Die forcierte Nutzung erneuerbarer Energie als Folge der Energiewende in Deutschland und die damit verbundenen langen Entfernungen zwischen Erzeugungs- und Verbrauchsstätten elektrischer Energie machen den Ausbau neuer Langstrecken-Energieübertragungsleitungen erforderlich. Dafür sollen auch Hochspannungs-Gleichstromübertragungs-Leitungen¹ (HGÜ-Leitungen) zum Einsatz kommen.

Die Strahlenschutzkommission (SSK) wurde vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) beauftragt, in Ergänzung ihrer Stellungnahme zu Wechselspannungs-Energieversorgungssystemen (SSK 2008) auch die HGÜ-Leitungen, insbesondere deren elektrische und magnetische Gleichfelder, aus der Sicht des Strahlenschutzes in Bezug auf den Menschen zu beurteilen. Sie hat daher die vorliegende Empfehlung erarbeitet; eine Grenzwert-Regelung ist nicht Gegenstand dieser Empfehlung.

Angesichts der zu erwartenden Immissionen durch elektrische und magnetische Felder von HGÜ-Leitungen und bestehender Regelungslücken spricht die SSK folgende Empfehlungen aus:

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Die SSK empfiehlt, die elektrischen Gleichfelder von HGÜ-Leitungen mit dem Ziel der Vermeidung gesundheitlicher Beeinträchtigungen oder erheblicher Belästigungen zu begrenzen und bei multipler Exposition durch elektrische Gleich- und Wechselfelder eine gewichtete Summation der Einzelbeiträge vorzunehmen.

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Die Angabe von belastbaren Schwellenwerten für Wahrnehmungs-, Belästigungs-, Schmerz- und Gefährdungs­effekte ist im Hinblick auf die begrenzte Datenlage, insbesondere hinsichtlich der Anzahl der untersuchten Personen und der Einflüsse von Kofaktoren wie z. B. Ionendichte, derzeit nicht möglich. Die SSK empfiehlt daher die Durchführung weiterer Forschungsprojekte zur Wahrnehmung vor allem in Form von Humanstudien unter gut kontrollierten Bedingungen.

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Die SSK empfiehlt, die Netzbetreiber darauf hinzuweisen, mögliche Sekundäreffekte (z. B. Elektroschocks durch Entladung zu oder von leitfähigen Strukturen) durch geeignete, primär konstruktive Abhilfemaßnahmen zu unter­binden.

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Die SSK weist auf die Notwendigkeit des Schutzes von Personen mit magnetisch aktivierbaren Implantaten hin. Um z. B. eine Störbeeinflussung von Herzschrittmachern sicher auszuschließen, wird eine Begrenzung der magnetischen Flussdichte auf 500 µT empfohlen.

1 Grundlagen

1.1 Physikalische Grundlagen

Die HGÜ-Technik ist eine effiziente Möglichkeit zur Übertragung elektrischer Energie über längere Distanzen. Isolierte HGÜ-Kabel werden auf Seegrund oder im Erdreich derzeit über Distanzen von 50 km bis 150 km eingesetzt und bei Übertragungsspannungen bis ca. ± 350 kV betrieben. HGÜ-Leitungen sind dagegen schon mit Spannungen bis ± 800 kV (mit einer verketteten Spannung bis 1 600 kV) und Übertragungsdistanzen über 1 000 km in Betrieb. In Zukunft ist bei Neuinstallationen von noch höheren Spannungen auszugehen.

HGÜ-Leitungen unterscheiden sich in wesentlichen Punkten von Hochspannungs-Wechselstromübertragung (HWÜ), wie z. B. Bahnstromversorgung bzw. Hochspannungs-Drehstromübertragungsleitungen (HDÜ-Leitungen). Bei HDÜ-Leitungen wird die elektrische Energie durch ein oder mehrere Leitungssysteme mit jeweils drei Phasenleitern übertragen, wobei die zugeordneten elektrischen und magnetischen Feldvektoren eines Systems gegeneinander so versetzt sind, dass sich gegenüber einem Einzelleiter eine gegenseitige Teil-Kompensationswirkung der Felder einstellen kann. Dies geschieht umso wirkungsvoller, je geringer die Entfernungen der einzelnen Teilleiter voneinander sind. Darüber hinaus nimmt die Feldstärke mit zunehmender Entfernung zu ihnen stark ab.

1.1.1 HGÜ-Freileitungen

Bei HGÜ-Freileitungen treten die relativ höchsten Feldwerte für die Allgemeinbevölkerung an der Stelle des größten Durchhanges in Spannfeldmitte unter den Leiterseilen auf. Da die Entfernungsunterschiede mit zunehmendem Abstand zu den Leiterseilen umso unbedeutender werden und daher die Kompensationswirkung immer besser wird, je größer der Abstand zu den Leiterseilen ist, nehmen sowohl elektrische als auch magnetische Felder außerhalb der Leitungstrasse etwa mit dem Quadrat der Entfernung ab, und der Einfluss unterschiedlicher Bodenabstände der Leiter wird vernachlässigbar. (Auf die Feldverhältnisse bei HGÜ-Leitungen wird im Kapitel 2.1.1 eingegangen.)

An den Leiterseilen der HGÜ kommt es wegen der dort herrschenden hohen elektrischen Feldstärke, wie auch bei HWÜ-Leitungen, zu Mikroentladungen (Koronaentladungen) und zur Ionisation der Luft. Dies erfolgt jedoch ständig, weil die hohe elektrische Spannung nicht, wie bei der HWÜ, periodisch gegen Null geht. Bei HWÜ-Leitungen wechselt zusätzlich die Polarität der Einzelleiter und damit die Polarität der

Entladungen ständig, sodass sich die erzeugten Ladungen immer wieder ausgleichen können. Bei HGÜ-Leitungen ändert sich die Polarität am Leiterseil hingegen nicht. Daher kann sich um die Leiter eine größere Raumladungswolke geladener Teilchen ausbilden. Dies hat mehrere Konsequenzen, nämlich

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dass im Vergleich zu HWÜ-Leitungen höhere elektrische Bodenfeldstärken auftreten und

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dass sich die elektrischen Felder durch Windverfrachtungen der Ladungswolke über größere Bereiche erstrecken können.

Die Raumladungswolke enthält auch durch Koronaentladung entstandene chemische Verbindungen wie Ozon und Stickoxide.

1.1.2 HGÜ-Erdkabel

Im Erdboden verlegte HGÜ-Kabelleitungen erzeugen nur magnetische Gleichfelder, aber weder äußere elektrische Felder noch Koronaentladungen (und damit auch kein Ozon oder Stickoxide). Im Vergleich zu HGÜ-Freileitungen verursachen Erdkabel wesentlich höhere Kosten. Sie erfordern aufwändige Tiefbauarbeiten in einer den HGÜ-Freileitungen vergleichbaren Trassenbreite, eine Kette von Muffenbauwerken für die Verbindung der Kabelabschnitte und die Freihaltung des Trassenbereiches für etwaige Reparaturarbeiten aufgrund von Schäden, die durch Korrosion, Überspannungen, Übererwärmungen oder durch äußere mechanische Einwirkungen verursacht werden können. Die elektrischen Verlustleistungen verursachen Bodenerwärmungen, die im Trassenbereich zur Bodenaustrocknung und zur Beeinträchtigung des Biotops führen (EFZN 2011).

1.2 Emissionen

1.2.1 Elektrische Gleichfelder

Die Stärke des elektrischen Gleichfeldes wird durch die elektrische Leiterspannung bestimmt (und nicht durch den Leiterstrom). Da die Spannung aus verschiedenen Gründen sehr konstant gehalten wird bzw. werden muss, ist der Betrag des elektrischen Feldes keinen kurzzeitigen Schwankungen ausgesetzt.

Da elektrische Gleichfelder durch elektrisch leitfähige Gebilde besonders gut abgeschirmt werden, führen äußere elektrische Gleichfelder im Inneren von Häusern, aber auch im Körperinneren nur zu vernachlässigbar kleinen elektrischen Feldeinträgen.

1.2.2 Magnetische Gleichfelder

Magnetische Felder werden von bewegten elektrischen Ladungen (Strömen) verursacht. Sie schwanken daher mit dem aktuellen Stromverbrauch. Bei überregionalen Übertragungsleitungen wie einer HGÜ-Leitung mitteln sich die Einflüsse unterschiedlicher Verbraucher aus. Kurzzeitige Stromschwankungen sind daher gering. Die magnetischen Emissionen sind daher primär stationäre magnetische Gleichfelder mit einem geringen Anteil von Oberwellen, die von der AC-DC-Konvertierung am Speiseende der Leitung verblieben sind.

1.2.3 Ionen, Ozon und Stickoxide

Wie bei allen elektrischen Entladungen entstehen bei den elektrischen Entladungsfunken der Koronaentladungen an HGÜ-Leitungen durch Ionisation geladene Teilchen (z. B. Ionen). Diese sind einem Veränderungsprozess unterworfen, der darin besteht, dass die Masse durch Anlagerung an weitere Teilchen und Aerosole kontinuierlich zunimmt, was dazu führt, dass sich ihre Beweglichkeit immer mehr verringert. Gleichzeitig nimmt die Anzahl der Ionen durch Rekombination mit seitlichem Abstand zur Leitung ab, zeitlich stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein.

Ozon

Wie bei allen elektrischen Entladungen entsteht als Folge der Koronaentladungen an den Leiterseilen auch Ozon (O₃), das in höheren Konzentrationen die Gesundheit schädigen könnte. Aufgrund seiner Reaktionsfreudigkeit geht Ozon rasch chemische Bindungen ein, sodass seine Reichweite begrenzt ist. Dieser Effekt ist umso ausgeprägter, je mehr potenzielle Bindungspartner in der Luft vorhanden sind.

Stickoxide

Als Folge der Koronaentladungen an den Leiterseilen entstehen auch verschiedene Verbindungen von Sauerstoff mit Stickstoff, die insgesamt als Stickoxide (NO_x) bezeichnet werden. In höheren Konzentrationen könnten Stickoxide die Gesundheit schädigen.

HGÜ-Erdkabel

Im Erdboden verlegte HGÜ-Kabelleitungen sind mit einem metallischen Schirm ausgestattet. Dieser verhindert grundsätzlich das Auftreten äußerer elektrischer Felder und damit von Ozon und Stickoxiden.

2 Biologische Auswirkungen

Die Evidenzbewertung erfolgt hier nach dem neuen Bewertungsschema, das die SSK in ihrer Stellungnahme „Ver­gleichende Bewertung der Evidenz von Krebsrisiken durch elektromagnetische Felder und Strahlungen“ erarbeitet hat (SSK 2012). Es ist in seinen Grundzügen im Anhang A erläutert.

2.1 Elektrische Gleichfelder

Elektrische Gleichfelder entstehen zwischen getrennten ruhenden oder gleichförmig fließenden elektrischen Ladungen. Lebewesen und elektrisch leitfähige Objekte können die Felder in Abhängigkeit von ihren elektrischen Eigenschaften, ihrer Orientierung, Form und Entfernung zu den Felderzeugern verzerren. Da elektrische Gleichfelder durch elektrisch leitfähige Gebilde besonders gut abgeschirmt werden, führen äußere elektrische Gleichfelder auch im Körperinneren nur zu vernachlässigbar kleinen elektrischen Feldern.

