Erneuerbare Energien: Windkraft

Bereits seit 2000 Jahren wird Wind als Energiequelle genutzt. Was den Segelschiffen und frühesten Windmühlen Antrieb verschaffte, findet in den heutigen großen Windparks zeitgemäße Anwendung. Auch wenn diese ihres landschaftsbildverändernden Aussehens wegennicht nur auf Gegenliebe stoßen, sind sie allemal umweltverträglicher als Ölkatastrophen oder atomare Unfälle.

In Deutschland ist der Ausbau der Windenergie mittlerweile so weit fortgeschritten, dass dazu übergegangen wird, ältere Windräder durch höhere und leistungsfähigere Anlagen zu ersetzen (Repowering). Damit soll der Nutzwert erhöht werden, ohne weitere Anlagen bauen zu müssen. Die landesweite Präsenz der Windräder lässt auch immer wieder Konflikte entstehen. Als problematisch wird angesehen, dass das Landschaftsbild gestört wird und die Tierwelt in Mitleidenschaft gezogen werden kann. Daher wurden in Deutschland entsprechende Vorranggebiete ausgewiesen, in denen diese Nutzungskonflikte so weit als möglich vermieden oder auf ein Mindestmaß reduziert werden sollen.

Nutzung der Windenergie - Grundinformationen
Windkraftanlagen (WKA) setzen die Bewegungsenergie des Windes in eine Drehbewegung um. Damit wird ein Generator angetrieben und Strom erzeugt. Doch die im Wind enthaltene Energie ist sehr stark von der Geschwindigkeit des Windes abhängig.

Sie folgt der Grundbeziehung der kinetischen Energie (Bewegungsenergie):
Ekin = ½ * m * v2 (Ekin = Betrag der kinetischen Energie, m = Masse, v = Geschwindigkeit).
Der Rotor einer WKA überstreicht eine Kreisfläche. Die Masse der Luft, die diese Fläche durchströmt, ist in einem zylinderförmigen Luftvolumen enthalten, das pro Sekunde die Kreisfläche des Rotors passiert.
Sie setzt sich somit aus der Dichte der Luft (d), ca. 1,2 kg/m3), der Querschnittsfläche des Rotors (A, in m2) und der Windgeschwindigkeit (v, in m/s) zusammen: m = d * A * v.
In die erste Gleichung eingesetzt, ergibt sich für die Energie des Windes die Beziehung:
Ekin = ½ * d * A * v * v2 bzw. Ekin = ½ * d * A * v3.
Man erkennt hier die Abhängigkeit der Energie von der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit. Bei doppelter Geschwindigkeit wird die achtfache Leistung erzeugt. Eine WKA entzieht dem Wind Energie, was sich dadurch bemerkbar macht, dass sie den Wind abbremst. Da jedoch die Windgeschwindigkeit nicht auf Null abgebremst werden kann, (weil dann die Luft hinter der WKA nicht mehr abfließen könnte), kann nur ein Teil der Energie genutzt werden. Die theoretische Grenze liegt bei knapp 60 % Prozent (sogenannter Betz-Faktor), die aber in der Praxis nicht erreicht wird. Moderne WKA können zwischen 35 % Prozent und 45 % Prozent der im Wind enthaltenen Energie in Strom umsetzen.

Wegen der Abhängigkeit der Leistung einer WKA von der Windgeschwindigkeit kann man die Leistung sinnvoll auch nur bei einer bestimmten Geschwindigkeit angeben. Diese sogenannte Nennleistung wird in der Regel bei Werten zwischen 10 und 13 m/s erreicht. Weil die Leistung aber mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit ansteigt, ist dies gleichzeitig auch die Höchstleistung. Denn wenn eine WKA bei 10 m/s eine Leistung von 1200 kW hat, dann wäre ihre Leistung bei 20 m/s schon acht Mal so groß, also 9600 kW (= 9,6 MW (Megawatt)). Diese hohe Leistung könnten aber weder der Generator noch die anderen Teile der WKA verkraften. Deshalb muss die Leistung begrenzt (abgeregelt) werden. Das geschieht bei kleineren Anlagen in der Regel dadurch, dass man die Rotorblätter so gestaltet, dass bei höheren Windgeschwindigkeiten ein Strömungsabriss erfolgt, die WKA dann nicht mehr Leistung aufnimmt (sogenannte Stallregelung). Bei größeren Anlagen werden die Blätter verdreht, um die Leistung abzuregeln (Pitchregelung). Bei Windgeschwindigkeiten über 25 m/s werden WKA ganz aus dem Wind gedreht, um Sturmschäden an der Anlage zu vermeiden.

