Vorsicht, tieffliegende Eisbrocken: Wenn das Windrad mit Eis wirft

Eisabwurf bei Windrädern: Ja, man muss in der Umgebung von Windkraftanlagen tatsächlich damit rechnen, vom Windrad mit Eis beworfen zu werden. Wie das kommt, erkläre ich hier.

Neujahrstag 2022. Unser Neujahrsspaziergang am Südzipfel des Hildesheimer Walds führt uns erst auf matschigen, von schweren Forstmaschinen zerwühlten Wegen durch den Wald, dann gelangen wir bei Petze an der Südflanke dieses Höhenzugs südlich von Hildesheim ins Freie. Wir genießen den herrlich weiten Blick über das Tal der Alme: sanfte Hügel, Äcker, auf denen grün das Getreide sprießt, und dort, ganz weit hinten, das muss schon der Harz sein. Ein Stück weiter stehen ober- und unterhalb des Weges Windräder, gemächlich drehen sich ihre Flügel. Wir freuen uns: ein Stück sichtbare Energiewende.

Als wir näherkommen, wundern wir uns über ein Schild: „Vorsicht. Im Winter Eisabwurf möglich. Auch bei stehender Anlage“. Die Windräder sind ungefähr 200 Meter vom Weg entfernt. Dass sie über so eine Distanz Eisbrocken schleudern können, und dann auch ohne sich zu drehen, übersteigt unser Vorstellungsvermögen: Das Eis müsste ja geradezu abgesprengt werden! Was passiert dort?

Ich fand diese Frage so interessant, dass ich das recherchiert habe.

Wann und wie entsteht Eis an Windrädern?

Die wichtigste Voraussetzung wird kaum überraschen: Damit Eis entsteht, müssen die Temperaturen um den Gefrierpunkt oder darunter liegen. Dann hat nicht nur die Luft eine Temperatur, bei der Wasser gefriert, sondern auch die Rotorblätter und die Nabe des Windrads. Wenn nun die Luftfeuchtigkeit hoch ist, bei Nebel zum Beispiel, oder wenn es regnet, treffen Wassertröpfchen auf dieses kalte Material und gefrieren.

Wärme? Kälte? Energie!

Dass Wasser bei Kälte und beim Kontakt mit kalten Gegenständen gefriert, ist uns aus dem Alltag bekannt, aber an dieser Stelle lohnt es, genauer hinzuschauen, warum das so ist. Was wir „warm“ und „kalt“ nennen, ist physikalisch betrachtet „mehr Energie“ (= wärmer) oder „weniger Energie“ (= kälter). Wo unterschiedliche Stoffe, ob fest, flüssig oder gasförmig, aufeinandertreffen, findet ein Energieausgleich statt: Der Stoff, der mehr Wärmeenergie hat, gibt so lange davon ab, bis der angrenzende Stoff dieselbe Wärmeenergie hat. Deshalb wird der schöne heiße Tee kalt, wenn man den Becher zu lange herumstehen lässt, und deshalb wird das kalte Büro wieder warm, wenn man am Montagmorgen die Heizung aufdreht.

Energieaustausch: Geben und Nehmen

An einem eisig kalten Tag trifft ein Wassertropfen – der so viel Wärmeenergie in sich hat, dass er noch flüssig ist, – auf das Rotorblatt eines Windrads. Das Rotorblatt besitzt deutlich weniger Wärmeenergie, denn es hat seinen Energiegehalt bereits mit der Luft ausgeglichen, seine Temperatur ist unter dem Gefrierpunkt. Der Energieausgleich zwischen Wassertropfen und Rotorblatt ist schnell erledigt: Das große Rotorblatt wird durch die Wärmeenergie des kleinen Wassertropfens nicht wesentlich wärmer, dafür sinkt die Temperatur des Tropfens ebenfalls unter den Gefrierpunkt, er wird zu einem Eiskristall. So baut sich an einem kalten, feuchten Tag Tropfen für Tropfen Eis auf dem Rotorblatt auf.

Exkurs: Bei Bewegung wird’s kälter

Uns Menschen wird bei Bewegung warm – am Windrad dagegen kann die Temperatur durch die Bewegung der Rotorblätter weiter sinken. Rotorblätter haben einen Querschnitt wie Flugzeugflügel, sind also an der Vorderseite dicker, sind oben gerundet und laufen zur Hinterseite schmal aus. Wenn sich das Rotorblatt bewegt, strömt die Luft über der gerundeten Oberseite schneller, weil der Weg dort länger ist: der Bernoulli-Effekt, der den Auftrieb erzeugt, der Flugzeuge fliegen lässt. (Das können Sie hier sehr schön nachlesen – und anschauen!) Hinter dem Ende des Rotorblatts entsteht ein Unterdruck. Und weil Druck und Temperatur (bei konstantem Volumen) proportional zueinander sind, sinkt hinter dem Rotorblatt nicht nur der Druck, sondern auch die Temperatur. So steigert die Rotordrehung die Eisgefahr sogar noch.