2.1.1 Exposition

Expositionen gegenüber elektrischen Gleichfeldern erfolgen im Freien durch das natürliche elektrische Feld zwischen Ionosphäre und Erdoberfläche. Bei Schönwetter ergibt sich im Sommer an ebenen Flächen eine Feldstärke von ca. 130 V/m, die im Winter auf das ca. Doppelte ansteigen kann. Unter Gewitterwolken können sich erheblich höhere elektrische Feldstärken bis zu ca. ± 20 kV/m ergeben. Aufgrund des Wettergeschehens und von Blitzentladungen ist die Konstanz der Feldstärkewerte jedoch eingeschränkt. Hohe elektrische Feldstärken auf der Körperoberfläche bis zum Überschreiten der Durchschlagsfestigkeit der Luft ergeben sich im Alltag vor allem als Folge von statischen Aufladungen, z. B. durch bewegungsbedingte Reibung der Kleidung, und/oder durch Trennungsvorgänge, z. B. des Schuhwerkes auf isolierenden Bodenbelägen. Technische Quellen elektrischer Gleichfelder sind mit Gleichspannung betriebene Geräte und Fahrzeuge, wie z. B. Straßenbahnen oder U-Bahnen. Berufliche Expositionen gegenüber höheren elektrischen Gleichfeldern ergeben sich z. B. bei Wartungsarbeiten an HGÜ-Anlagen, HGÜ-Leitungen oder in HGÜ-Konverterstationen. Deren Bewertung ist nicht Gegenstand dieser Empfehlung.

Die elektrischen Gleichfelder von HGÜ-Leitungen hängen außer von der Leiterspannung auch von der Betriebsart (monopolar oder bipolar), der Leiterkonfiguration und dem Bodenabstand der Leiterseile ab. Wegen der schlechteren Kompensationswirkung sind die elektrischen Gleichfelder und deren Reichweite größer als bei HWÜ-Leitungen. Darüber hinaus kann bei HGÜ-Leitungen die entstehende Raumladungswolke einerseits bewirken, dass die elektrischen Feldstärken bereits unter der Leitung erheblich höher sind als bei HWÜ-Leitungen und als es aufgrund der Leiter­geometrie und -spannung zu erwarten wäre. Andererseits können die erzeugten Raumladungswolken und damit auch die von ihnen verursachten elektrischen Felder durch Wind über große Entfernungen verfrachtet werden, sodass die elektrische Feldstärke mit zunehmender seitlicher Entfernung wesentlich langsamer abnimmt als bei Wechsel­spannungsleitungen. Feldberechnungen von Höchstspannungs-Hybrid-Leitungen ergaben in Spannfeldmitte ohne Berücksichtigung von Ionenwolken elektrische Feldstärken von 16 kV/m (DC) und 8,9 kV/m (AC) bei einem 400-kV-DC- und einem 380-kV-AC-Dipol-System (Amprion 2012). Aufgrund derzeit noch unbekannter Mastbilder kann auf die zu erwartende Exposition von in Deutschland geplanten HGÜ-Leitungen quantitativ nicht näher eingegangen werden.

2.1.2 Physikalisches Wirkmodell

Die physikalischen Wirkmechanismen elektrischer Gleichfelder sind gut bekannt. Elektrische Gleichfelder verursachen aufgrund der Coulomb’schen Anziehungskraft eine Ladungsumverteilung und damit eine Ansammlung elektrischer Gegenladungen an der der Feldquelle zugewandten Seite. Dies hat durch Abstoßungseffekte gleichnamiger Ladungen eine Kraftwirkung auf die Körperbehaarung zur Folge und kann zum Aufrichten der Haare führen. Das Körperinnere wird aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit vor dem äußeren elektrischen Feld nahezu vollständig abgeschirmt.

Darüber hinaus kann es zu (Mikro-)Entladungen an der Körperoberfläche und Funkenentladungen von isolierten Personen zu geerdeten Teilen oder von isolierten Teilen zu geerdeten Personen kommen, die bei ausreichender Stärke zu gesundheitlichen Wirkungen führen können (Kap. 2.1.6). In einem homogenen elektrischen Gleichfeld ergibt sich die bei Feldzusammenbruch durch direkte² Entladung freisetzbare Ladungsmenge Q_E mit der Einzugsfläche³A_E des Menschen (ca. 5 m²), der Dielektrizitätskonstanten ε₀⁴ und der elektrischen Feldstärke E zu

So kann z. B. in einem elektrischen Gleichfeld von ca. 20 kV/m, wie es unter einer Gewitterwolke auftreten kann, nach Gleichung 1 bei direkter Entladung eine Ladungsmenge von ca. 0,9 µC freigesetzt werden. Bei indirekter Entladung, z. B. von einem PKW (A_E = 50 m²), ergäben sich somit zehnfach höhere Ladungsmengen von 9 µC. Dem Dokument IEC/TS 60479-2 (2007) lässt sich die Wahrnehmungsschwelle mit 0,39 µC bis 0,90 µC und die Schmerzschwelle mit 8 µC entnehmen. Dem entspricht somit eine äußere elektrische Feldstärke von 8,8 kV/m für die untere Wahrnehmungsschwelle und von 180 kV/m für die Schmerzgrenze. Bei indirekter Entladung, z. B. von einem PKW, können die entsprechenden Feldstärken zehnfach niedriger sein.

Insgesamt ergibt sich wegen der guten Abschirmung des Körperinneren im Hinblick auf die direkte Einwirkung elektrischer Gleichfelder Evidenz⁵ für das Fehlen gesundheitlich relevanter Wirkmechanismen (EN). Die Evidenz für physikalische Wirkmechanismen von elektrischen Gleichfeldern, die unter HGÜ-Leitungen auftreten und gesundheitlich relevante indirekte Effekte verursachen könnten, ist hingegen als überzeugend einzustufen (E3).

2.1.3 Biologisches Wirkmodell

Bei ausreichender elektrischer Feldstärke kann die Kraftwirkung auf die Körperbehaarung zum Aufrichten der Haare und dadurch an den Haarwurzeln zur Wahrnehmung führen (Clairmont et al. 1989).

Die Wahrnehmungsschwelle für Mikroentladungen hängt von der Polarität der Entladung und der Körperstelle der Einwirkung ab. Für kathodische Entladungen liegt sie um ca. 30 % niedriger als für anodische Entladung. Der kleinste ermittelte Median für die Wahrnehmungsschwelle periodisch repetitiver Entladungen beträgt 0,09 µC am Unterarm bzw. 0,11 µC an Hand und Finger (Reilly et al. 1992).

Mikroentladungen können belästigend sein und bei ausreichender Feldstärke auch als Mikroschocks empfunden werden. Die Belästigungsschwelle für einzelne monophasische Stimuli liegt je nach Einwirkungsort (Finger, Hand oder Unterarm) ca. 2,3- bis 3,5-fach höher als die Wahrnehmungsschwelle, die Schmerzschwelle ca. 3,5- bis 5,5-fach über der Wahrnehmungsschwelle (Reilly et al. 1992).

Aufgrund der Abschirmung des Körperinneren können elektrische Gleichfelder dort keine direkten biologischen Wirkungen entfalten (EN). Die Evidenz für den biologischen Wirkmechanismus von Mikroentladungen ist als über­zeugend einzustufen (E3).

2.1.4 Biologische Ergebnisse

Untersuchungen der möglichen Auswirkungen von elektrischen Gleichfeldern sind vor allem in den 1970er Jahren durchgeführt worden, als Befürchtungen über vermeintlich schädliche Auswirkungen der Abschirmung des natürlichen elektrischen „Schönwetter-“Gleichfeldes durch Gebäude im Vordergrund standen (König 1986).

2.1.4.1 In vitro

Untersuchungen der möglichen Auswirkungen von elektrischen Gleichfeldern in den 1970er Jahren an Bakterien­kulturen führten zu widersprüchlichen Ergebnissen. Es wurde sowohl über wachstumshemmende als auch -fördernde Effekte berichtet. In ihrer Bewertung kommt die WHO zum Schluss, dass elektrische Gleichfelder wegen der erzeugten Oberflächenladungen in vitro grundsätzlich nicht hinreichend genau untersucht werden können (WHO 2006a).

Aufgrund der Abschirmung des Probeninneren können elektrische Gleichfelder keine direkten biologischen Wirkungen entfalten, sodass es Evidenz für das Fehlen gesundheitsrelevanter Wirkung (EN) gibt.

2.1.4.2 In vivo

In-vivo-Untersuchungen an Mäusen und Ratten ergaben in starken elektrischen Gleichfeldern ab ca. 40 kV/m (WHO 2006a) statistisch signifikante physiologische Veränderungen, z. B. einen Anstieg der Laufaktivität und einen erhöhten Futterverbrauch, die jedoch durch spätere Analysen auf methodische Mängel der Versuchsanordnung, nämlich die Auswirkung von Mikroschocks beim Trinken aus dem nicht geerdeten Wasserspender zurückgeführt werden konnten.

Mikroentladungen treten im elektrischen Gleichfeld stochastisch und somit im Gegensatz zu Wechselfeldern seltener auf. Die Untersuchungen über die Wahrnehmungsschwelle von Ratten bzw. Mäusen bei Aufenthalt in elektrischen Feldern wurden sowohl mit Wechselfeldern (Stern et al. 1983, Rosenberg et al. 1983, Sagan et al. 1987) als auch mit Gleichfeldern (Stell et al. 1993) vorgenommen. Da dabei jedoch jeweils nur wenige Tiere untersucht wurden, sind die Ergebnisse nicht repräsentativ.

2.1.4.3 Humanstudien

Akuteffekte

Humanexperimente zur Wahrnehmung von elektrischen Feldern aufgrund lokaler Exposition, vorwiegend des Unterarmes, wurden zwar für elektrische Gleich- und Wechselfelder vorgenommen (Shimizu et al. 1998, Kato et al. 1989, Chapman et al. 2005), da die Ergebnisse jedoch nicht direkt auf die Ganzkörper-Exposition beim Aufenthalt in Feldern übertragen werden können, werden sie für diese Empfehlung nicht herangezogen.

Versuche zur Wahrnehmbarkeit von elektrischen Feldern durch Menschen bei Ganzkörper-Exposition wurden vorwiegend mit elektrischen Wechselfeldern durchgeführt (Cabanes und Gary 1981, Delaplace und Reilly 1978, Deno und Zaffanella 1975); zu Gleichfeldern liegen eine Humanstudie an 48 Personen (23 Männer und 25 Frauen) im Alter von 18 Jahren bis 57 Jahren (Blondin et al. 1996) sowie eine nicht ausreichend dokumentierte Studie über die gleichzeitige Exposition einer nicht genannten Anzahl von Personen gegenüber elektrischen Gleich- und Wechselfeldern vor (Clairmont et al. 1989). Da die Wahrnehmungsbedingungen wegen der nicht periodischen Einwirkungen ungünstiger sind, ist zu erwarten, dass die Wahrnehmungsschwellen für elektrische Gleichfelder höher liegen als für Wechselfelder. Dies wird durch die Versuche grundsätzlich bestätigt. Allerdings zeigen die Untersuchungen eine Abhängigkeit der Wahrnehmungsschwellen von der herrschenden Luftionenstromdichte (Blondin et al. 1996). Bei hohen Luftionenstromdichten von 120 nA/m² wird die Wahrnehmung erleichtert, und es nähern sich die Wahrnehmungsschwellen für Gleich- und Wechselfelder an. Bei Ionenfreiheit ist die Wahrnehmungsschwelle z. B. bei einer Wahrnehmungswahrscheinlichkeit von 10 % bis zu über zweifach gegenüber einer Ionenstromdichte von 120 nA/m² erhöht. Auch mit zunehmender elektrischer Feldstärke nähern sich die Wahrnehmungsschwellen für Wechsel- und Gleichfelder zunehmend an (Blondin et al. 1996).