Wie viel Strom eine WKA erzeugt, hängt außer von ihrer Größe vor allem vom Standort ab. Nur dort, wo ausreichend Wind weht, kann auch entsprechend viel Strom erzeugt werden. In der Regel sollten es mindestens 4 m/s als jährlicher Mittelwert sein. Dieser Wert wird tatsächlich an vielen Stellen unseres Landes erreicht und sogar überschritten, insbesondere an den Küsten und in den Mittelgebirgen. Aber auch in weiten Teilen des Flachlandes ist die Nutzung von Windstrom wirtschaftlich möglich. Theoretisch könnte man weit mehr als unseren heutigen Stromverbrauch aus Windenergie umweltfreundlich decken.

Es gibt allerdings eine wesentliche Einschränkung: Wind steht nicht immer zur Verfügung. Bei Flaute kann auch die beste WKA keinen Strom erzeugen! Deshalb kann man Windenergie sinnvoll nur im Verbund mit anderen Stromerzeugungsanlagen betrieben werden. Das gilt jedoch prinzipiell für andere Kraftwerke auch. Atomkraftwerke müssen regelmäßig zur Wartung abgeschaltet werden, bisweilen auch unverhersehbar und dann fehlen plötzlich rund 1300 MW an Leistung im Kraftwerkspark. Da der Wind nicht immer und auch nicht immer gleichmäßig weht, aber an einem bestimmten Ort im langjährigen Mittel ähnliche Werte liefert, kann man vor dem Aufstellen einer WKA deren jährliche Stromproduktion ziemlich gut abschätzen.

Als Faustregel gilt dabei, dass an einem mittleren Binnenlandstandort etwa 1000 Vollaststunden, an einem guten Küstenstandort 2000-2500 Vollaststunden erreicht werden. (1 Vollaststunde liegt dann vor, wenn eine WKA eine Stunde mit voller Nennleistung läuft. Wenn also eine 1000 kW-Anlage im Jahr 1.800.000 kWh Strom erzeugt, sind das 1800 Vollaststunden. Das Jahr hat 8760 Stunden.)

Gerade an Küstenstandorten gibt es relativ selten Flauten. Wenn der Wind mit mindestens 3 m pro Sekunde weht, erzeugt die Anlage Strom, wenn auch beträchtlich unter ihrer Nennleistung. Tatsächlich können Windparks mit 10 bis 15 % Prozent ihrer Nennleistung zur Grundlast beitragen, d. h., diesen Anteil liefern sie praktisch rund um die Uhr. An guten Küstenstandorten (ab 2000 Vollaststunden) kann also ungefähr folgende jährliche Stromproduktion erwartet werden:

Anlagengröße      kWh/Jahr

300 kW                600.000
500 kW                1 mio
850 kW                1,7 mio
1 MW                   2,0 mio
1,5 MW                3,0 mio
2,5 MW                5,0 mio

Wie viel kostet Windstrom?
Wie aus dem Vorgenannten hervorgeht, hängt die Stromproduktion sehr stark vom Standort ab. Da sich die Kosten einer WKA auf die während ihrer Lebensdauer erzeugten Kilowattstunden verteilen, hängen diese damit auch vom Standort ab. Deshalb bezieht sich die folgende Rechnung auf eine WKA an einem Küstenstandort. Es ist nur eine grobe Rechnung, da sich die Bedingungen von Ort zu Ort sehr stark unterscheiden können:

Kosten einer 1000 kW-Anlage:
Errichtung mit allen Nebenkosten: 1,3 mio €
Lebensdauer 20 Jahre (daraus ergibt sich eine Abschreibung von 5 % Prozent pro Jahr),
Verzinsung 7 % Prozent,
Wartung/Versicherung 2 % Prozent.

Die Annuität (Prozentsatz der jährlichen Kosten) beträgt also 14 % Prozent von 1,3 mio = 182.000 €.

Jährliche Stromerzeugung: 2 mio kWh;
Stromkosten also 182.000 € / 2 mio kWh = 0,091 € /kWh

Da man zur Zeit (März 2010) ca. 8,0 cent/kWh für Strom aus WKA erhält, der in das öffentliche Netz eingespeist wird, kann sich eine solche Anlage rechnen. Noch günstiger sieht die Rechnung aus, wenn man möglichst viel von dem Strom selbst verbraucht (Haushaltsstrom ca. 18 cent/kWh). Das Ergebnis der Rechnung kann je nach konkreten Bedingungen nach oben oder unten abweichen. Bei ungünstigen Bedingungen kann Windstrom mehr als 15 cent/kWh, bei besonders günstigen auch weniger als 5 cent/kWh kosten! Doch so viel ist sicher: in Zukunft wird Windstrom eher billiger, keinesfalls aber teurer werden.