Weitere Faktoren

Niedrige Temperaturen und hohe Luftfeuchtigkeit können also zur Vereisung von Windkraftanlagen führen. Mit welcher Wahrscheinlichkeit Eis entsteht, hängt außerdem von der Windgeschwindigkeit ab, vom Landschaftsbild des Standorts sowie vom Werkstoff des Rotorblatts, von seiner Form und der Beschaffenheit seiner Oberfläche. Es ist eine komplexe Aufgabe, die Vereisungswahrscheinlichkeit zu ermitteln, und bei der Planung einer Windkraftanlage werden Gutachten erstellt, die all dies und die Gefahren durch Eisabwurf analysieren.

Alle in Deckung: Eisabwurf!

Wenn sich ein Windrad dreht, bewegt sich die Spitze des Rotorblatts mit einer viel höheren Geschwindigkeit als sein anderes Ende, das an der Nabe sitzt, schließlich muss die Spitze im Laufe einer Umdrehung in der gleichen Zeit eine viel weitere Strecke zurücklegen. Diese Geschwindigkeit ist die Blattspitzengeschwindigkeit. Bei Windkraftanlagen an Land wird sie aus Lärmschutzgründen auf 80 bis 90 m/s beschränkt – das sind umgerechnet 288 km/h! Das Eis am Rotor ist also schwungvoll unterwegs und wenn es sich löst, wird es mit Wucht in Drehrichtung davongeschleudert, bei großen Anlagen im Extremfall tatsächlich einige hundert Meter weit.

Der Gefahrenbereich hat die Form einer Ellipse, hier müssen die Verantwortlichen angemessene Sicherheitsmaßnahmen ergreifen. Der Abstand zu gefährdeten Orten und Objekten sollte – äußerst vorsichtig gerechnet – 1,5 mal die Summe aus Rotordurchmesser und Nabenhöhe betragen. Die tatsächliche Gefahr von Eisabwurf ist in Deutschland allerdings gering. Sie besteht vor allem in den Mittelgebirgen und in den Alpen und nur während weniger Stunden im Jahr.

Auch die Warnschilder, die uns auf unserem Neujahrsspaziergang aufgefallen sind, sind Teil der Sicherheitsmaßnahmen. Als wir an den Windrädern vorbei sind, sehen wir, dass auch hier ein Schild vor Eisabwurf warnt. Dies ist der Moment, an dem ich beschließe, der Sache nachzugehen.

Eisabfall

Das Schild warnt aber auch vor Gefahr bei stehender Anlage, was hat es damit auf sich? Hier geht es nicht um den Eisabwurf vom kraftvoll drehenden Rotor, sondern um herabfallendes Eis, wenn die Anlage sich nur ganz langsam dreht oder stillsteht. (Man spricht hier von einer „trudelnden“ Anlage.) Diese Gefahr droht insbesondere bei Tauwetter. Dann erwärmt sich das Rotorblatt, gibt Energie an seinen „Eispanzer“ ab, das Eis beginnt an der Grenzschicht zu tauen, haftet nicht mehr fest und kann abfallen. Wenn es dann auch noch windig ist, kann der Wind die sich ablösenden Eisbrocken ein Stück weit vom Windrad wegtragen. Diese Gefahr droht übrigens auch in der Nähe von Strommasten oder Brücken.

Gefahr erkannt, Gefahr gebannt?

Es gibt verschiedene Systeme zur Erkennung von Eis auf einer Windkraftanlage. Durch das Eis ändern sich einige charakteristische Eigenschaften der Rotorblätter, beispielsweise die Aerodynamik, das Schwingungsverhalten oder die Leitfähigkeit. Diese Parameter kann man messen, und wenn die Messungen auf Eisbildung hinweisen, wird die Anlage abgeschaltet. Das bannt immerhin die Gefahr von Eisabwurf, Eisabfall ist weiterhin möglich.

Bei der Abschaltung geht es jedoch nicht nur um die Sicherheit, sondern auch um die Anlage selbst: Eisschichten auf den Rotorblättern führen zu Unwuchten. Das steigert die Materialbelastung und senkt die Lebensdauer der Anlagen, daher liegt die Abschaltung im Eigeninteresse der Betreiberfirmen. Da diese allerdings kein Interesse daran haben, ihre Anlagen stillstehen zu lassen, gibt es auch beheizbare Rotorblätter, um die Eisbildung überhaupt zu vermeiden. Rotorblattheizungen oder die automatische Abschaltung bei Vereisung sind mittlerweile Vorschrift.

 

Wir brauchen auf unserem Spaziergang zum Glück keine tieffliegenden Eisbrocken zu fürchten: Dieser Neujahrstag ist so mild, dass wir zeitweise mit offenen Jacken gehen können.