Wie Untersuchungen an 400-kV-HGÜ-Leitungen zeigten, können die Mittelwerte der Ionenstromdichten am Boden je nach Leiterkonfiguration, Polarität der Leiter und Witterung bei Schönwetter ca. 3 nA/m² bis 

55 nA/m² und bei Regen ca. 29 nA/m² bis 106 nA/m² betragen, wobei bei Nebel die 5 %-Werte auch über 155 nA/m² liegen können (Johnson 1983). Die Ionenproduktion wird durch die Anwesenheit elektrischer Wechselfelder von parallel geführten HWÜ-Leitungen oder Hybridleitungen nicht wesentlich beeinflusst (Maruvada und Drogi 1988).

In Fußnoten (EU Rat 1999, ICNIRP 1998) wird darauf hingewiesen, dass von den meisten Menschen statische elektrische Feldstärken unter 25 kV/m nicht als belästigend wahrgenommen werden.

Insgesamt ist die Datenlage zu biologischen Wirkungen von Entladungen in elektrischen Gleichfeldern nicht aus­reichend, um belastbare Werte für Wirkungsschwellen ableiten zu können.

Bei Hybridleitungen, also bei Leitungen, in denen HGÜ-Systeme gemeinsam mit HWÜ-Systemen geführt werden, weil sie z. B. auf denselben Tragemasten montiert sind oder HGÜ-Leitungen in Leitungskorridoren eng benachbart zu HWÜ-Leitungen geführt werden, ist in der Umwelt auch mit dem gemeinsamen Auftreten von elektrischen Gleich- und Wechselfeldern zu rechnen. Die gleichzeitige Exposition gegenüber Gleich- und Wechselfeldern wurde von Clairmont et al. (1989) untersucht. Die Ergebnisse zeigen am Beispiel der Gleichfeld-Wahrnehmung, dass die Effekte in Anwesenheit von Wechselfeldern verstärkt werden. Sie sind auch von der Polarität des Gleichfeldes abhängig (Abbildung 1).

Abb. 1: Für die Wahrnehmung des Feldes erforderliche Gleichfeld-Feldstärke in Abhängigkeit eines vorhandenen Wechsel­feldanteils (abgeleitet aus Clairmont et al. 1989); durchgehende Linie: mittlere Wahrnehmungs­schwellen für vom negativen Pol verursachte elektrische Felder; gestrichelte Linie: mittlere Wahrnehmungsschwellen für vom positiven Pol verursachte elektrische Felder

Langzeiteffekte

Langzeit-Versuche, um vermeintlich positive Wirkungen des „Schönwetter“-Gleichfeldes über Deckenelektroden in Schul- und Krankenzimmern hervorzurufen (Fischer et al. 1977, König 1986), sind fehlgeschlagen. Expositionen gegenüber elektrischen Gleichfeldern führen derzeit im Alltag außer zur Wahrnehmung zu keinen gesundheitlich relevanten Auswirkungen, weder positiv noch negativ (ICNIRP 2003). Ab Feldstärken von einigen kV/m könnten Mikroentladungen zur Belästigung und bei deutlich höheren Feldstärken zu gefährlichen Schockwirkungen führen, wie sie aufgrund elektro­statischer Aufladungen vor allem im industriellen Bereich (ohne antistatische Maßnahmen) möglich sind.

Im Gegensatz zu akuten Wirkungen, die in engem zeitlichen Zusammenhang zur Exposition stehen, sind potenzielle Langzeit-Wirkungen nur erklärbar, wenn Expositionen zu bleibenden Veränderungen führen können, die über längere Zeit erhalten bleiben und sich mit der Zeit aufsummieren und schließlich gesundheitsrelevante (stochastische und deterministische) Wirkungen zur Folge haben. Langzeitwirkungen werden daher nicht primär durch die Feldgröße der akuten Exposition, sondern durch eine Dosisgröße und eine Dosis-Wirkungs-Beziehung charakterisiert, die jedoch für elektrische Felder nicht nachgewiesen sind.

Insgesamt ergibt sich Evidenz für das Fehlen gesundheitlich relevanter Wirkungen durch die direkte Einwirkung elektrischer Gleichfelder von HGÜ-Leitungen (EN). Die Evidenz für gesundheitlich relevante Wirkungen durch indirekte Wirkungen ist bei hohen Feldstärken als überzeugend einzustufen (E3). Insgesamt ist die Datenlage zu biologischen Wirkungen von Entladungen in elektrischen Gleichfeldern aber nicht ausreichend, um belastbare Werte für Wirkungsschwellen ableiten zu können.

2.1.4.4 Epidemiologie

Es liegen keine epidemiologischen Studien zu elektrischen Gleichfeldern vor. Es fehlen daher diesbezügliche Daten (D0).

2.1.5 Langzeit-Wirkungen

Weder physikalische noch biologische Wirkmechanismen deuten auf akkumulative Effekte und auf die Existenz einer dosisabhängigen Wirkung hin. Es gibt auch keine experimentellen oder epidemiologischen Befunde, die die Grundlage für eine Dosis-Wirkungs-Beziehung bilden könnten.

Insgesamt ergibt sich Evidenz für das Fehlen einer Dosis-Wirkungs-Beziehung durch die Einwirkung elektrischer Gleichfelder (EN).

2.1.6 Gesamtbewertung der Evidenz

Insgesamt ergibt sich für elektrische Gleichfelder Evidenz dafür, dass es bei den bei HGÜ-Leitungen zu erwartenden elektrischen Feldstärken keine direkten gesundheitlich relevanten Wirkungen gibt (EN). Aufgrund von indirekten Wirkungen sind jedoch Wahrnehmung und Belästigung bei Feldstärken, wie sie im Trassenbereich von HWÜ-Leitungen zu erwarten sind, nicht auszuschließen. Die Evidenz dazu wird als überzeugend (E3) eingestuft (Tabelle 1).

Tab. 1: Evidenz für gesundheitlich relevante Wirkungen durch direkte und indirekte Einwirkung elektrischer Gleichfelder von HGÜ-Leitungen

E3 überzeugende Evidenz
EN Evidenz für Nicht-Zusammenhang
D0 keine Daten

2.2 Magnetische Gleichfelder

Magnetische Gleichfelder werden durch elektrische Gleichströme oder Materialien mit inhärenten magnetischen Eigenschaften verursacht und durch ferromagnetische Objekte so verzerrt, dass sich in deren Umfeld Zonen erhöhter und erniedrigter magnetischer Flussdichten bilden.

2.2.1 Exposition

Die Exposition gegenüber magnetischen Gleichfeldern ist dadurch charakterisiert, dass bereits der natürliche Feldpegel Werte erreicht, die es einigen Spezies ermöglichen, das magnetische Gleichfeld zur Orientierung zu nutzen. Das Erdmagnetfeld ist jedoch keineswegs konstant. Der räumliche Mittelwert hängt von der geografischen Breite ab und variiert global nach Betrag (ca. um den Faktor 2) und Richtung. Hinzu kommen, z. B. in der Nähe von Eisenerzvorkommen, noch regionale Variationen des magnetischen Erdfeldes in Bezug auf Betrag und Richtung im Bereich von ca. 100 µT mit Maximalwerten bis 1 300 µT (Wonik 1992). Im Mittel liegt die Flussdichte des natürlichen magnetischen Gleichfeldes in der Bundesrepublik Deutschland etwa bei 45 µT.

Im Alltag ist die Exposition gegenüber magnetischen Gleichfeldern keineswegs allein durch die Natur bestimmt. Magnetische Gleichfelder können durch ferromagnetische Objekte (z. B. Eisenbewehrungen im Beton, Türzargen, Heiz­körper, aber auch eisenhaltige Alltagsgegenstände) lokal erheblich erhöht werden. Die Felderhöhungen können zwar ein Mehrfaches des Mittelwertes des Erdmagnetfeldes betragen, bleiben jedoch meist deutlich unter 1 mT. Technische Quellen, wie z. B. mit Gleichstrom betriebene Bahnen und Leuchten oder batteriebetriebene Geräte, führen im Alltag ebenfalls zur Exposition gegenüber magnetischen Gleichfeldern. Hinzu kommen noch am Körper getragene Magnete, z. B. Verschlüsse in Schmuck- oder Bekleidungsstücken, die lokale Expositionen bis zu einigen 10 mT verursachen können.

In beruflichen Expositionssituationen, z. B. in Betrieben, in denen Gleichströme verwendet (z. B. Elektrolyse- oder Schweißanlagen) oder Magnethebezeuge genutzt werden, können auch wesentlich höhere Werte bis zum Tesla-Bereich erreicht werden. In der Medizin, in der die Magnetresonanztomographie (MRT) bereits zu einer etablierten und sich noch immer weiter verbreitenden Diagnosemethode geworden ist, werden hohe Expositionen mit Werten, die einige Tesla erreichen können, auch des medizinischen und technischen Personals häufiger. Die Bewertung beruflicher Expositionen ist jedoch nicht Gegenstand dieser Empfehlung. Sie wurde von der SSK an anderer Stelle vorgenommen (SSK 2003).

Die magnetischen Boden-Gleichfelder von HGÜ-Leitungen hängen außer von der Stromstärke auch von der Betriebsart (monopolar oder bipolar), dem Mastbild, der Leiterkonfiguration und dem Bodenabstand der Leiterseile ab.

Im geplanten Höchstspannungsnetz sind auch Hybridleitungen vorgesehen, auf deren Masten Gleich- und Wechselspannungssysteme gemeinsam geführt werden. Auch unter Berücksichtigung dieser Mastkonfigurationen kann festgestellt werden, dass die Größe der maximal auftretenden magnetischen Flussdichten im Variationsbereich der regional und in Wohnungen auftretenden Werte des Erdmagnetfeldes liegt (Abbildung 2).

Abb. 2: Effektivwerte der AC- (gestrichelt) und DC-Anteile (voll) der magnetischen Bodenflussdichten B_B an der Position x entlang der Breite eines D1-Mastes in AC-/DC-Hybridkonfiguration für die minimalen Leiter-Boden-Abstände 7,8 m und 10 m (Amprion 2012)

HGÜ-Erdkabel

Im Erdboden verlegte HGÜ-Kabelleitungen erzeugen magnetische Gleichfelder, die direkt über den Kabeln in der gleichen Größenordnung liegen wie bei Freileitungen, sie nehmen jedoch mit seitlichem Abstand zur Trasse wesentlich schneller ab.

