ge­ren Inten­si­tä­ten als bei anderen, mit steigen­der Inten­si­tät reagie­ren aber sehr wahrschein­lich alle Anwoh­ner. Wenn also bisher keine gesicherte Prozent­zahl von Betrof­fe­nen genannt werden kann, ist das Fehlen solcher Zahlen keines­falls ein Beleg für eine geringe oder fehlende Gesund­heits­ge­fahr von Windan­la­gen. Es kommt heute mehr denn je darauf an, Bewoh­nern aus der Umgebung von Windan­la­gen eine vorur­teils­freie Diagnos­tik und ggf. Behand­lung zukom­men zu lassen. Dies wird auch die aktuell hohe Dunkel­zif­fer reduzie­ren und eine verläss­li­che Abschät­zung der durch Windan­la­gen verur­sach­ten Erkran­kun­gen ermög­li­chen. Immer­hin wird in der Neufas­sung der DIN 45680, welche eine Grund­lage für die immis­si­ons­recht­li­che Beurtei­lung von Windan­la­gen bildet, auf die reale Gefahr von Infra­schall aus Windan­la­gen für die mensch­li­che Gesund­heit zumin­dest hingewiesen.

Die Charak­te­ris­tika der Emission aus Windan­la­gen – steile Pulse des Schalldrucks

Seit langem ist bekannt, dass der von Windan­la­gen ausge­hende Infra­schall eine beson­dere Signa­tur aufweist, die ihn vom Infra­schall-Rauschen der natür­li­chen Quellen (Wind im Wald, Brandung, Gewit­ter etc.) unter­schei­det. Es handelt sich dabei um steile peaks des Schall­drucks, die offen­sicht­lich bei der Passage der Flügel vor dem Mast entste­hen. Bei einer Flügel­pas­sage pro Sekunde (also 20 rpm) liefern dreiflü­ge­lige Anlagen Druck­im­pulse mit der Grund­fre­quenz von 1 Hz und den zugehö­ri­gen Oberschwin­gun­gen (Harmo­ni­schen) im Bereich bis ca. 8 Hz. Der Nachweis und die spektrale Darstel­lung dieser pulsie­ren­den Emission wurde in Deutsch­land m.W. erstmals 2008 publi­ziert (Ceranna et al. 2008). Der Zusam­men­hang zwischen Drehzahl und Frequenz der emittier­ten Druck­pulse wurde seither mehrfach bestä­tigt (NCE 2015, BGR 2017, Palmer 2017).

Die Flanken­steil­heit der Peaks bedingt, dass sie nur bei einer hoch aufge­lös­ten spektra­len Messung und Darstel­lung sicht­bar werden, die meist als Schmal­band­spek­trum bezeich­net wird. Abb. 1 zeigt dazu Spektren der US-Firma Noise Control Enginee­ring. Häufig werden Schall-Analy­sen jedoch in Form von Terz- oder Oktav­spek­tren durch­ge­führt: ein Frequenz­be­reich wird in mathe­ma­tisch definierte Bänder (Segmente) von der Breite einer Oktave oder einer Terz einge­teilt. Für jedes Band wird der gesamte Schall­druck erfasst und bei der mittle­ren Frequenz dieses Bandes in das Spektrum einge­tra­gen. Bei diesem Verfah­ren hat ein Peak, also ein heraus­ra­gen­der Wert des Schall­drucks in einem sehr engen Frequenz­be­reich, nur einen gerin­gen Einfluss auf das Ergeb­nis. Er trägt umso weniger dazu bei, je steiler er ist, d.h. je mehr andere, niedri­gere Schall­dru­cke miter­fasst werden. Daraus resul­tiert eine Glättung der Druck­schwan­kun­gen mit der Folge, dass die Pulse des Infra­schalls aus Windan­la­gen schon in Terzspek­tren kaum mehr erkenn­bar sind (Abb. 2). Die Notwen­dig­keit hoch aufge­lös­ter spektra­ler Messun­gen zur Charak­te­ri­sie­rung pulshal­ti­ger Emissio­nen ist seit langem anerkannt (z.B. The Accoustic Group, 2014).

