KNE-Antwort 361 zur Abschaltung von Windenergieanlagen („Trudelbetrieb“)

Frage

Zur Senkung des Kollisionsrisikos für Vögel und Fledermäuse an Windenergieanlagen (WEA) sieht das Bundesnaturschutzgesetz unterschiedliche Formen der Abschaltung als fachlich geeignete Schutzmaßnahmen vor. Abschaltung bedeutet jeweils, dass der Rotor in den sogenannten „Trudelbetrieb“ versetzt wird. Wie ist dieser eigentlich definiert und mit welcher Rotordrehzahl ist dabei zu rechnen? Wie schnell kann dies erreicht werden und welche Rolle spielt das im Kontext der Anwendung von Antikollisionssystemen als Schutzmaßnahme?

Vollständige Antwort

Nach § 45b Bundesnaturschutzgesetz (BNatSchG) gelten verschiedene Formen der Abschaltung von Windenergieanlagen (WEA) als fachlich geeignete Schutzmaßnahmen zur Minderung von Kollisionsrisiken. Bei Abschaltung wird die WEA in den Trudelbetrieb versetzt. Dabei verringert sich die Rotordrehzahl. Je nach Anlagentyp, Rotorgröße und Windgeschwindigkeit kann die Trudelgeschwindigkeit variieren, also höher oder geringer sein, es gibt hier keinen „festen“ Wert. Insofern ist die Frage naheliegend, welche Rolle die Trudelgeschwindigkeit für die Vermeidungswirksamkeit spielt und ob es Möglichkeiten gibt, die Trudelgeschwindigkeit zu begrenzen.

1. Abschaltungen als Schutzmaßnahme zur Minderung von Kollisionsrisiken

45b Bundesnaturschutzgesetz (BNatSchG) und die dazugehörige Anlage 1 Abschnitt 2 nennen im Falle eines vorliegenden signifikant erhöhten Tötungsrisikos mehrere fachlich geeignete Schutzmaßnahmen, darunter drei Formen der Abschaltung von WEA:

• Antikollisionssysteme (= bedarfsgerechte Abschaltung),
• bewirtschaftungsabhängige Abschaltung und
• phänologische Abschaltung.

Alle Formen der Abschaltung zielen darauf ab, dass die Anlage in einen vermeidungswirksamen Betriebszustand versetzt wird. Dazu muss der Rotor nicht stillstehen, sondern kann sich im Trudelbetrieb mit verringerter Geschwindigkeit weiterdrehen.

Der Begriff „Trudelbetrieb“ wird im Kontext der Schutzmaßnahme „Antikollisionssysteme“ (AKS) in Anlage 1 Abschnitt 2 zu § 45b BNatSchG explizit im Gesetz genannt. Demnach müssen Antikollisionssysteme in der Lage sein, bei Annäherung der Zielart rechtzeitig […] die Rotordrehgeschwindigkeit bis zum „Trudelbetrieb“ zu verringern. Bei bedarfsgerechter Abschaltung durch AKS kommt es also darauf an, dass sich die Rotordrehzahl unmittelbar nach Auslösen des Abschaltsignals innerhalb einer kurzen Zeitspanne verringert. Bei bewirtschaftungsabhängiger und phänologischer Abschaltung ist das Versetzen in den Trudelbetrieb weniger zeitkritisch.

Was charakterisiert den „Trudelbetrieb“ aus rechtlicher Sicht?

Abschaltungen sind – mit Ausnahme der o. a. Nennung des Begriffs „Trudelbetrieb“ – gesetzlich nicht näher definiert. Die Rechtsprechung hat sich vor allem mit der Frage befasst, wann sich eine WEA in Betrieb befindet und wann nicht.  Das VG Oldenburg hatte 2018 festgestellt, dass der Trudelbetrieb nicht als „Betrieb“ im Sinne des BImSchG einzustufen sei.  Er diene vielmehr zur Gewährleistung eines sicheren Bauzustandes sowie der der Prävention von Gefahren für die Standsicherheit (VG Oldenburg, Beschluss vom 08. Februar 2018 – Az.: 12 B 67/18). Durch die langsame Bewegung und Ausrichtung nach dem Wind werden statische Lasten vermieden.