2.2.2 Physikalisches Wirkmodell

Die physikalischen Wirkmechanismen magnetischer Gleichfelder sind gut bekannt. Sie beruhen primär auf der Kraftwirkung auf bewegte elektrische Ladungen (Lorentz-Kraft). Die Kraftwirkung auf gleichsinnig bewegte Ladungen unter­schiedlicher Polarität führt zur Ladungstrennung und zum Entstehen von elektrischen Spannungen bzw. Feldstärken. Ein zweiter Mechanismus beruht auf der Kraftwirkung des magnetischen Gleichfeldes auf magnetische Dipole (magneto-mechanischer Effekt), wie auf ferromagnetische Partikel (z. B. Magnetit) oder auf Atome mit einem inhärenten magnetischen Moment (z. B. Wasserstoff).

Physiologische Vorgänge (z. B. Herzschlag oder Blutstrom) oder Bewegungen des Körpers oder von Körperteilen führen im magnetischen Gleichfeld zu Lorentz-Kräften an Ladungen, die hierdurch getrennt werden können.

Ein weiterer (hypothetischer) Wirkmechanismus besteht darin, dass in ausreichend starken Feldern Enzymaktivitäten oder die Lebensdauer von freien Radikalen verändert werden. Hinweise darauf ergaben sich ab hohen Flussdichten von über 100 mT (Strelczyk et al. 2009). Hierdurch könnten u. a. Verschiebungen von chemischen Reaktionsgleich­gewichten und Beeinflussungen z. B. von Krebserkrankungen auftreten, jedoch in ambivalenter Weise, d. h. sowohl in positivem als auch negativem Sinn. Zur Erklärung wird eine Hypothese vorgeschlagen, die als „radical-pair-mechanism“ (Abbildung 3) bezeichnet wird:

Abb. 3: Schema des „radical-pair-mechanism“ (Woodward et al. 2009)

Sie beschreibt eine Beeinflussung von Reaktionen „spingekoppelter“ Radikale.

Durch die Reaktion zwischen einem Donator (D)- und einem Akzeptormolekül (A) kann es zur Bildung von Radikalpaaren kommen, bei denen sich die Elektronen im Allgemeinen im Singulettzustand befinden. Solche Radikalpaare rekombinieren meist sehr schnell. Unter dem Einfluss von ausreichend hohen Magnetfeldern könnte eine Spinkonversion induziert werden, wodurch (langlebigere) Triplettprodukte entstehen. So könnten die Rekombination behindert und die effektive Radikalkonzentration erhöht werden.

Die genauere Betrachtung zeigt eine komplexe Abhängigkeit von dem Magnetfeld (Timmel und Henbest 2004). Entscheidend hierfür ist, dass die Elektronenenergieniveaus durch die Wechselwirkung mit jenen Atomkernen, die ein magnetisches Moment besitzen, aufgespaltet werden (sogen. „Hyperfeinstruktur“). Externe Magnetfelder, die deutlich größer sind als zur Hyperfeinstrukturaufspaltung benötigt, erhöhen im Allgemeinen die Rekombinationsrate („Hochfeldeffekt“), während bei Feldstärken in der Größenordnung für eine Hyperfeinaufspaltung die Singulett-Triplett-Konversion begünstigt wird. Die Beeinflussung der Rekombinationsrate nimmt nicht mit steigender Exposition stetig zu, vielmehr erhält man ein Maximum der relativen Radikalkonzentration bei magnetischen Flussdichten um 1 mT, bei höheren Werten nimmt sie hingegen wieder ab (Timmel und Henbest 2004).

Die Existenz solcher Prozesse ist umfangreich in biochemischen Modellsystemen gezeigt worden (Eveson et al. 2000, Woodward et al. 2009), die gemessenen Erhöhungen der Radikalkonzentrationen lagen dort bei höchstens 10 %. In Anbetracht der komplexen chemischen Situation innerhalb der Zellen ist zu erwarten, dass dort die Konzentrationserhöhungen niedriger sind als im untersuchten Sonderfall. Es muss zusätzlich betont werden, dass es sich bei dem beschriebenen Mechanismus um den Spezialfall einer Wechselwirkung spingekoppelter Systeme handelt und dass dadurch nicht neue Radikale gebildet werden, sondern lediglich die Lebensdauer bestehender Radikale verlängert würde.

Insgesamt ist die Evidenz für mögliche biologisch relevante physikalische Wirkmechanismen bei ausreichend starken magnetischen Gleichfeldern als überzeugend (E3) anzusehen. Für die schwächeren magnetischen Felder von HGÜ-Leitungen fehlen jedoch Daten, sodass die Klassifizierung mit D0 vorgenommen wird.

2.2.3 Biologisches Wirkmodell

Die Erhöhung der Konzentration von reaktiven Sauerstoff-Spezies (ROS) stellt einen hypothetischen Mechanismus dar, der zu gesundheitlich relevanten Effekten führen könnte. Die dadurch möglichen chemischen Reaktionen könnten Veränderungen an wichtigen chemischen Verbindungen einschließlich der DNA bewirken. Radikale sind umso relevanter, je reaktionsfreudiger sie sind, zeichnen sich jedoch dann durch eine sehr kurze Lebensdauer aus. Um biologisch relevante Moleküle in der Zelle durch die chemische Reaktion verändern zu können, müssen sie jedoch eine aus­reichende Lebensdauer besitzen, damit sie in die unmittelbare Umgebung der Moleküle vordringen und darüber hinaus in genügend hoher Konzentration auftreten können. Ob dieser Wirkungsmechanismus starker magnetischer Gleichfelder daher im biologischen Objekt relevant werden kann, ist nicht geklärt.

Insgesamt ist die Evidenz für biologisch relevante Wirkmechanismen bei ausreichend starken magnetischen Gleichfeldern als überzeugend (E3) anzusehen. Für relevante biologische Wirkungen der schwächeren magnetischen Felder von HGÜ-Leitungen fehlen jedoch Daten, sodass die Klassifizierung mit D0 vorgenommen wird.

2.2.4 Biologische Ergebnisse

2.2.4.1 In vitro

Der Einfluss magnetischer Gleichfelder auf In-vitro-Systeme wurde zwar hinsichtlich unterschiedlicher Endpunkte unter­sucht, wie z. B. Zellorientierung, -proliferation und -stoffwechsel, Genexpression und -toxizität, dabei wurden jedoch Flussdichten betrachtet, die meist deutlich über der Stärke des Erdmagnetfeldes und somit der Felder von HGÜ-Leitungen liegen (ICNIRP 2009).

Frei bewegliche Zellen und Makromoleküle wie Kollagen und Actin können sich in Magnetfeldern über 1 T orientieren, die Relevanz in vivo ist allerdings unklar. In einer Zusammenfassung zu zellulären Wirkungen magnetischer Gleichfelder höherer Flussdichten stellt Miyakoshi (2005) fest, dass im untersuchten Flussdichtebereich 0,5 T bis 10 T genotoxische Wirkungen (Mutationen am HPRT-Locus, Verlust der Koloniebildungsfähigkeit, Induktion von Mikrokernen) nicht nachzuweisen sind. Die Weltgesundheitsorganisation sieht für Felder bis 9 T keinen Nachweis für Genotoxizität (WHO 2006a). Ausnahmen bilden Berichte über erhöhte Mutationsraten nach gleichzeitiger Exposition gegenüber chemischen Mutagenen und 2 T bis 5 T magnetischen Gleichfeldern im Ames-Test (Ikehata et al. 1999) oder über die Kombination einer 4 Gy Röntgenbestrahlung und eines 10 T magnetischen Gleichfeldes, die zu einer 10 %-igen Erhöhung der Mikrokernrate in CHO-K1-Zellen führte (Nakahara et al. 2002).

Untersuchungen im mT- und µT-Bereich führten zu uneinheitlichen, i. a. nicht reproduzierten Ergebnissen. Im Bereich über 100 mT wird über die Beeinflussung von Zellparametern wie Zelladhäsion, Proliferation und Apoptose und die Konzentration reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) berichtet (WHO 2006a, Sullivan et al. 2011). In Abhängigkeit von Zelltyp und Stoffwechselstatus führten magnetische Gleichfelder ab 0,6 mT neben einer reduzierten Makrophagen-Phagozytose zu erhöhten Apoptoseraten (WHO 2006a), zu intrazellulären Kalzium-Konzentrationen und Zellaggregationen (HPA 2008). In unreifen, nicht aber in ausdifferenzierten Hippocampus-Neuronen (Primärzellen der Ratte) beobachteten Hirai et al. (2002) nach 15-minütiger Exposition gegenüber 100 mT eine erhöhte AP1 DNA-Bindung. Eine transiente Kondensation oder Dekondensation von Chromatin wird im „Intensitäts-Fenster“ bis 110 µT beschrieben (WHO 2006a).

Flipo et al. (1998) studierten die Wirkung magnetischer Gleichfelder (25 mT bis 150 mT, 24 h) auf Mitogen-stimulierte Zellen des Immunsystems von C57BL/6-Mäusen. Sie fanden in Makrophagen eine reduzierte Phagozytose, in Lymphozyten einen erhöhten Kalziumioneneinstrom bei reduzierter Stimulierbarkeit der Mitose durch Concavalin A und in T-Zellen eine Verminderung der Apoptoserate, jedoch keine Wirkungsschwelle. Die Relevanz dieser Resultate ist unklar. Ähnliche Effekte zeigten sich auch in einer Untersuchung von Fanelli et al. (1999). Magnetische Gleichfelder zwischen 0,6 mT und 6 mT allein hatten in humanen U937-und CEM-Zellen keinen Einfluss auf apoptotische

Prozesse, sie verminderten aber die Wirkung zugesetzter Apoptose-auslösender Substanzen. Die Autoren vermuten auch hier einen Zusammenhang mit dem Kalziumionentransport. Eine Veränderung der mit Camptothecin induzierten Apoptoserate von humanen HL-60-Zellen durch Felder von 6 mT wurde von Teodori et al. (2002) nicht beobachtet, allerdings ein schnelleres Erreichen der „späten“ Apoptosephase. Auch die Arbeitsgruppe um Dini beschäftigte sich mit morpho­logischen Parametern und Veränderungen der apoptotischen Aktvität (Dini und Abro 2005, Chionna et al. 2005). Sie setzten verschiedene transformierte und nicht transformierte Zellen Feldern von 7 mT über unterschiedlich lange Zeiträume aus. Generell fanden sie Veränderungen der Zellform, der Mikrotubuli und des Zellskeletts, nicht aber der Zell­organellen. Aufgrund der geänderten Geometrie zeigten sich auch Modifikationen des Wachstumsverhaltens, ein Einfluss auf die Proliferationsrate war jedoch nicht festzustellen. Abhängig vom Zelltyp wurde auch in diesem Fall die Apoptose beeinflusst, jedoch zeigte sich keine systematische Abhängigkeit. Magnetfelder könnten die Differenzierung von Makrophagenvorläuferzellen (Pagliara et al. 2005) sowie die Phagozytose apoptotischer Zellen beeinflussen und so indirekt gesundheitlich relevante Wirkungen auslösen (Dini und Panzarini 2010). Eine Beeinflussung des Wachstums von Säugerzellen in Kultur wurde auch von Sullivan et al. (2011) berichtet. Danach verändern sich unter dem Einfluss von Magnetfeldern (35 mT bis 120 mT) Zellform und -oberflächenstruktur, sodass die Anheftung an die Kulturschalen nicht mehr optimal gewährleistet ist.