Abb. 1 Schmal­band­spek­tren von 2 Windan­la­gen mit konstan­ter Drehzahl bei verschie­de­nen Windge­schwin­dig­kei­ten (Insert). Die Grund­fre­quenz (1xBPF) beträgt 0,72 Hz. Der Schall­druck des Windes erzeugt die Unter­schiede zwischen den Messun­gen, die Frequenz­ma­xima aus den Anlagen ändern sich kaum (gut erkenn­bar an den Oberschwin­gun­gen, 2 x BPF…6 x BPF). Mit steigen­dem Gesamt­druck, etwa unter 1 Hz, verschwin­det der Peak der Grund­fre­quenz. Quelle: NCE 2015, Fig. 6.

Abb. 2 Vergleich von Schmal­band­spek­trum (blau), Terzspek­trum (rot) und Oktav­spek­trum (grün) für einen identi­schen Messzeit­raum an dersel­ben Windan­lage. Erklä­rung im Text. Quelle: LUBW, 2019 , Abb.2

Terzspek­tren sind ein nützli­ches und oft verwen­de­tes Mittel, größere Frequenz­be­rei­che von Schall­emis­sio­nen abzubil­den, aber als physi­ka­li­sche Grund­lage zur Erfas­sung von Infra­schall-Wirkun­gen aus Windan­la­gen ungeeig­net. So kommt z.B. eine jüngst veröf­fent­lichte Studie im Auftrag der finni­schen Regie­rung zu dem Schluss, die von Anwoh­nern einiger Windparks geäußer­ten Beschwer­den seien nicht mit der Infra­schall-Emission der Anlagen korre­liert (Maijala et al. 2020). Da jedoch die Emissio­nen ausschließ­lich als Terzspek­tren gemes­sen wurden, blieben die Druck-Pulse aus den Windan­la­gen bei der Analyse unberück­sich­tigt, die insofern am Problem vorbei ging. Gleiches gilt für beglei­tende Experi­mente, bei denen aus diesen Terzspek­tren gewon­nene Tonkon­ser­ven auf Testper­so­nen einwirkten.

Leider haben auch andere, im Regie­rungs­auf­trag durch­ge­führte Studien die Pulse des Infra­schalls aus Windan­la­gen “ausge­blen­det”. Eine Serie von 6 Publi­ka­tio­nen aus Dänemark (Poulsen et al. 2018 und 2019) beruht auf A‑bewerteten Schall­dru­cken, d.h. auf Frequen­zen oberhalb von 20 Hz. Die jüngst veröf­fent­lichte Studie des UBA (“Eggebek-Studie”) hat pulsfreien Infra­schall in Form von Sinus-Wellen auf (wache) Testper­so­nen einwir­ken lassen.

Quanti­ta­tive Verglei­che von Emissio­nen aus Windan­la­gen erfor­dern beson­dere Sorgfalt

Die Stärke der Emissio­nen verschie­de­ner Windan­la­gen lässt sich nicht auf einfa­che Weise verglei­chen. Als Messgröße wird üblicher­weise der Schall­druck in Pascal verwen­det und in der logarith­mi­schen Einheit Dezibel angege­ben. Der lokal wirksame Schall­druck wider­spie­gelt nicht nur die von der Anlage tatsäch­lich ausge­hende Schall­leis­tung, sondern wird wesent­lich von der Entfer­nung und räumlich-topogra­fi­schen sowie meteo­ro­lo­gi­schen Gegeben­hei­ten beein­flusst. Wesent­lich ist auch, über welchen Frequenz­be­reich und mit welcher Methode die Messung erfolgte (s.o.). Insbe­son­dere sind die Schall­leis­tung einer Anlage und der entfernt davon messbare Schall­druck stark abhän­gig von der Länge der Rotor­flü­gel und der Windge­schwin­dig­keit, auch wenn die Drehzahl der Anlage auf einen konstan­ten Wert einge­stellt ist.