Der Bundesverband Windenergie rechnet damit, dass innerhalb der nächsten 12 Jahre Windstrom am Markt billiger sein wird als Strom aus herkömmlichen Kraftwerken. Würde man heute die durch Windenergie vermiedenen Umweltschäden in die Berechnung der Strompreise mit einbeziehen, wäre Windstrom jetzt schon billiger!  

Verbraucht Windenergie viel Fläche?
WKA können nicht dicht nebeneinander aufgestellt werden, da sie sich sonst - vereinfacht gesagt - gegenseitig den Wind wegnehmen. Doch selbst wenn man zum Beispiel pro km2 nicht mehr als 10 große Anlagen aufstellen kann, so folgt daraus nicht, dass der Flächenbedarf einer WKA 100.000 Quadratmeter ( 1 km2 = 1 mio m2) beträgt. Denn das Land zwischen den Anlagen kann immer noch für die Landwirtschaft genutzt werden. Der eigentliche Flächenbedarf beträgt höchstens 500 m2 pro Anlage (Fundament und eventuell Trafostation plus Zuwegung). Die zehn genannten Anlagen würden also nur 5000 Quadratmeter Fläche verbrauchen!

Wie viel Prozent unseres Stromes kann man in Zukunft aus Windenergie erzeugen?
Ende 2009 sind in Deutschland über 21.000 WKA aufgestellt. Sicherlich kann in Zukunft diese Zahl noch erheblich vergrößert werden. Wenn man auch sogenannte Off-Shore-Windparks (Anlagen die im flachen Küstenwasser stehen, eventuell auf schwimmenden Plattformen im Meer verankert werden) in die Überlegung mit einbezieht, so kann man sicherlich problemlos bis zu 25.000 Anlagen errichten. Wenn diese eine durchschnittliche Leistung von 2 MW haben, könnten mindestens 20% unseres Stromes (> 100 Mrd. kWh) aus WKA kommen.  

Verschandeln Windkraftanlagen nicht die Landschaft?
Es ist sicher richtig, dass WKA leicht ins Auge fallen, zum einen, weil sie ein (noch) ungewohntes Bild abgeben, zum anderen, weil ihre Rotoren sich drehen und Bewegung von unserem Auge eher wahrgenommen wird. Ob sie deshalb aber die Landschaft verschandeln, dürfte wohl Geschmackssache sein. Tatsache ist jedoch, dass man kaum irgendwo in unserem dichtbesiedelten Land den Blick schweifen lassen kann, ohne auf eine Reihe von Hochspannungsmasten zu treffen, die mit ihren Drähten die Landschaft regelrecht zerschneiden. Sind Windräder im Vergleich dazu so ungleich viel störender?

Schaffen Windkraftanlagen Arbeitsplätze?

Bild: Philip May/commons

In Deutschland sind zur Zeit rund 90.000 Menschen mit Planung und Bau von Windkraftanlagen und ihrem Betrieb beschäftigt - mehr als im Kohlebergbau. Bis 2020 wird die Branche sogar 112.000 Arbeitsplätze geschaffen haben. Damit stellt die Windenergie den größten Teil der rund 250.000 Arbeitsplätze, die inzwischen im Bereich der erneuerbaren Energien geschaffen wurden. Weil deutsche Firmen qualitätsmäßig an der Weltspitze liegen, werden viele der bei uns hergestellten Anlagen exportiert. Wenn es gelingt, den Qualitätsvorsprung zu erhalten, werden in diesem Bereich in Zukunft weitere neue Arbeitsplätze entstehen können, weil die Nutzung der Windenergie weltweit stark auf dem Vormarsch ist. Wichtig hierbei ist noch der Gesichtspunkt, dass die meisten dieser Arbeitsplätze lokal eingerichtet werden müssen, nämlich bei Handwerk und Dienstleistung und damit nur schwer ins Ausland abwandern könnten.