Von verschiedenen Autoren wird eine Veränderung des Kalziumstoffwechsels und des Ionentransports (s. o.) zur Erklärung gefundener Phänomene in Erwägung gezogen (s. Miyakoshi 2005). Eine direkte Messung wurde schon 1996 von Rosen mit Hilfe der „Patch-Clamp-Technik“ durchgeführt. Bei 120 mT zeigten sich Veränderungen des Ionenstroms. Nach Liboff et al. (2003) können schon 20 μT die Aktivität der Calmodulin-abhängigen Nukleotid-Phosphodiesterase in einem zellfreien Ansatz beeinflussen. Die Konzentration freier Kalziumionen im Zytosol von Leukämiezellen menschlichen Ursprungs wird allerdings nach Rozanski et al. (2009) durch Felder von 100 mT nicht verändert. Auf der anderen Seite berichten Li et al. (2012), dass schon magnetische Gleichfelder von 5 mT einen Einfluss auf den Kalziumstoffwechsel sowie das Proliferationsverhalten von vaskulären Muskelzellen in vitro haben. Nach Bekhite et al. (2012) kann die Differenzierung embryonaler Stammzellen der Maus durch 1 mT- bis 10 mT-Felder beeinflusst werden, auch hier spielt der Kalziumstoffwechsel eine Rolle. Zmyślony et al. (2000) kombinierten magnetische Gleichfelder (7 mT) mit Eisenchlorid (FeCl₂), einem schwachen Oxidationsmittel in nicht-toxischen Konzentrationen, und fanden DNA-Veränderungen. Dieselbe Arbeitsgruppe untersuchte in einer identischen Versuchsdurchführung die Wirkung auf Ratten-Lymphozyten (Jajte et al. 2002). Nur in Gegenwart von Fe²⁺-Ionen fanden sie einen Verlust der Viabilität (gemessen durch den „dye-exclusion“-Test), bei Befeldung allein ergab sich kein Effekt. Da gleichzeitig eine Erhöhung der Lipidperoxidierung gemessen wurde, ist nach Meinung der Autoren die Beteiligung von Sauerstoffradikalen als wahrschein­lich anzusehen, deren Konzentration durch die Felder wegen des Einflusses auf die Radikallebensdauer erhöht sein könnte. Radikalreaktionen sollen sogar durch μT-Felder beeinflussbar sein (Martino 2011, Martino und Castello 2011, Martino et al. 2010).

Belton et al. (2011) fanden, dass durch magnetische Gleichfelder (100 mT) die Synthese von durch Wärmeinwirkung induzierten Hitzeschockproteinen (hsp 70) nicht beeinflusst wird.

In Experimenten mit Magnetfeldern im Bereich um 10 mT wurde eine Verstärkung der Wirkung von Pharmaka beobachtet, was die Autoren u. a. auf Veränderungen der Membranpermeabilität zurückführen (Sun et al. 2012, Liu et al. 2011, Chen et al. 2010, Hao et al. 2011). Eine synergistische Wechselwirkung bei Exposition gegenüber Gammastrahlen und Magnetfeldern (15 mT) wird von Sarvestani et al. (2010) berichtet.

Darüber hinaus gibt es eine Reihe von Berichten über biopositive Einflüsse magnetischer Gleichfelder, allerdings nicht in Säugerzellen, sondern in Insekten (Todorović et al. 2012, 2013), Algen (Small et al. 2012) und höheren Pflanzen (Shine et al. 2011, 2012). Es wird berichtet, dass Magnetfelder von 150 mT bis 200 mT das Wachstum von Sojapflanzen begünstigen.

McCann et al. (1998) stellten in einem Review über Genotoxizität magnetischer Gleichfelder fest, dass bis 1998 keine der 34 Arbeiten, in denen positive Wirkungen mitgeteilt wurden, strengen wissenschaftlichen Kriterien standhält. Sie sehen daher keine hinreichende Evidenz für das Vorliegen genotoxischer Effekte. An dieser Einschätzung hat sich seither nichts geändert. Eine Metaanalyse der bis 2006 veröffentlichten Studien kommt zwar zum Schluss, dass in Bezug auf die Wechselwirkung zytotoxischer Substanzen und magnetischer Gleichfelder positive Befunde überwiegen, jedoch ist die Datenlage dafür bei Feldern unter 0,1 mT nicht überzeugend (Juutilainen et al. 2006). Die Einschätzung, dass es keine Evidenz für einen direkten Effekt des magnetischen Gleichfeldes auf die (Zell-)Mutationsraten, Chromosomenaberrationen oder DNA-Schädigungen gibt, wird auch von der britischen Health Protection Agency (HPA 2008) geteilt. Wurden genotoxische Effekte beobachtet, waren diese transient (SCENIHR 2009, Potenza et al. 2010).

Die zusammenfassenden Stellungnahmen nationaler und internationaler Organisationen beschäftigen sich nur am Rande mit möglichen Auswirkungen niedriger Flussdichten magnetischer Gleichfelder. Die Health Protection Agency (HPA) klammert in ihrer Diskussion über magnetische Gleichfelder den Bereich niedriger Flussdichten dezidiert aus (HPA 2008). In der umfangreichen Monographie der International Agency for Research on Cancer (IARC 2002) wird In-vitro-Effekten nur geringer Raum eingeräumt.

Umfassende Untersuchungen der Genaktivität unter dem Einfluss schwacher magnetischer Gleichfelder fehlen. Unklar ist, ob sich aus den beschriebenen Einflüssen schwacher Felder auf den Kalziumstoffwechsel und den Ionentransport gesundheitlich relevante Auswirkungen ableiten lassen.

Die Evidenz für aus In-vitro-Untersuchungen abzuleitende gesundheitlich relevante Effekte von magnetischen Gleichfeldern von HGÜ-Leitungen ist somit insgesamt als unzureichend anzusehen (E0).

2.2.4.2 In vivo

Tierexperimentelle Untersuchungen konzentrieren sich häufig auf Flussdichten über 1 T, um potenzielle Auswirkungen von magnetischen Gleichfeldern der medizinisch-diagnostischen Magnetresonanztomographie (MRT) zu untersuchen. Bei Labornagern lässt das ausgelöste Aversionsverhalten auf eine Belästigung durch magnetische Gleichfelder über 4 T schließen (WHO 2006a, ICNIRP 2009, SCENIHR 2009, Houpt et al. 2011). Magnetische Gleichfelder über 100 mT induzieren elektrische Potenziale entlang der großen Blutgefäße und im Herzmuskel (WHO 2006a). Dennoch wurden bei Schweinen selbst bei Expositionen bis 8 T keine adversen kardiovaskulären Effekte beobachtet (Kangarlu et al. 1999).

Eine zweistündige Vor-Exposition gegenüber 250 mT erhöhte bei männlichen BALB/cByJ-Mäusen die Überlebensrate von 10 % auf über 40 % bei einer durch Lipopolysaccharide (LPS) induzierten systemischen Blutung (Thrombohaemorrhagie), die bei der gewählten Dosis (50 mg LPS ip) durch septischen Schock zumeist zum Tod der Tiere führte (Lin et al. 2009). Keine oder eine nur einstündige Vorbehandlung verbesserten die Überlebensrate nicht. Weitere Ergebnisse zur Beeinflussung des Blutflusses und der Ödembildung bei Ratten, Kaninchen und Hamstern durch magnetische Gleichfelder im Bereich von 0,3 mT bis 500 mT sind widersprüchlich (SCENIHR 2009). Widersprüchliche Ergebnisse lieferten auch Untersuchungen zur Beeinflussung des Endokrinums (von 40 µT bis 60 mT) und zu den Effekten auf Blutzellen und das hämatopoetische System im mT- bis T-Bereich (WHO 2006a).

Untersuchungen an Säugern zu Fortpflanzung und Entwicklung in magnetischen Gleichfeldern im mT-Bereich gibt es bis auf eine Ausnahme (30 mT; Mevissen et al. 1994) nicht. Untersuchungen am Modell-Nematoden C. elegans nach Expositionen gegenüber 0 mT, 10 mT, 30 mT, 50 mT, 100 mT, 150 mT und 200 mT zeigten eine verkürzte Entwicklungsdauer der verschiedenen Larvenstadien nach einer dreitägigen 150 mT-Exposition. Bereits bei einer magnetischen Induktion von 50 mT wurde die Expression entwicklungsbiologisch relevanter Gene identifiziert (Hung et al. 2010).

Zur In-vivo-Genotoxizität und Kanzerogenität lassen die vorliegenden Einzelstudien keine eindeutigen Schlussfolgerungen zu (IARC 2002, WHO 2006a). Die von Amara et al. (2011) beschriebenen Hinweise zu DNA-Schäden durch oxidativen Stress in Cortex und Hippocampus von Ratten infolge einer kombinierten 4-wöchigen Exposition gegenüber CdCl₂ (40 mg/L) und einem magnetischen Gleichfeld (128 mT, 1 h/d) sind nicht eindeutig dem Feld zuzuordnen, da identische Schäden auch nach alleiniger CdCl₂-Gabe auftraten. Der gegen Ende einer dreißigtägigen Selengabe (0,2 mg/L Na₂SeO₃ im Trinkwasser) durch die fünftägige kombinierte Exposition von Ratten im magnetischen Gleichfeld (128 mT, 1 h/d) induzierte oxidative Stress könnte durch die Selen-Vorbehandlung verhindert worden sein (Ghodbane et al. 2011).

Die Untersuchungen zur besseren Heilung von durch Diabetes verursachten Wunden bei Ratten durch ein magnetisches Gleichfeld mit 180 mT (Da Jing et al. 2010) sind trotz präziser experimenteller Beschreibung histopathologisch unzureichend dokumentiert und somit im Ergebnis nicht nachvollziehbar. Berichte über die Stimulation der Knochenbildung, ebenfalls im mT-Bereich (WHO 2006a), sind bisher nicht ausreichend reproduziert worden.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass Gleichfelder über 4 T bei Tieren belästigend wirkten. Kardio­vaskuläre Effekte wurden bis 8 T nicht beobachtet. Im mT-Bereich liegen widersprüchliche und nicht reproduzierte Ergebnisse zur Beeinflussung von Endokrinum, Blutzellen und hämatopoetischem System vor. Bezüglich Genotoxizität und Krebserkrankungen lassen die vorliegenden Daten vom mT- bis T-Bereich keine belastbaren Schlussfolgerungen zu (siehe auch SSK 2012).

Die Evidenz aus In-vivo-Untersuchungen für gesundheitliche Risiken aufgrund der Exposition gegenüber magnetischen Gleichfeldern von HGÜ-Leitungen ist daher insgesamt als unzureichend (E0) einzustufen.

Anmerkung: Mögliche Auswirkungen magnetischer Gleichfelder auf Tiere (z. B. Zugvögel, Fische) werden in dieser Empfehlung nicht betrachtet. Sie sind z. B. in der BMU-Studie (2011) behandelt worden.