Auch in einem Urteil des Oberverwaltungsgerichts Lüneburg (OVG Lüneburg, Beschluss vom 29. April 2019 – 12 ME 188/18) ging es um die Frage, ob eine WEA im Trudelbetrieb „in Betrieb“ ist (oder nicht). In seiner Entscheidung bezeichnete das OVG Lüneburg den Trudelbetrieb als Betriebszustand „mit aus dem Wind gedrehten Rotorblättern und aktivierter Windnachführung der Rotorgondel“^[1]. Das Gericht stellt zudem im Kontext des strittigen Falles fest, dass dieser Betriebszustand nicht dem Produktionszweck der Anlage, nämlich der Stromabgabe, dient.^[2] Insofern stellt der Trudelbetrieb keinen Betrieb im Sinne des § 4 Abs. 1 BImSchG dar. Er beschreibt vielmehr den „Ruhe- und Normalzustand einer […] Windenergieanlage, welche gegenwärtig nicht zur bezweckten Stromproduktion für das Netz in Betrieb ist“, weil sie abgeregelt ist.^[3]

In dem vom OVG Lüneburg verhandelten Fall konnte nach Auffassung des Gerichts von der WEA auch deshalb keine signifikante Erhöhung des Tötungsrisikos ausgehen, weil die Rotordrehzahl im Trudelbetrieb niedrig war. Ein eigens erstelltes Gutachten legte dar, dass selbst bei hohen Windgeschwindigkeiten beim Trudelbetrieb der in Rede stehenden Anlage keine Rotorblattspitzengeschwindigkeit auftreten würde, der die Tiere nicht hätten ausweichen können.^[4]  Bei welcher Drehzahl pro Minute oder welcher Rotorblattspitzengeschwindigkeit dagegen eine signifikante Erhöhung des Tötungsrisikos zu erwarten ist, ließ das Gericht offen.

Durch die Feststellungen der Gerichte liegt zwar eine Definition von Form und Zweck des Trudelbetriebs vor. Die Frage nach der für diesen Betriebsmodus „typischen“ bzw. einer kollisionsmindernden Trudelgeschwindigkeit blieb jedoch ausgeklammert.

Aus der Zusammenschau der Vermutungsregel des § 45b Abs. 3 Nr. 2 BNatSchG und der Beschreibung der Antikollisionssysteme in Anlage 1 Abschnitt 2 schließen Bader et al. (2023), dass Antikollisionssysteme in der Regel eine hinreichende Minderung des Tötungsrisikos unter die Signifikanzschwelle erbringen, weil sie die WEA in den Trudelbetrieb versetzen. Behörden könnten von dieser gesetzgeberischen Wertung, dass von Anlagen im Trudelbetrieb in der Regel kein signifikant erhöhtes Tötungsrisiko ausgeht, nur in atypischen Einzelfällen abweichen. Den Behörden ist nach dieser Auffassung grundsätzlich kein Beurteilungsspielraum darüber eröffnet, das Risiko für Kollisionen im Trudelbetrieb in Abhängigkeit verschiedener Rotordrehgeschwindigkeiten als signifikant erhöht zu bewerten.

Ein Versetzen der WEA in den Trudelbetrieb würde als solches ausreichen, um den rechtlichen Anforderungen zu genügen. Jedoch gibt es auch aus fachlicher Sicht (hier: Vermeidungswirksamkeit der Abschaltung; Erreichen einer konfliktrisikoarmen Rotordrehzahl) Gründe, sich mit der Frage der Rotordrehzahl zu befassen.

2. Warum kommt es auf die Rotordrehzahl an?

Wie im Kontext der Entwicklung eines Kollisionsrisikomodells (vgl. Mercker et al. 2023) gezeigt, hängt die Kollisionswahrscheinlichkeit maßgeblich davon ab, wie lange sich ein Vogel im Gefahrenbereich des Rotors aufhält, wenn er diesen durchquert. Daneben sind weitere Variablen wie die Rotorblatttiefe oder die Stellung der Rotorblätter (sog. „Pitchwinkel“) zu berücksichtigen (Steinkamp et al. 2024, S. 30) Die zur Verfügung stehende Zeit bestimmt das Kollisionsrisiko maßgeblich (ebd., S. 30). Je länger die für den Rotordurchflug benötigte Zeit und je kürzer die Abstände zwischen dem Durchstreichen zweier Rotorblätter sind, desto höher ist das Risiko.