Nutzen auch andere Länder Windenergie?
2009 liegen die USA in der Nutzung der Windenergie weltweit an der Spitze, gefolgt von Deutschland und Spanien.Das kann zwar eine Weile noch so bleiben, wird sich jedoch langfristig ändern. Wie weiter oben schon erwähnt, kann bei uns nur eine begrenzte Zahl von Anlagen aufgebaut werden. Auch wenn wir heute noch weit davon entfernt sind, wird in wenigen Jahrzehnten bei uns der Ausbau der Windenergie beendet sein, weil bis dahin die Aufstellmöglichkeiten erschöpft sein werden. Dann wird nur noch Ersatzbedarf gebraucht werden. Andere Länder dagegen haben ungleich bessere Möglichkeiten zur Nutzung der Windenergie. Als Beispiele seien hier nur Argentinien und Indien genannt. Beide Länder verfügen über ausgedehnte Flächen mit geringer bis gar keiner landwirtschaftlichen Bedeutung aber guten Windverhältnissen. Hier ließen sich Windparks errichten, die weit mehr Strom erzeugen könnten, als in diesen Ländern benötigt wird. Und wegen der guten Windverhältnisse wäre diese Art der Stromerzeugung konkurrenzlos günstig. Aktuelle Übersichten über die installierte Leistung weltweit finden sich auf den Seiten der European Wind Energy Association (EWEA).

Warum wird die Windenergie heute nicht stärker zur Stromerzeugung genutzt?

Bild: Dirk Goldhahn/commons

In der Vergangenheit wurde bei der Stromerzeugung fast ausschließlich auf Großtechnologie (Kohle, Öl, Atom, Wasserkraft) gesetzt, weil viele Entscheidungsträger glaubten, nur so ließe sich ausreichend und billig Strom bereitstellen. Doch seit einigen Jahren beginnt sich langsam die Erkenntnis durchzusetzen, dass dieser Weg falsch ist. Kohle, Öl und Uran gibt es nicht in ausreichender Menge, um einen ständig wachsenden Bedarf für alle Zeiten zu decken. Außerdem trägt die Nutzung von fossilen Energieträgern und Uran erheblich zur Zerstörung unserer Umwelt bei. In den 70er Jahren - auch ausgelöst durch die sogenannten Ölpreiskrisen von 1973 und 1979 - begann man, nach Alternativen zu suchen.

Mit der Nutzung der Windenergie gab es noch kaum Erfahrung. Bezeichnenderweise erwies sich ein Großversuch, der Bau des GROWIAN (=Große Windkraftanlage) mit 3 MW Leistung als Flop. Der Versuch wurde nach 100 Tagen Betrieb wieder eingestellt und die ca. 80 Millionen DM teure Anlage abgerissen. Als wesentlich erfolgreicher erwies sich das Konzept, zunächst kleinere Anlagen (10, 20, 50, 100 kW) zu bauen, technisch zu verbessern und vor allem zuverlässiger zu entwickeln. In den 80er Jahren, insbesondere aber in den letzten 10 Jahren, konnten dann immer größere Anlagen (Megawattklasse) gebaut werden, die bei guter Zuverlässigkeit einen vergleichsweise niedrigen Anschaffungspreis haben.

Während vor wenigen Jahren mit 2,5 Megawatt die bis dahin größte Serienwindkraftanlage der Welt in Betrieb genommen wurde, wurde 2010 der Offshore-Windpark alpha ventus mit Windenergieanlagen der Fünf-Megawattklasse errichtet. Weitere Windparks mit zusammen mehreren Tausend Megawatt sind in Planung. Viele Probleme, die erst im laufenden Betrieb der Anlagen sichtbar werden (Leistungsregelung, Qualität des erzeugten Stromes, Haltbarkeit einzelner Komponenten, Rotorblattprofile, Wartungsfreundlichkeit, u.v.a.) konnten nach und nach zufriedenstellend gelöst werden. Man vergleiche nur einmal die Entwicklungsgeschichte des Automobils, das nach mehr als 100 Jahren intensiver Forschung immer noch wesentliche technische Verbesserungen erfährt! Dagegen gibt es erst seit weniger als 20 Jahren eine nennenswerte Windkraftanlagenindustrie.

Trotzdem hat diese Technologie jetzt schon einen erstaunlich hohen Leistungsstand erreicht. Die Geschichte der Technik zeigt, dass die Umstellung eines bestehendes Energie-Systems auf ein anderes einen Zeitraum von 50 bis 70 Jahren braucht. Man kann also davon ausgehen, dass die Nutzung der Windenergie in den kommenden Jahren eine ständig steigende Bedeutung erfahren wird, aber erst nach Ablauf von weiteren 10 Jahren einen merklichen Anteil an der weltweiten Stromerzeugung erlangt. Zur Mitte des Jahrhunderts kann der Anteil der Windenergie an der Stromerzeugung weltweit 30% oder auch 40% gut überschreiten.