2.2.4.3 Humanstudien

Es gibt vergleichsweise wenig experimentelle Humanstudien zu möglichen gesundheitlichen Auswirkungen magnetischer Gleichfelder in der Größenordnung, wie sie bei HGÜ-Leitungen auftreten. Untersuchungen mit getakteten magnetischen Gleichfeldern (z. B. Feld 2 s an/2 s aus) bleiben hier wegen der dabei auftretenden Induktionswirkungen unberücksichtigt.

Die Europäische Union kommt in ihrem Review (SCENIHR 2009) zu dem Schluss, dass die Datenlage für eine belastbare Risikobewertung magnetischer Gleichfelder nicht ausreicht. Die WHO (2006a) stellte unter Hinweis auf die große Heterogenität der Studien hinsichtlich des untersuchten magnetischen Feldes (reines statisches Feld bzw. MRT-Exposition bis zu 8 T), der Expositionsdauer (wenige Sekunden bis zu neun Stunden), der betrachteten Endpunkte sowie der gewöhnlich geringen Fallzahlen fest, dass Effekte magnetischer Gleichfelder auf neurophysiologische Reaktionen und kognitive Funktionen auf unbewegte Probanden weder nachgewiesen wurden noch ausgeschlossen werden können. Auch die Health Protection Agency (HPA 2008) betont in ihrem Bericht, dass die Datenlage begrenzt ist. Bei Feldern über 2 T wurden bei einigen Personen transiente sensorische Effekte beobachtet,

die jedoch z. T. im Zusammenhang mit Bewegungen im Feld stehen (WHO 2006a, HPA 2008). Die akute transiente Beeinflussung kognitiver Funktionen durch Kopfbewegungen im Streufeld von 7 T-MRT-Geräten wird durch neuere Untersuchungen bestätigt (van Nierop et al. 2012). Die ICNIRP (2009) stellt fest, dass sich bei akuten Expositionen von sich nicht bewegenden Probanden in Feldern bis zu 8 T keine Hinweise auf gravierende Gesundheitseffekte ergeben haben. Bei Kopf- oder Körperbewegungen im Feld können unangenehme sensorische Effekte wie Übelkeit und vorübergehende Leistungsminderungen auftreten (ICNIRP 2009).

Die wenigen aus Humanstudien vorliegenden Ergebnisse zum Einfluss von magnetischen Gleichfeldern bis in den Tesla-Bereich auf neuropsychologische Parameter (Reaktionszeit, visuelle Verarbeitung, Arbeitsgedächtnis und Hand-Augen-Koordination) sind von Heinrich et al. (2011) in einer Meta-Analyse bewertet worden. Von den berücksichtigten neuropsychologischen Variablen zeigte lediglich das visuelle System übereinstimmend eine signifikante Beein­flussung durch magnetische Gleichfelder. Vitalparameter waren nicht betroffen, während Schwindel und Übelkeit im Wesentlichen bei Bewegung im Feld auftraten. Diese Analyse wurde von de Vocht et al. (2012) hinsichtlich ihrer Methodik stark kritisiert.

In Tabelle 2 sind Humanstudien mit magnetischen Gleichfeldern mit Flussdichten bis 400 mT zusammengefasst. Sie betreffen mit einer Ausnahme (Winther et al. 1999) akute bzw. Kurzzeiteffekte (< 1 h) und lassen keine statistisch signifikanten Einflüsse von magnetischen Gleichfeldern auf das kardiovaskuläre System, die Hautdurchblutung, akustische und vestibuläre Funktionen des Innenohres, sensorische Effekte und kognitive Funktionen erkennen. Generell weisen insbesondere die älteren Studien Schwächen in der dosimetrischen Charakterisierung auf. Überdies sind die Stichproben in den Studien mit wenigen Ausnahmen klein, was bei großer individueller Variation insbesondere bei Parallelgruppendesign zu einer geringen Belastbarkeit (statistischen Power) führen kann.

Bei Studien zu therapeutischen Effekten von magnetischen Gleichfeldern geringerer Flussdichte liegt der Fokus auf der Therapie von schmerzhaften Erkrankungen; die Expositionsverhältnisse und exponierten Körperregionen variieren, ebenso die Expositionsdauer (Minuten bis Wochen) und die Flussdichten an der Hautoberfläche (15 mT bis 200 mT). In wenigen Studien wurden auch objektivere Indikatoren der neurologischen Funktion untersucht. Insgesamt werden die Ergebnisse als inkonsistent bewertet: In einer neueren Übersicht über Schmerztherapie kommen Salomonowitz et al. (2011) zu dem Ergebnis, dass bei Anwendung strenger Richtlinien für die wissenschaftliche Beurteilung kein schmerztherapeutischer Effekt nachweisbar ist. Eine ältere Übersicht, die auch andere Endpunkte der Magnetfeld­behandlung einschließt (Colbert et al. 2009), kommt zum Schluss, dass in 61 % der berücksichtigten Studien die dosimetrische Charakterisierung unzureichend ist. Trotz der großen Verbreitung von therapeutischen Magnetfeld­geräten wie z. B. Magnetfeldmatten legt die Richtlinie des Gemeinsamen Bundesausschusses zu Untersuchungs- und Behandlungsmethoden der vertragsärztlichen Versorgung (G-BA 2012) fest, dass die Magnetfeldtherapie ohne Verwendung implantierter Spulen zu den Methoden gehört, die nicht als vertragsärztliche Leistungen zulasten der Krankenkassen erbracht werden dürfen.

Angesichts des Umstandes, dass in den vorliegenden Humanstudien selbst bei höheren magnetischen Gleichfeldern keine direkten gesundheitlich relevanten Effekte gefunden werden konnten, kann davon ausgegangen werden, dass diese auch bei Exposition gegenüber magnetischen Gleichfeldern von HGÜ-Leitungen nicht zu erwarten sind. Für gesundheitlich relevante Auswirkungen magnetischer Gleichfelder von HGÜ-Leitungen aus den Humanstudien gibt es keine bzw. unzureichende Evidenz (E0).

2.2.4.4 Epidemiologie

Epidemiologische Studien über mögliche gesundheitliche Auswirkungen magnetischer Gleichfelder liegen über exponierte Arbeiter (z. B. Schweißer, Arbeiter in Aluminiumschmelzen etc.) und schwangere Assistentinnen bei der Magnet­resonanz-Bildgebung vor (ICNIRP 2003, 2009, WHO 2006a). Es wurden zwar für einige Krebsentitäten erhöhte Krebsrisikoschätzer ermittelt, die jedoch insgesamt kein konsistentes Bild ergaben. Eine Metaanalyse von 15 epidemio­logischen Studien über Kinderleukämie und eine mögliche Beeinflussung durch das Erdmagnetfeld ergab keine signifikanten Ergebnisse. Allerdings hat sich die Erhebung der Exposition gegenüber dem Erdmagnetfeld nur auf den geografischen Mittelwert bezogen und lokale Variationen außer Acht gelassen (Swanson und Kheifets 2012). Wegen der zusätzlich einwirkenden gesundheitsbeeinträchtigenden Kofaktoren und methodischen Schwierigkeiten ist die Daten­lage als unzureichend (D1) einzustufen.

Tab. 2: Humanstudien zu Effekten magnetischer Gleichfelder (< 400 mT)

2.2.5 Langzeit-Wirkungen

Unter Langzeit-Wirkungen werden die sich über die Zeit summierten Wirkungen von Expositionen verstanden.

Im Bereich magnetischer Gleichfelder ist eine Dosis-Wirkungs-Beziehung bisher nicht nachgewiesen. Aus physika­lischen Gründen wäre jedoch grundsätzlich von der Existenz von Wirkungsschwellen auszugehen.

Für auf Kraftwirkungen beruhende Mechanismen, die akut an das Vorhandensein des Feldes gebunden sind, sind keine dosisabhängigen Wirkungen anzunehmen. Bei feldinduzierten Veränderungen der Konzentration von

Radikalen sind akkumulative Effekte theoretisch zwar nicht grundsätzlich auszuschließen, aus der vorhandenen Datenlage lässt sich jedoch insgesamt keine Dosis-Wirkungs-Beziehung ableiten. Die Evidenz dafür wird daher als unzureichend (E0) ein­gestuft.

2.2.6 Gesamtbewertung der Evidenz

Für Expositionen gegenüber magnetischen Gleichfeldern von HGÜ-Leitungen gibt es keine ausreichende Evidenz für einen Zusammenhang mit relevanten gesundheitlichen Auswirkungen. Die International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection kommt zu dem Schluss (Zitat S. 507): „Overall there is little convincing evidence from cellular and cell-free models of biologically harmful effects of exposure to magnetic fields with flux densities up to several teslas“ (ICNIRP 2009).

Die magnetischen Gleichfelder von HGÜ-Leitungen gehen über den Variationsbereich des Erdmagnetfeldes nicht hinaus. Die gesicherten Wechselwirkungsmechanismen lassen keine gesundheitsrelevanten Wirkungen erwarten. Die Existenz und Relevanz hypothetischer Wirkungsmechanismen konnten für magnetische Gleichfelder in der Höhe der von HGÜ-Leitungen verursachten Emissionen durch experimentelle Studien nicht belegt werden. Insgesamt ist daher die Evidenz für gesundheitlich relevante Auswirkungen von Expositionen gegenüber magnetischen Gleichfeldern von HGÜ-Leitungen als nicht vorhanden bzw. unzureichend (E0) einzustufen (Tabelle 3).

Tab. 3: Evidenz für eine gesundheitsrelevante Wirkung magnetischer Gleichfelder von HGÜ-Leitungen

E0 keine bzw. unzureichende Evidenz für Zusammenhang
D1 unzureichende Daten
D0 keine Daten

2.2.7  Indirekte Wirkungen

Magnetische Gleichfelder können auf ferromagnetische Teile Kräfte ausüben. In stark inhomogenen Feldern können dabei Beschleunigungen verursacht werden, die zu Gefährdungen führen könnten. Aus diesem Grund wird z. B. der Zutritt zu MRT durch Metallsuchschleusen gesichert.

Implantierte Herzschrittmacher können durch magnetische Gleichfelder im mT-Bereich in einen festfrequenten Überprüfungsmodus umgeschaltet werden. Die bestehenden Sicherheitsvorschriften EN 45502-2-1 (DIN 2003) fordern jedoch eine Störfestigkeit bis zu 1 mT. Die Sicherheitsbestimmungen EN 60601-2-33 (DIN 2011) erlauben den Zutritt von Herzschrittmacherpatienten in Bereiche bis zu Flussdichten von 0,5 mT.

Da die magnetischen Gleichfelder selbst in Spannfeldmitte von HGÜ-Freileitungen deutlich unter den Werten liegen, bei denen relevante indirekte Wirkungen auf Herzschrittmacher auftreten können, sind diese im Bereich der Leitungstrasse zu vernachlässigen.

2.3 Ionen, Ozon und Stickoxide

Durch die hohen elektrischen Feldstärken und die dadurch bewirkten elektrischen Funkenentladungen an den Leiterseilen (Koronaeffekt) kommt es zu einer Ionisierung von Luftmolekülen und zur Erzeugung von Ozon und Stickoxiden (NO_x).