Steinkamp et al. (2024, S. 29f.) verdeutlichen, dass das „Zeitfenster“ für den Durchflug zwischen dem Durchstreichen zweier Rotorblätter bei einer gegebenen Rotordrehzahl gleich groß ist, unabhängig davon, ob der Durchflug innen (nahe der Nabe) oder weiter außen im Bereich der Blattspitzen erfolgt. Entsprechend sei die Rotordrehzahl für das Kollisionsrisiko ausschlaggebend und nicht etwa die Blattspitzengeschwindigkeit, die beispielsweise in der oben genannten Entscheidung des OVG Lüneburg als Bewertungsgröße herangezogen wurde. Die Rotordrehzahl bietet sich daher als Bezugspunkt für die Kollisionsrisikominderung an. Bei der Ermittlung der Trudelzeit würde es demzufolge darum gehen, wie lange die WEA braucht, um die Rotordrehzahl auf ein idealerweise kollisionsarmes Maß zu verringern.

3. Welche Rotordrehzahl haben WEA im Normalbetrieb?

Im Normalbetrieb einer WEA startet die Rotordrehung ab einer anlagenspezifischen Einschaltwindgeschwindigkeit (bei jüngeren Anlagentypen z. B. 2,5 oder 3 m/s). Mit zunehmender Windgeschwindigkeit steigt die Drehzahl linear an (vgl. Abbildung 1, rote Linie), bis eine maximale Rotordrehzahl erreicht wird. Diese ist ebenfalls anlagenspezifisch. Um eine optimale Leistung zu erbringen und um zu verhindern, dass die maximale Drehzahl überschritten wird, können die Rotorblätter an die jeweilige Windgeschwindigkeit angepasst in oder aus dem Wind gedreht („gepitcht“) werden. Die Drehzahl bleibt dadurch auch bei weiter steigenden Windgeschwindigkeiten konstant, wodurch ein „Plateau“ entsteht.  Bei einer Windenergieanlage des Typs Enercon E-82, einer WEA mit vergleichsweise kleinem Rotordurchmesser, liegt sie bei 18 Umdrehungen pro Minute (U/min). Diese Drehzahl ist bereits bei einer Windgeschwindigkeit von zirka 10 m/s erreicht (vgl. Abbildung 1).

Abbildung 1: Rotordrehzahl in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit am Beispiel einer Windenergieanlage des Typs Enercon E-82 (verändert nach Reichenbach et al. 2023, S. 57). Die rote Linie verdeutlicht den linearen Anstieg. Die blaue Ellipse hebt den Trudelbetrieb hervor.

Anlagen mit größeren Rotordurchmessern weisen bei gleicher Windgeschwindigkeit vergleichsweise geringere Rotordrehzahlen auf als kleine. Folgende Beispiele sollen illustrieren, dass jeder Anlagentyp ein eigenes „Drehzahl-Profil“ hat.^[5] Bei einer Enercon E-138 mit einem Rotordurchmesser von zirka 138 Metern liegt die maximale Drehgeschwindigkeit bei etwas über 10 U/min. Diese Drehzahl ist in der Regel schon bei einer Windgeschwindigkeit von rund 8 m/s erreicht. Enercon E-160-Anlagen (160 m Rotordurchmesser) haben eine maximale Drehzahl bzw. „Solldrehzahl“ von 9,6 U/min. Eine Nordex N149 (Rotordurchmesser zirka 149 m) erreicht ihre maximale Drehgeschwindigkeit von ca. 11 U/min bei einer Windgeschwindigkeit von 11 m/s (vgl. Steinkamp et al. 2024, S. 32).

4. Welche Rotordrehzahl haben WEA im Trudelbetrieb?

Mit welcher Drehzahl pro Minute sich der Rotor im Trudelbetrieb dreht, ist ebenfalls anlagenspezifisch und hängt vom Rotordurchmesser, der Windgeschwindigkeit und dem Pitchwinkel der Rotorblätter ab.

