Regenerative Zukunft

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Windenergie

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… gehört neben der Wärmestrahlung der Sonne zu der vom Menschen schon am längsten genutzten Energieart. Heutzutage werden jedoch vor allem Windenenergieanlagen zur Stromerzeugung aus Windenergie und keine Windmühlen zum Mahlen von Getreide errichtet. Hierbei trifft der Wind auf Rotoren der Windenenergieanlage, die einen Durchmesser von meist über 90m aufweisen. Die drehende Bewegung des Rotors treibt dabei den Generator an und erzeugt je nach Windstärke unterschiedlich viel Strom. Windenenergieanlagen gehören heutzutage zu den wirtschaftlichsten erneuerbaren Energiequellen und haben daher ein sehr großes Potenzial für die zukünftige Energieerzeugung an windreichen Standorten, nicht nur in Deutschland sondern auch weltweit. Im Folgenden wird die Verwendung und Entwicklung, die technischen Details, die Wirtschaftlichkeit und die Umwelteinflüsse der Windenergienutzung ausführlich diskutiert.

 

Verwendung und Entwicklung

Die Stromerzeugung aus Windenergie erfolgt über so genannte Windenenergieanlagen (WEA) bzw. Windkraftanlagen oder umgangssprachlich auch Windräder genannt. Diese können je nach Windstärke und Anlagengröße bis zu 5 Megawatt elektrische Leistung pro WEA in das Stromnetz einspeisen. Zum Vergleich: Ein Kernkraftwerk hat eine Nennleistung von circa 1000 Megawatt. Wegen ihrer vergleichsweise geringen Leistung werden WEA daher oft zu so genannten Windparks zusammengefasst.

Da die Windstärke regional unterschiedlich verteilt ist, erzeugt eine WEA je nach Betriebsort unterschiedlich viel Strom. Die Standortwahl ist daher der entscheidendste Parameter, damit eine WEA viel Strom erzeugt und wirtschaftlich ist. Abbildung 1 zeigt den europäischen Windatlas, in dem die jährliche durchschnittliche Windgeschwindigkeit in einer Höhe von 50m über dem Erdboden und die Leistung die eine WEA pro Quadratmeter Rotorfläche produzieren würde, in Abhängigkeit vom Untergrund bzw. Gelände modelliert wurde. Es ist klar zu erkennen, dass der Wind vor allem an Küsten, auf dem Meer und im Gebirge am stärksten weht und WEA dort dementsprechend wesentlich mehr Strom liefern. In flachen Regionen im inneren des Kontinents hingegen weht der Wind schwächer. Daher sind in Deutschland die meisten WEA an der Nordküste und in bergigen Regionen zu finden. Näheres hierzu finden Sie weiter unten im Kapitel Wirtschaftlichkeit und Windkarten von einzelnen Ländern hier.

 

All diese Effekte führen dazu, dass WEA in Deutschland nur über ein gemitteltes Arbeitsvermögen/-fähigkeit von circa 14% verfügen. Das bedeutet, dass eine WEA mit 2 Megawattpeak Nennleistung in Realität in Deutschland im Jahr gemittelt nur 14% dieser nominellen Leistung liefert, jedoch mit Schwankungen von null bis nahezu 2 MW. Dieses geringe Arbeitsvermögen ist jedoch nicht nur durch die Fluktuationen des Windes verschuldet, sondern auch durch veraltete WEA und schlechte Standortwahl. So weist die beste sächsische WEA mit 2 Megawatt Nennleistung ein Arbeitsvermögen von 40 % auf und kann somit im Jahr eine Strommenge erzeugen die einem Jahresverbrauch von 3000 Durchschittshaushalten entspricht [1].

Oft wird neben dem Arbeitsvermögen bei WEA die Volllaststunden angegeben. Diese ist wie das Arbeitsvermögen ein Indikator dafür wie gut der Standort der WEA ist - hohe Volllaststundenzahl bedeutet häufig und viel Wind, niedrige selten und schwacher Wind im Jahr. Die Volllastzahl von WEA in Deutschland beträgt im Durchschnitt 1200, gute küstennahe Standorte weisen bis zu 2700 auf. Von Offshore WEA vor der Küste werden sich Volllaststundenzahlen bis 3700 erhofft [21].

Die Erzeugung von Strom aus Windenergie ist vor allem von der Sonneneinstrahlung und dem Einfluss von Hoch- und Tiefdruckgebieten abhängig und daher stark fluktuierend. Somit müssen Zeiten schwachen Windes entweder durch andere Energieerzeuger wie Solarenergie, Wasserkraft, Gaskraftwerke oder Biomasse ersetzt werden oder aus Energiespeichern zur Verfügung gestellt werden. Günstig ist hierbei, dass Wind und Photovoltaik teilweise komplementär Strom erzeugen, das heißt sich gut ergänzen, da meist in Zeiten hoher Sonneneinstrahlung (Hochdruckgebieten) schwächerer Wind weht und in Tiefdruckgebieten und atmosphärischen Instabilitäten stärkerer Wind und geringe Stromerzeugung aus Solarenergie. Diese teilweise Ergänzung von Solar- und Windenergie gilt auch jahreszeitlich. Im Winter ist die Ausbeute aus WEA größer als im Sommer - im Kontrast zur Photovoltaik.