Die Höhe des im Freien auftretenden natürlichen Ozonpegels unterliegt jahreszeitlichen Schwankungen und beträgt in den Wintermonaten ca. 60 µg/m³ bis 80 µg/m³ (30 ppb bis 40 ppb) und in den Sommermonaten ca. 100 µg/m³ bis 120 µg/m³ (50 ppb bis 60 ppb) (DWD 2000).

Die durch HWÜ-Leitungen (400 kV bis 600 kV, zwei stromführende Leiterseile) verursachten Ozonkonzentrationen wurden in Bodennähe bei allen experimentellen Bedingungen mit Werten unter 20 µg/m³ (10 ppb) gemessen (Droppo et al. 1979). Daraus wurde die maximale Produktionsrate (Quellstärke) mit 14 µg/(s·m) errechnet. Die natürliche Variabilität der Ozonkonzentration wurde mit ± 10 µg/m³ (5 ppb) angegeben (Droppo et al. 1979).

Ähnliche Werte ergeben sich aufgrund von Berechnungen mit maximal 775-kV-Leiterspannung (siehe Anhang B). Bei einer konservativen Betrachtung wurden als bodennaher Zusatzeintrag durch HGÜ-Leitungen (zwei stromführende Leiterseile) für Ozon 0,8 µg/m³ (0,4 ppb) und für Stickoxide 0,04 µg/m³ (0,02 ppb) berechnet.

In unmittelbarer Nähe (1 mm bis 2 mm) der Leiterseile von HGÜ-Leitungen können NO_x-Konzentrationen im ppm-Bereich auftreten, die jedoch durch atmosphärische Verdünnung schnell verringert werden und in Bodennähe nur noch unwesentlich zur Hintergrundkonzentration beitragen (Chen und Davidson 2002).

2.3.1 Physikalisches Wirkmodell

Zu Koronaentladungen kommt es an der Oberfläche der Leiterseile der HGÜ-Leitung als Folge von Stoßionisationen nach Überschreiten der Durchschlagsfestigkeit der Luft. Im Entladungskanal entsteht dabei heißes Plasma, das sich auch durch Aussendung von Licht (Funke) bemerkbar macht und die Aufspaltung von molekularem Sauerstoff (O₂) sowie die Bildung von Ozon (O₃) und Stickoxiden (NO_x) bewirkt.

2.3.2 Biologische Wirkungen und Immissionsbegrenzung

Ozon

Die biologische Wirkung des Ozons wird durch seine extreme Reaktionsbereitschaft geprägt. In ausreichender Dosis kann es transiente funktionelle und entzündliche Veränderungen in der Lunge verursachen (Samet et al. 2001). Zellmembranen, an denen Ozon eine Peroxidation von ungesättigten Fettsäuren auslöst, sind die Hauptangriffspunkte. DNA-Veränderungen wurden experimentell nachgewiesen. Durch seine niedrige Wasserlöslichkeit wird Ozon in den oberen Atemwegen kaum zurückgehalten, dringt somit in die unteren Atemwege vor und kann dort die Zellmembranen der Bronchialepithelien und Alveolarzellen schädigen. Eingeatmetes Ozon wird zu etwa 50 Prozent von der Lunge absorbiert. Die Geruchsschwelle liegt bei 40 µg/m³ bis 50 µg/m³ (20 ppb bis 25 ppb). Nimmt die Konzentration in der Luft allerdings langsam zu, wird das Ozon durch Riechen nicht mehr wahrgenommen⁶.

Ab 140 µg/m³ (70 ppb) wurde beim Erwachsenen eine Hyperreagibilität der Atemwege beobachtet. Auch erhöht sich die Empfindlichkeit der Atemwege gegenüber unspezifischen Reizen (z. B. Staub) und Allergenen (z. B. Pollen beim Pollenasthmatiker). Hinzu kommt eine Verminderung der Abwehr gegen Infekte des Atemtraktes. Eine Übersicht zu den Wirkungen von Ozon und Bewertung der gesundheitlichen Risiken ist folgenden Publikationen zu entnehmen (VDI 2001, Englert 2000, WHO 2006b).

Die von HGÜ-Leitungen in worst-case-Abschätzung (s. Anhang B) erzeugten bodennahen Ozonkonzentrationen liegen weit unterhalb von Konzentrationen, die beim Menschen akute Wirkungen hervorrufen.

Stickoxide (NO_x)

NO₂ (als Hauptkomponente der Stickoxide (NO_x)) ist stark atemwegsirritierend und stellt einen Risikofaktor für die Manifestation von Asthma dar. NO₂ gelangt wie Ozon bis in die Lungenalveolen. Analog führt es dort über seine Reaktionsprodukte mit der „epithelial lining fluid“ zu Lipidperoxidation, Membranschäden und sekundären Entzündungsprozessen (Kraft et al. 2005). Kurzfristige Belastungen gegenüber 1 mg/m³ bis 2 mg/m³ (0,5 ppm bis 1 ppm) können bei Gesunden zu einer Verschlechterung der Lungenfunktion führen. Vorgeschädigte können vergleichbare Effekte schon bei deutlich niedrigeren Konzentrationen 0,4 bis 0,5 mg/m³ (0,2 ppm bis 0,25 ppm) zeigen. Die individuelle Empfindlichkeit ist − wie beim Ozon − sehr unterschiedlich. Übersichten finden sich bei ÖAW 1998, WHO 2003, Kraft et al. 2005, WHO 2006b und EPA 2008.

Immissionsbegrenzung

Der Immissions-Zielwert für Ozon ist in der 39. BImSchV (2010) mit 120 μg/m³ (60 ppb) als höchster 8-Stundenmittelwert festgelegt, von der WHO (2011) wird als Leitwert 100 μg/m³ (50 ppb) für einen 8-Stundenmittelwert angegeben. Der Immissionsgrenzwert für das NO₂, als Hauptkomponente der Stickoxide, ist mit 40 μg/m³ (21 ppb) für das Jahresmittel und mit 200 μg/m³ (105 ppb) für das 1-Stundenmittel festgelegt (39. BImSchV 2010). Diese Werte entsprechen den Empfehlungswerten der WHO (2011).

Die Strahlenschutzkommission beschränkt sich in dieser Empfehlung auf die größenmäßige Abschätzung und den Vergleich mit den hier angegebenen Immissions-Grenz- und -Zielwerten. Es kann festgestellt werden, dass die Grenzwerte mit Abstand eingehalten werden.

3 Bewertung

Die Strahlenschutzkommission kommt zum Schluss, dass auch nach Bewertung der neueren wissenschaftlichen Literatur durch die bei Hochspannungs-Gleichstromübertragungsleitungen anzunehmenden magnetischen Gleichfelder keine direkten gesundheitlich relevanten Auswirkungen auf die Allgemeinbevölkerung zu erwarten sind. Die Expositionen gegenüber magnetischen Gleichfeldern liegen selbst direkt in Trassenmitte im Bereich der in der Natur und in der Wohnumwelt auftretenden Werte. Die maximal zu erwartenden magnetischen Flussdichten liegen somit um Größenordnungen unterhalb der bestehenden internationalen Grenzwertempfehlungen für die Allgemeinbevölkerung von 400 mT (ICNIRP 2009) bzw. 40 mT (EU Rat 1999). Indirekte Wirkungen bei Herzschrittmacherpatienten durch Umschaltung des Implantats in den festfrequenten Überprüfungsmode sind unter HGÜ-Leitungen nicht zu erwarten, weil die magnetischen Immissionen mit großem Abstand unter der Immunitätsschwelle von 500 µT bleiben (DIN 2003).

Elektrische Gleichfelder können nicht in das Körperinnere eindringen und daher dort keine gesundheitlichen Beeinträchtigungen hervorrufen (Evidenz EN). Wirkungen an der Körperoberfläche, z. B. Kraftwirkungen auf Haare oder Mikroentladungen sowie indirekte Wirkungen infolge von Funkenentladungen auf oder von Objekten, sind jedoch bei elektrischen Feldstärken nachgewiesen, wie sie unter HGÜ-Leitungen zu erwarten sind.

Im Zuge der Energiewende sollen HGÜ-Leitungen entstehen, die in der Umwelt elektrische Gleichfelder in relevanter Höhe erzeugen könnten und die es grundsätzlich erforderlich machen, auch elektrische Gleichfelder zu begrenzen und somit zum Schutz der Bevölkerung den Netzbetreibern konstruktive Rahmenbedingungen vorzugeben.

Für elektrische Wechselfelder ab 1 Hz wurde von der ICNIRP (2010) der Schutz vor gesundheitsbeeinträchtigenden Wirkungen empfohlen, (Zitat S. 827) „the electric field reference levels for general public exposure up to 10 MHz prevent adverse indirect effects (shocks and burns) for more than 90 % of exposed individuals“. Der Referenzwert für die allgemeine Bevölkerung für die Frequenzen 1 Hz bis 50 Hz beträgt 5 kV/m.

Ob sich die Wahrnehmung elektrischer Gleichfelder in relevantem Ausmaß von elektrischen Wechselfeldern unter­scheidet, kann anhand der experimentellen Ergebnisse diskutiert werden, wobei nur wenige Studien vorliegen. Die Resultate weisen darauf hin, dass die Wahrnehmbarkeit der elektrischen Gleichfelder im Vergleich zu Wechselfeldern bei niedrigen Feldstärken zwar tendenziell geringer ist, sie nähert sich jedoch mit zunehmender Luftionendichte und auch mit zunehmender Feldstärke jener von Wechselfeldern an.

Angesichts der zu erwartenden Immissionen durch elektrische und magnetische Felder von HGÜ-Leitungen und bestehender Regelungslücken spricht die SSK folgende Empfehlungen aus:

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Die SSK empfiehlt, die elektrischen Gleichfelder von HGÜ-Leitungen mit dem Ziel der Vermeidung gesundheitlicher Beeinträchtigungen oder erheblicher Belästigungen zu begrenzen und bei multipler Exposition durch elektrische Gleich- und Wechselfelder eine gewichtete Summation der Einzelbeiträge vorzunehmen.

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Die Angabe von belastbaren Schwellenwerten für Wahrnehmungs-, Belästigungs-, Schmerz- und Gefährdungs­effekte ist im Hinblick auf die begrenzte Datenlage, insbesondere hinsichtlich der Anzahl der untersuchten Personen und der Einflüsse von Kofaktoren wie z. B. Ionendichte, derzeit nicht möglich. Die SSK empfiehlt daher die Durchführung weiterer Forschungsprojekte zur Wahrnehmung vor allem in Form von Humanstudien unter gut kontrollierten Bedingungen.

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Die SSK empfiehlt, die Netzbetreiber darauf hinzuweisen, mögliche Sekundäreffekte (z. B. Elektroschocks durch Entladung zu oder von leitfähigen Strukturen) durch geeignete, primär konstruktive Abhilfemaßnahmen zu unterbinden.

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Die SSK weist auf die Notwendigkeit des Schutzes von Personen mit magnetisch aktivierbaren Implantaten hin. Um z. B. eine Störbeeinflussung von Herzschrittmachern sicher auszuschließen, wird eine Begrenzung der magnetischen Flussdichte auf 500 µT empfohlen.