Als Beispiel sollen Messun­gen an Windan­la­gen aus Deutsch­land (BGR 2017) und den USA (NCE 2015) vorge­stellt werden. Im Abstand von etwa 400 m wurde der Schall­druck bei der Frequenz der “zweiten Harmo­ni­schen” gemes­sen (2 fache Grund­fre­quenz: 1,4 Hz bei NCE und 2,6 Hz bei BGR). Publi­zierte Ergeb­nisse sind in folgen­der Tabelle zusammengestellt.

Der starke Einfluss der Windge­schwin­dig­keit ist ersicht­lich. Zunächst unerwar­tet, werden von der NCE bei fixier­ter Drehzahl (und daher bei gleicher Frequenz) erheb­li­che Unter­schiede des Schall­drucks gemes­sen (52 dB und 73 dB). Die Höhe der Pulse (Peak zu Basis) bleibt jedoch etwa gleich (Abb.1). Dies zeigt, dass der messbare Schall­druck erheb­lich vom Infra­schall des Windes beein­flusst wird und die spezi­fi­sche Emission der rotie­ren­den Anlage eine von der Drehzahl abhän­gige Puls-Kompo­nente hinzu­fügt. In Abb. 1 wird sicht­bar, dass diese Kompo­nente nur bei hoher Frequenz­auf­lö­sung meßbar ist und bei hohem Winddruck im Hinter­grund­schall verschwindet.

Die jeweils höchs­ten Schall­dru­cke der von der Firma NCE und der BGR unter­such­ten Anlagen (73 dB und 86 dB) unter­schei­den sich um mehr als das 4 fache. Dieser Abstand liegt im unteren Bereich der durch o.g. Fakto­ren auslös­ba­ren Unter­schiede. Selbst inner­halb eines Hauses treten aufgrund von Wechsel­wir­kun­gen an bauli­chen Struk­tu­ren Unter­schiede von bis zu 20 dB auf, d.h. 10 fache Schall­dru­cke (Hansen et al. 2013). Es erscheint nicht verwun­der­lich, wenn auch an dersel­ben Anlage und bei fixier­ter Drehzahl aufein­an­der­fol­gende Messun­gen deutli­che Unter­schiede ergeben: die BGR-Autoren messen z.B. Pulse des Schall­drucks zwischen +0,1 und – 0,1 Pa, also maximal 0,2 Pa und 80 dB. Bei einer (vermu­tet) weite­ren Messung in dersel­ben Entfer­nung ergeben sich etwa 90 dB (Pilger et al. 2017, Fig. 4a und 6). Dies bedeu­tet einen mehr als dreifach höheren Schall­druck, liegt aber im Bereich von Schwan­kun­gen des Windes selbst (s.o.) und äußerer Einfluss­fak­to­ren. Die hohe Varia­bi­li­tät und proble­ma­ti­sche Vergleich­bar­keit von dB-Angaben führt zu schwer erkenn­ba­ren Fehler­quel­len und erfor­dert beson­dere Sachkennt­nis und Sorgfalt. Es besteht daher kein Anlass, der BGR-Studie (Ceranna et al.) pauschal “falsche Daten” zu unter­stel­len, wie es auf der o.g. Website geschieht.

Empfang und Wirkung von Infra­schall im Menschen – auf die Änderun­gen kommt es an

Auch wenn die Erfas­sung von Infra­schall-Wirkun­gen auf den Menschen erst am Anfang einer wachsen­den Aufmerk­sam­keit steht, sind bereits Rahmen­be­din­gun­gen erkenn­bar. Entschei­dend ist, dass die für Schall sensi­blen Rezep­to­ren von Mensch und Säuge­tier sich an einen extrem breiten Bereich von Schall­dru­cken anpas­sen. Für das Hören ist bekannt, dass sich die Wahrneh­mung in Cochlea und Gehirn auf Schall­dru­cke zwischen 0 dB (2x10-5 Pa, Hörschwelle bei 1 kHz) und 120 dB (20 Pa, mensch­li­che Schmerz­grenze) einstel­len kann, also bis zum Millio­nen­fa­chen der unteren Schwelle. In diesem extrem breiten Druck­be­reich werden – nach Anpas­sung an ein gegebe­nes Basis­ni­veau – vergleichs­weise winzige Druck­un­ter­schiede als Hörschall wahrge­nom­men. Es sei daran erinnert, dass der ungefähre Schall­druck eines Gesprächs in Zimmer­laut­stärke (ca. 60 dB oder 0,02 Pa) etwa 5 Millio­nen mal gerin­ger ist als der durch­schnitt­li­che Luftdruck auf Meeres­höhe (1 Bar, 101 325 Pa). Für Infra­schall fehlen bisher analoge Angaben, es gibt jedoch Hinweise, dass dort ähnli­che Verhält­nisse gelten.