 

 

Wie alle erneuerbaren Energien wird auch die Windenergienutzung vor allem seit dem letzten Jahrzehnt stark ausgebaut. Vor allem in den nordöstlichen Bundesländern ist der Anteil an Windenergie am Nettostromverbrauch hoch. Spitzenreiter ist dabei Sachsen-Anhalt mit 52% und die größte Anzahl an WEA weist Niedersachsen auf [2]. In Abbildung 2 ist die zeitliche Entwicklung der weltweit installierten WEA dargestellt. Sie folgt beinahe einem exponentiellen Verlauf und weist vor allem seit dem Jahr 2007 hohe Wachstumsraten auf. Der Anteil Deutschlands an der weltweit installierten Windenergieleistung ist mit knapp 15% relativ hoch, jedoch wesentlich geringer als der Anteil an der weltweit installierten Photovoltaikleistung. Vor allem der Ausbau in Asien, Nordamerika und Europa bestimmt das Wachstum der Windenergienutzung. So wurden im Jahr 2010 fast 50% der neu installierten Windleistung in China installiert, gefolgt von den USA mit 14%, Indien mit 6% und Spanien und Deutschland mit 4% [3]. In Abbildung 3 sind die jährlich in Deutschland installierten WEA und die installierte Gesamtkapazität und deren jährliche Gesamtstromerzeugung aufgezeigt. Die Wachstumsrate ist bis zum Jahr 2003 stetig gestiegen, jedoch seitdem immer weiter abgesunken [4]. Dies liegt unter anderem daran, dass die besten Standorte schon genutzt werden und der Ausbau der WEA vor der Küste Deutschlands (Offshore) langsamer voran geht als geplant. Detaillierte Statistiken zum Thema Windenergieausbau und -nutzung für Deutschland und dessen Bundesländer aber auch für den internationalen Raum finden sie hier. Vom Bundesverband für Windenergie wurde eine ausführliche Potenzialstudie für die Windenenergienutzung in Deutschland aufgestellt, die zeigt, dass längst nicht alle ertragreichen Standorte des Festlandes genutzt werden.

 

Abbildung 3: Entwicklung der in Deutschland installierten Windenenergieleistung und WEA-Anzahl (Quelle: BMU, Erneuerbare Energien in Zahlen 2010 [3])

 

Technik / Windenergieanlagen

Bei Windkraftanlagen wird die kinetische Energie des Windes über die Rotorblätter der WEA auf die Rotorachse übertragen. Durch die Rotationsenergie wird dann in einem Generator Wechselstrom erzeugt. Bei modernen WEA, so genannten Auftriebsläufer werden die Rotorblätter durch das Prinzip des aerodynamischen Auftriebs angetrieben. Deswegen ist das Rotorblatt einer WEA ähnlich wie bei den Flügeln eines Flugzeuges gewölbt. Die Luft oberhalb des Blattes legt dabei einen längeren Weg um das Rotorblattprofil zurück als die auf der Unterseite. Die dadurch entstehende Auftriebskraft wirkt senkrecht zur Windanströmung und treibt den Rotor an. In Abbildung 4 ist das Energieflussdiagramm einer typischen WEA mit ihren möglichen Verlusten dargestellt. Der maximale theoretisch übertragbare Anteil der Windenergie auf die Rotationsenergie des Rotors beträgt 59%. Aufgrund von nicht idealen Rotorblattprofilen sind dies in Realität jedoch maximal nur 50% für die verbreiteten Auftriebsläufer. Hinzu kommen aerodynamsiche (5% durch Reibung und Verwirbelung), mechanische (4% durch mechanische Reibung) und elektrische (5% durch Umwandlung im Generator und Netzeinspeisung) Verluste [6]. Daher kann maximal 45% der auf den Rotor treffenden kinetischen Energie des Windes in Strom umgewandelt werden. Wenn Sie näheres zur Wirkungsgradberechnung wissen wollen klicken Sie hier.

 

Die elektrische Leistung, die eine WEA erzeugt, hängt quadratisch vom Rotordurchmesser (PWind~dRotor²) und sogar zur dritten Potenz von der Windgeschwindigkeit (Pwind~vWind³) ab. Das bedeutet, dass eine WEA an einem Standort an dem der Wind 3 Mal stärker weht eine 27 Mal höhere Leistung erzielen kann. Eine ausführliche Herleitung der Abhängigkeiten (auch von der Dichte der Luft) können Sie hier nachschlagen. Dies zeigt was für eine bedeutende Rolle die Wahl eines windreichen Standortes aber auch die Dimensionierung einer WEA hat. Um möglichst viel Leistung zu erzielen werden WEA daher mit möglichst großem Rotordurchmesser und einer großen Nabenhöhe konstruiert. Die Nabenhöhe ist der Abstand der Rotorblattaufhängung vom Erdboden. Da die Windgeschwindigkeit mit zunehmendem Abstand vom Erdboden zu nimmt und störende Windturbulenzen abnehmen ist durch eine hohe Nabenhöhe mehr Leistung zu erzielen. Diese Anforderungen an WEA sind technisch sehr anspruchsvoll und erfordern ständige Verbesserungen. In Abbildung 5 ist die rasante Entwicklung der Dimensionierung und elektrischen Nennleistung von WEA dargestellt. Die Nennleistung hat sich in den letzten zehn Jahren beinahe verzehnfacht. Die heute in Deutschland verbreiteten binnenlandoptimierten WEA haben eine Nennleistung von 2 bis 2,5 Megawatt, einen Rotordurchmesser von circa 90 Metern und Turmhöhe zwischen 80 und 130m [6]. Offshore-WEA, d.h. Anlagen vor der Küste, haben eine Leistung von über 5 Megawatt und sind dementspechend größer. Die Verteilung der Nennleistung von WEA in Deutschland im Jahr 2009 und 2010 ist in Abbildung 6 dargestellt.