AC

alternating current (Wechselstrom)

AP1

Aktivator Protein-1

BALB/cByJ-Mäuse

Mausstamm

C57BL/6-Mäuse

Mausstamm

CEM-Zellen

T-Lymphozyten-Zell-Linie

CHO-K1-Zellen

Ovarien-Fibroblasten vom chinesischen Hamster

DC

direct current (Gleichstrom)

DNA

Desoxyribonukleinsäure

HDÜ

Hochspannungs-Drehstromübertragung

HGÜ

Hochspannungs-Gleichstromübertragung

HL-60-Zellen

humane Leukämie-Zell-Linie

HPA

Health Protection Agency

HPRT

Hypoxanthin-Phosphoribosyl-Transferase

HWÜ

Hochspannungs-Wechselstromübertragung

ICNIRP

International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection

MRT

Magnetresonanztomographie

MSNA

muskuläre sympathische Nervenaktivität

ppb

parts per billion
1 ppb Ozon entspricht 2 µg/m³

ROS

reactive oxygen species

SCENIHR

European Commission, Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks

SSK

Strahlenschutzkommission

U937-Zellen

menschliche leukämische Monozyten-Zelllinie

WAIS

Wechsler Adult Intelligence Test

WHO

World Health Organization

Abb. 1

Für die Wahrnehmung des Feldes erforderliche Gleichfeld-Feldstärke in Abhängigkeit eines vorhandenen Wechselfeldanteils (abgeleitet aus Clairmont et al. 1989).

Abb. 2

Effektivwerte der AC- (gestrichelt) und DC-Anteile (voll) der magnetischen Bodenflussdichten B_B an der Position x entlang der Breite eines D1-Mastes in AC-/DC-Hybridkonfiguration für die minimalen Leiter-Boden-Abstände 7,8 m und 10 m (Amprion 2012).

Abb. 3:

Schema des „radical-pair-mechanismus“ (Woodward et al. 2009)
Woodward JR, Foster TJ, Jones AR, Salaoru AT, Scrutton NS. Time-resolvedstudies of radical pairs. Biochem Soc Trans. 2009 Apr 37(Pt 2):358-62 © Portland Press Limited and the International Federation for Cell Biology

Abb. A1:

Modellgeometrie zur Berechnung der Konzentrationsüberhöhung. Die von der Linienquelle erzeugten Schadstoffe werden durch Konvektion in Windrichtung und durch Turbulenz in vertikale Richtung transportiert.

Abb. A2:

Überhöhung der bodennahen Ozonkonzentration als Funktion des Abstandes von der Trasse.

Abb. A3:

Windrose am Standort Hannover. Modifiziert.

Abb. A4:

Maximale Überhöhung der bodennahen Ozonkonzentration als Funktion des zugehörigen Abstandes von der Trasse.

Durch die hohen elektrischen Feldstärken (Koronaeffekte) und eine damit verbundene Ionisierung von Luftmolekülen werden beim Betrieb von HGÜ-Leitungen Ozon und Stickoxide erzeugt. Für die Berechnung der dadurch bedingten bodennahen Schadstoffzusatzbelastung in der Umgebung von HGÜ-Leitungen ist die Kenntnis der Produktionsrate pro Streckenlänge erforderlich. Daten hierzu sind einer umfangreichen Untersuchung von Roach (1973) zu entnehmen. Die Werte der Quellstärke Q liegen im Bereich zwischen 1 µg/(s·m) und 30 µg/(s·m) je nach Betriebsspannung der Übertragungsleitung (230 kV bis 775 kV) und Witterungsbedingungen. Ähnliche Werte findet man auch bei Chen und Davidson (2002). Für Stickoxide sind die Erzeugungsraten etwa einen Faktor 10 geringer. Weitere Einflussgrößen auf die Ozon- bzw. Stickoxidkonzentration sind die Höhe z_S der Leitungen, die Windgeschwindigkeit u und die Windrichtung θ sowie die Ausbreitungsklassen der bodennahen Luftschicht. Sie bestimmen die Turbulenz und damit den vertikalen Schadstoffaustausch.

Zur Abschätzung des Umwelteinflusses ist die Berechnung der Schadstoffkonzentration am Erdboden ausreichend. Dazu kann man von dem in Abbildung A1 dargestellten Szenario einer in y-Richtung unendlich ausgedehnten Linienquelle ausgehen. Die Anzahl der stromführenden HGÜ-Leitungen ist hier beispielshaft gleich zwei.

Abb. A1: Modellgeometrie zur Berechnung der Konzentrationsüberhöhung. Die von der Linienquelle erzeugten Schadstoffe werden durch Konvektion in Windrichtung und durch Turbulenz in vertikale Richtung transportiert.

Die Konzentrationsüberhöhung am Boden als Funktion des Abstands x_r von der Stromtrasse kann näherungsweise durch Anwendung des Gauß’schen Fahnenmodells berechnet werden (Esplin 1995):

Die Werte der für die Berechnungen benötigten sogenannten Dispersionsparameter g und G hängen von der Turbulenz ab und sind in Tabelle A1 gelistet.

Tab. A1: Dispersionsparameter nach TA-Luft (1986) für Quellhöhen kleiner als 50 m

Sehr labil bedeutet hohe Turbulenz, sehr stabil geringe Turbulenz.

Die nachfolgende Abbildung A2 zeigt den Verlauf der bodennahen Ozonkonzentrationsüberhöhung als Funktion des Abstandes von der Trasse. Hier wurde von 2 Leitungen in einer Höhe von 8 m und einer maximalen Quellstärke je Leitung von 30 µg/(m·s) ausgegangen. Es wurde ein mittlerer Wert für θ von 22,5° gewählt, was beispielsweise in Norddeutschland für eine in Nord-Süd-Richtung verlaufende Trasse typisch ist (mittlere Windrichtung Westsüdwest, Abbildung A3). Die mittlere Windgeschwindigkeit beträgt 5 m/s. Die Werte basieren auf einer 10-Jahresstatistik am Standort Flughafen Hannover.⁷ Die Berechnung unter Zugrundelegung der Mittelwerte von Windrichtung und Windgeschwindigkeit geben nur einen Anhaltspunkt für die Größenordnung der Konzentrationsüberhöhung. Korrekterweise sind die Berechnungen für alle Werte der Häufigkeitsverteilungen der ausbreitungsrelevanten Parameter am Untersuchungsstandort durchzuführen, um eine genaue standortbezogene Vorhersage der Zusatzbelastung treffen zu können.

Abb. A2: Überhöhung der bodennahen Ozonkonzentration als Funktion des Abstandes von der Trasse. θ=22,5°, u=5 m/s, z_s=8 m, Q=2·30 µg/(m·s)

Abb. A3: Windrose am Standort Hannover, (modifiziert)

Die für dieses Szenario berechneten Überhöhungen von maximal 0,8 µg/m³ (0,4 ppb) sind sehr gering und auf einen schmalen Streifen neben der Stromtrasse von einer beidseitigen Ausdehnung von weniger als 300 m beschränkt. Ziel- und Warnwerte für Ozon liegen bei 120 µg/m³ bzw. 180 µg/m³ (60 ppb bzw. 90 ppb) (39. BImSchV 2010).

Der Abstand, für den die Konzentrationsüberhöhung ihren Maximalwert hat, ergibt sich aus:

Der zugehörige Maximalwert der Überhöhung der Bodenkonzentration ist unabhängig von der Ausbreitungsklasse, wie auch in Abbildung A2 zu erkennen, und lässt sich aus

berechnen. Damit ist zumindest die maximale Konzentrationsüberhöhung in einfacher Weise auf die Quellstärke, die Quellhöhe und die Windgeschwindigkeit und -richtung zurückzuführen. Je mehr sich der Wind parallel zur Trasse ausrichtet (θ–>90°), desto höher ist die maximale Konzentration. Der relevante Einflussstreifen wird aber immer schmaler (Gl. 2). Die maximale Überhöhung ist umgekehrt proportional zur Windgeschwindigkeit am Standort. Der standortbezogene, zeitliche Mittelwert der maximalen Zusatzbelastung errechnet sich unter Verwendung der Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit.

Die Konzentrationsüberhöhung durch Stickoxide ist wegen der im Vergleich zu Ozon zehnfach geringeren Quellstärke ebenfalls zu vernachlässigen. Die Zusatzbelastung für das obige Szenario ist maximal 0,04 µg/m³ (0,02 ppb).

Eliminiert man die Windrichtung aus Gl. 1 und Gl. 2, so erhält man einen Zusammenhang zwischen der maximalen Überhöhung und dem zugehörigen Abstand, der für das Szenario in Abbildung A4 dargestellt ist. Im Bereich außerhalb eines Bandes von 50 m beidseitig von der Stromtrasse ist die Konzentrationsüberhöhung für Ozon immer kleiner als 3 µg/m³ (1,5 ppb). Auch hier muss eine genaue standortbezogene Analyse die Häufigkeitsverteilungen der Wind­geschwindigkeit und die Ausbreitungsklassen berücksichtigen.

Selbst bei ungünstigen Windrichtungen ist die Zusatzbelastung im Abstand von mehr als 100 m zu vernachlässigen. Außerdem ist zu bemerken, dass mit der Annahme eines Wertes von 8 m für die Quellhöhe ein minimaler Wert und für die Quellstärke mit 30 µg/(m·s) ein maximaler Wert angenommen wurden. Bei Verdopplung der Quellhöhe auf 16 m und Halbierung der Quellstärke reduzieren sich die Werte der Konzentrationsüberhöhung um den Faktor 4.

Bei den Berechnungen wurden keine chemischen Reaktionen, z. B. die Oxidation von NO zu NO₂ durch O₃ berücksichtigt. Hinsichtlich Ozon bedeutet dies eine konservative Betrachtung, da Ozonverluste nicht eingerechnet wurden.

Abb. A4: Maximale Überhöhung der bodennahen Ozonkonzentration als Funktion des zugehörigen Abstandes von der Trasse: u=5 m/s, z_s=8 m, Q=2·30 µg/(m·s).

Fazit: Eine umwelt- und gesundheitsrelevante bodennahe Zusatzbelastung durch Ozon und Stickoxide geht von einer HGÜ-Trasse nicht aus.

39. BImSchV

Neununddreißigste Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verordnung über Luftqualitätsstandards und Emissionshöchstmengen) vom 2. August 2010 (BGBl. I S. 1065).

Chen und Davidson 2002

Chen J, Davidson JH. Ozone Production in the Positive DC Corona Discharge: Model and Comparison to Experiments. Plasma Chemistry and Plasma Processing 2002 22(4): 495 – 522.

Esplin 1995

Esplin GJ. Approximate solution to the general line source problem. Atmospheric Environment 1995 29(12):1459 – 1463.

Roach 1973

Roach JF. Experimental oxidant production rates for EHV transmission lines and theoretical estimates of ozone concentration near operating lines. Proc. of IEES PES Summer Meeting & EHV/UHV Conference Vancouver, July 15-20, 1973.

TA Luft 1986

Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft. Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes-Immissionsschutzgesetz vom 27. Februar 1986 GMBl S. 95 ber S. 202. http://www.umwelt-online.de.