-Unser Gleich­ge­wichts­sys­tem regis­triert Schritte und Bewegun­gen durch otoli­thi­sche Sensor-Zellen im Innen­ohr. Diese erfas­sen mittels der Trägheit von CaCO3-Kristal­len winzige Druck­un­ter­schiede im Frequenz­be­reich des Infra­schalls (Referen­zen bei Roos, 2019). Dabei arbei­ten sie weitge­hend unabhän­gig vom aktuel­len Luftdruck, sind also beim Wandern im Himalaya ebenso sensi­bel wie beim Klettern im Elbsandsteingebirge.

Anwoh­ner von Windener­gie­an­la­gen haben mehrfach dokumen­tiert, dass die negati­ven Symptome beim Ausschal­ten der Anlage verschwin­den (z.B. Kaula 2019). Die Schall­dru­cke des Hinter­grunds, die als Rauschen ohne deutli­che Pulse auftre­ten und z.B. bei ruhen­der Anlage messbar sind, werden offen­bar nicht als störend empfun­den, obwohl sie je nach Windstärke erheb­li­che Unter­schiede anneh­men können, z.B. um das Hundert­fa­che (NCE 2015). Zusam­men mit anderen Beobach­tun­gen (u.a. bei Palmer 2017) weist dies darauf hin, dass die steilen Druck­än­de­run­gen der Infra­schall-Pulse das eigent­li­che Gesund­heits­pro­blem darstel­len und weniger der Absolut­wert des Schall­drucks. Das Fehlen einer Korre­la­tion zwischen einem Schall­spek­trum ohne Infra­schall-Pulse und den dokumen­tier­ten Beschwer­den der Anwoh­ner, wie in der o.g. finni­schen Studie gesche­hen, spricht ebenfalls für diese Annahme, wenn auch indirekt.

Fazit

Die Beurtei­lung der gesund­heits­ge­fähr­den­den Wirkung von Infra­schall aus Windan­la­gen sollte nicht zu einem Dezibel-Fetischis­mus führen. Nicht die Absolut­werte des messba­ren Schall­drucks verur­sa­chen negative Wirkun­gen im Menschen (solange sie unter­halb indivi­du­el­ler Grenzen bleiben), sondern höchst­wahr­schein­lich die Peaks des Luftdrucks, die bei der Flügel­pas­sage am Mast entste­hen. Hinzu kommt, dass diese Pulse auf einer ähnli­chen Zeitskala auftre­ten wie periodi­sche Abläufe im mensch­li­chen Körper, vor allem die Frequenz des Herzschlags.

Experi­men­tell angewandte Infra­schall-Drucke bei Unter­su­chun­gen an Testper­so­nen oder Versuchs­tie­ren sind im Rahmen der bisher benutz­ten Versuchs­an­stel­lun­gen nicht geeig­net, die Stress-Symptome der Anwoh­ner als Infra­schall-Wirkung zu bewei­sen. Sie haben dennoch einen hohen Wert für die Suche nach Angriffs­punk­ten, gefähr­de­ten Signal­we­gen und Organ­sys­te­men. Der Nachweis einer lokali­sier­ba­ren Infra­schall-Wahrneh­mung im Unter­be­wusst­sein (Weichen­ber­ger et al. 2017) ermög­licht die Gestal­tung von Tests zur Wirkung von Infra­schall als Störsi­gnal. Anderer­seits zeigt der experi­men­telle Nachweis einer durch Infra­schall vermin­der­ten Kontrak­ti­ons­kraft isolier­ter Herzmus­kel­zel­len (Chaban et al. 2020) neue Ansätze zur Unter­su­chung direk­ter Wirkun­gen von Infra­schall auf Körperorgane.