Abbildung 1 zeigt exemplarisch, dass die Rotordrehzahl bei aus dem Wind gedrehten Rotorblättern auf einem niedrigen Niveau bleibt (blaue Ellipse). Der Einfluss der Windgeschwindigkeit auf die Rotordrehzahl ist hierbei deutlich schwächer im Normalbetrieb der Anlage, was sich im flacheren Anstieg der Punkteverteilung widerspiegelt. Mit zunehmendem Pitchwinkel nimmt der Vortrieb des Rotors ab und die Bremswirkung zu. In der so genannten Fahnenstellung (90° sowie teilweise sogar leicht darüber hinaus) tritt die größte aerodynamische Bremswirkung auf. Der Rotor kann hierbei auch bei höheren Windgeschwindigkeiten zum Stillstand kommen.

Bei Windgeschwindigkeiten zwischen 5 oder 6 m/s zeigt die Hauptverteilung der Punkte im Trudelbetrieb bei einer Enercon E-82, dass die Rotordrehzahl zwischen 1,5 und 2 U/min liegt (vgl. Abbildung 1, blaue Ellipse). Auch bei höheren Windgeschwindigkeiten (bis 10 m/s) beträgt die Rotordrehzahl bei diesem Anlagentyp dann im Mittel nicht mehr als 2,5 U/min. Modernere Enercon-Anlagen mit größeren Rotordurchmessern von 126 bis 175 Metern weisen selbst bei noch stärkeren Windgeschwindigkeiten von bis zu 17,5 m/s Rotordrehzahlen zwischen 1,5 und 2,5 U/min im Trudelbetrieb auf (Enercon 2023, S. 8). Ähnliches dürfte auch auf Anlagen anderer Hersteller zutreffen.

Nach Steinkamp et al. (2024, S. 29) ist für moderne Anlagentypen davon auszugehen, dass es spätestens ab einer Drehgeschwindigkeit von 2,5 U/min zu einer Erhöhung des Kollisionsrisikos kommt. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass eine Verlangsamung darüber hinaus keinen weiteren positiven Effekt auf das Kollisionsrisiko hat. Die Autoren nehmen daher aktuell eine „ideale Trudelgeschwindigkeit“ in einer Größenordnung von 2 U/min an. Dieser näherungsweise bestimmte Wert kann derzeit als Bezugspunkt herangezogen werden, wenn die Trudelzeit (vgl. Punkt 2) ermittelt werden soll.

5.  Wie schnell kann ein Trudelbetrieb mit geringer Rotordrehzahl erreicht werden?

Die Frage der Trudelzeit spielt vor allem bei der bedarfsgerechten Abschaltung mit AKS eine Rolle. Die Abregelung in den Trudelbetrieb soll zu einem Zeitpunkt erfolgen, der es gewährleistet, dass die Rotordrehzahl bereits deutlich verlangsamt ist, wenn der Vogel den Gefahrenbereich des Rotors erreicht (vgl. MEKUN & LfU 2024, S. 26ff.).

Soweit keine Anlagenspezifika bekannt sind, wird für den Übergang zu einer niedrigen Rotordrehzahl im Trudelbetrieb ein pauschaler Wert von 30 Sekunden angenommen. Nach Steinkamp et al. (2024, S. 33) ist dieser Wert belastbar und deckt einen großen Teil der Fälle ab, in denen eine WEA aus dem Teillastbetrieb, d. h. gegenüber dem Vollastbetrieb ohnehin bereits verringerter Rotordrehzahl in den Trudelbetrieb versetzt wird.

Die Rotordrehzahl sinkt laut Reichenbach et al. (2021, S. 132f.) in den ersten Sekunden nach dem Pitchen der Rotorblätter besonders schnell ab. In ihrem Beispiel halbiert sich die Rotordrehzahl innerhalb von 12 Sekunden von 10 auf 5 U/min. Danach flacht die Kurve der Drehzahlreduzierung ab. Bei dem Beispiel wurde die Rotordrehzahl von 2 U/min nach etwa 24 Sekunden erreicht (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2: Reduzierung der Rotordrehzahl nach Abregelung am Beispiel einer Vestas WEA der 4 MW Klasse aus Reichenbach et al. (2021). Auf der x-Achse die Zeit nach dem Abschaltsignal. Linke y-Achse: Rotorumdrehungen pro Minute und rechte y-Achse: Anlagenleistung in kW.