Es liegt auf der Hand, dass folgen­des Experi­ment viele derzeit offene Fragen beant­wor­ten könnte: der von einer konkre­ten Windan­lage oder einem Windpark emittierte Infra­schall wird frequenz­ge­nau aufge­zeich­net und als Schall­kon­serve an schla­fende Testper­so­nen im doppel­ten Blind­ver­such appli­ziert. Leider hat keine der bisher mit großem Aufwand betrie­be­nen Studien diese nahelie­gen­den Krite­rien erfüllt, insbe­son­dere wurde das entschei­dende Leitsym­ptom des hochgra­di­gen Schlaf­man­gels nicht mit den Infra­schall-Pulsen korre­liert  (s.o.). Einer der Gründe ist sicher das techni­sche Problem, Infra­schall-Pulse von Windan­la­gen über ein Lautspre­cher­sys­tem o.ä. adäquat wieder­zu­ge­ben. Ohne kausale Zusam­men­hänge aus solchen oder ähnli­chen Experi­men­ten werden die derzeit vorlie­gen­den Teilergeb­nisse wohl noch einige Zeit Stück­werk bleiben.

Auch wenn die gemes­se­nen Eigen­schaf­ten und biolo­gi­schen Wirkun­gen von Infra­schall aus Windan­la­gen bisher keine geschlos­se­nen Kausal­ket­ten ergeben, begrün­den sie starke Verdachts­mo­mente für Infra­schall-Pulse als krank­ma­chen­des Agens. Sie müssen deshalb in doppel­ter Hinsicht ernst genom­men werden: als Grund­lage für das Schutz­be­dürf­nis von Anwoh­nern bei der Stand­ort-Planung von Windener­gie­an­la­gen und als ultima­tive Auffor­de­rung zu geziel­ter, vorur­teils­freier Forschung.


Litera­tur

BGR, 2017: Pilger Ch., Ceranna L.  (2017), The influ­ence of perio­dic wind turbine noise on infra­sound array measu­re­ments. J. Sound Vibr. 88, 188.

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Kaula, S. (2019): Unter­su­chung zu gesund­heit­li­chen Beein­träch­ti­gun­gen von Anwoh­nern durch den Betrieb von Windener­gie­an­la­gen in Deutsch­land anhand von Falldo­ku­men­ta­tio­nen. https://dsgs.info/.cm4all/mediadb/Aktuelles/DSGS%20e.V.%20Studie.pdf

LUBW, 2016: Landes­an­stalt für Umwelt, Messun­gen und Natur­schutz Baden-Württem­berg: Tieffre­quente Geräu­sche inkl. Infra­schall von Windkraft­an­la­gen und anderen Quellen. Februar 2016. www.lubw.baden-wuerttemberg.de (2016)

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NCE, 2015: Noise Control Enginee­ring (NCE), LLC, Bille­rica, MA 01821, USA: Infra­sound Measu­re­ments of Falmouth Wind Turbi­nes Wind #1 and Wind #2. By M. Bahtia­rian and A. Beaudry. Techni­cal Memo 2015 – 004, 2015.

Palmer WKG (2017): Why wind turbine sounds are annoy­ing, and why it matters. Global Environ­ment, Health and Safety, Vol.1, 1 – 17.

Pilger Ch., Ceranna L. (2017): The influ­ence of perio­dic windt urbine noise on infra­sound array measu­re­ments. J. Sound Vibr. 88, 188

Roos W. (2019): Infra­schall aus Windener­gie­an­la­gen – ein verkann­tes Gesund­heits­pro­blem. Natur­wiss. Rundschau Bd. 72, 343–350.

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