Die Zeitspanne von 30 Sekunden, die zur Ermittlung von Reaktionsdistanzen in den Erprobungsvorhaben verwendet wurde, beinhaltet einen Vorsorgeanteil. Es ist nicht auszuschließen, dass diese Zeitspanne anlagenspezifisch im konkreten Planungsfall auch geringer ausfallen kann. Geringere Trudelzeiten würden die Reaktionsdistanz und damit indirekt auch die Abschalthäufigkeit verringern. Um kürzere Zeitspannen zu begründen, müssten Messreihen durchgeführt werden oder hilfsweise Betriebsprotokolle ausgewertet werden, die den Verlauf und die Gesamtdauer der Drehzahlreduktion nach Abregelung unter den herrschenden Windbedingungen beim spezifischen Anlagentyp dokumentieren.

6. Zusammenfassung und Ausblick

Abschaltungen als Schutzmaßnahme (syn. Abregelung) sehen vor, dass die WEA in den Trudelbetrieb versetzt wird. Der Rotor wird dabei durch das Pitchen der Rotorblätter aerodynamisch gebremst. Der Trudelbetrieb ist im genehmigungsrechtlichen Sinne kein Betriebszustand. Von Anlagen, die nicht im Betriebszustand sind, geht in der Regel kein signifikant erhöhtes Tötungsrisiko aus.

Von der im Gesetz vorgenommenen Wertung, das eine Abschaltung – einschließlich bedarfsgerechter Abschaltung mit AKS – und somit der Trudelbetrieb vermeidungswirksam ist, kann eine Behörde nur in atypischen Einzelfällen abweichen.

Nach Steinkamp et al. (2024, S. 29) ist für moderne Anlagentypen davon auszugehen, dass es spätestens ab einer Drehgeschwindigkeit von 2,5 U/min zu einer Erhöhung des Kollisionsrisikos kommt. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass eine Verlangsamung darüber hinaus keinen weiteren positiven Effekt auf das Kollisionsrisiko hat. Die Autoren nehmen daher aktuell eine „ideale Trudelgeschwindigkeit“ in einer Größenordnung von 2 U/min an.

Bei der bedarfsgerechten Abschaltung von WEA unter Einsatz eines AKS spielt die Frage eine Rolle, wie schnell ein Rotor durch das Pitchen den Zielwert von 2 U/min erreicht.

Für diese „Trudelzeit“ wird pauschal ein Wert von 30 Sekunden angenommen. Dieser Wert dürfte vorsorglich bemessen sein. Im konkreten Planungsfall besteht die Möglichkeit, nachzuweisen, dass die WEA den Wert unter den herrschenden Windbedingungen unterschreitet und eine entsprechend geringere Reaktionsdistanz festgelegt werden kann.

Ein Stillstand des Rotors oder gar ein „Fixieren in Y-Stellung“ kann bei Abschaltungen nicht verlangt werden. Im Kontext bedarfsgerechter Abschaltungen mit AKS kommt eine Fixierung des Rotors schon aufgrund der kurzen Dauer der Abregelung nicht in Betracht.

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^[1] OVG Lüneburg, Beschluss vom 29. April 2019 – 12 ME 188/18. Rn. 24 bei juris.

^[2] OVG Lüneburg, Beschluss vom 29. April 2019 – 12 ME 188/18, Rn. 32 bei juris.

^[3] OVG Lüneburg, Beschluss vom 29. April 2019 – 12 ME 188/18, Rn. 32 bei juris.

^[4] Selbst bei stürmischem Wind mit Windgeschwindigkeiten von bis zu 20,7m/s hatten Gutachter nur eine maximale Rotordrehzahl von 0,7 U/min bzw. Blattspitzengeschwindigkeiten von 15 km/h gemessen (gemittelt 0,21 U/min und 4,5 km/h) (OVG Lüneburg, Beschluss vom 29. April 2019 – 12 ME 188/18 –, Rn. 36 bei juris).

^[5] Angaben zur Rotordrehzahl in verschiedenen Betriebsmodi sind zum Teil den technischen Datenblättern der Anlagen(hersteller) zu entnehmen (z. B. Enercon E 138 oder Nordex N149/5.X).

Quellen

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