 

Die heute verbreitetsten WEA sind so genannte Horizontalachser bei denen die Rotorachse parallel zum Erdboden verläuft. Es gibt jedoch auch einige Entwicklungen von Vertikalachsern, deren Rotationsachse senkrecht zum Boden ausgerichtet ist. Da diese jedoch nicht weit verbreitet sind, soll hier nicht näher darauf eingegangen werden und für Interessierte auf diese Seite verwiesen werden. Bei den stark verbreiteten Horizontalachsern wird zwischen Luv- und Leeläufern unterschieden. Bei Luvläufern läuft der Rotor in Windrichtung vor der Turm, bei Leeläufern dahinter. Wurden in der Anfangszeit der Windenergienutzung noch Leeläufer eingesetzt, sind große WEA aufgrund von geringerer Lärmemission und Verwirbelungen seit 15 Jahren nur noch vom Typ Luvläufer [8]. Bei allen WEA muss der Rotor drehbar gelagert sein, damit sich die Rotorblätter immer senkrecht zur Windrichtung stellen können. Leeläufer haben hier den Vorteil, dass sie sich von selbst senkrecht zum Wind ausrichten. Luvläufer müssen dagegen entweder mit einer Wetterfahne (nur bei sehr kleinen WEA) oder mit aktiven Windnachrichtungsnachführungssystemen ausgestattet werden. Hierbei wird über mehrere Zahnräder die Ausrichtung der Gondel mit Rotoren gesteuert und in die optimale Position gefahren. Da dies relativ aufwändig ist, sind kleine Anlagen eher Leeläufer oder Luvläufer mit Wetterfahnen und richten sich somit passiv nach dem Wind aus. Zusammengefasst lässt sich also sagen, dass die modernen WEA vom Typ her sowohl Auftriebs- als auch Luvläufer und Horizontalachser sind.

Technisch sehr anspruchsvoll ist es das optimale Design der Rotorblätter zu entwickeln um die Auftriebskraft und somit den Wirkungsgrad zu maximieren. Da dieses Optimum von der Windgeschwindigkeit abhängt, sind die meisten Rotorblätter zur Windrichtung verkippbar. Nähere Informationen über das aerodynamische Rotorblattdesign, deren Verwirbelung und Schnelllaufzahl finden Sie hier.

Ab einer Windgeschwindigkeit von 9 bis 12 m/s muss die Leistung einer WEA begrenzt werden um deren Nennleistung nicht zu überschreiten und somit Überlastungen und Materialschäden zu vermeiden. Hierfür wird bei kleinen WEA der Rotor abgebremst und bei großen WEA durch einen Asynchrongenerator die Drehzahl des Rotors konstant gehalten und bei Sturm (circa 25 m/s Windgeschwindigkeit) abgeschalten [6]. Bei großen, so genannten Pitch-geregelter WEA, sind zudem die Rotorblätter verkippbar, so dass sich auch damit die Leistung regeln lässt. Die gesamte Konstruktion einer WEA ist eine ingeneurstechnische Meisterleistung. Detailierte Informationen finden Sie auf wind-energie.de erläutert. Interessierte können sich dort zu den einzelnen Kapiteln Anlagenkonzepte, Fundament, Turm, Maschinenhaus und Rotor informieren.

 

Die Planung eines Windparks oder die Errichtung einzelner WEA ist eine sehr vielseitige und langwierge Angelegenheit, die meist Jahre andauert bevor es zur eigentlichen Errichtung kommt. Am Anfang der Planung steht die Standortanalyse. Hier wird überprüft ob die Windverhältnisse einen Aufbau lohnen und ob die Richtlinien aus rechtlicher und von Seiten des Naturschutzes erfüllt sind. Wichtig ist bei der Planung auch, dass die Anwohner des geplanten Standortes einbezogen und aufgeklärt werden um eine hohe Akzeptanz zu schaffen. Für den Betrieb, die Netzanbindung und die Einspeisevergütung ist das EEG zuständig, für das Planen von Windparks jedoch das Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) und das Baugesetzbuch (BauGB). In diesen sind die Abstände von WEA zu Wohngebieten, Verkehrswegen, Naturschutzgebieten oder auch Gewässern festgelegt. Zusätzlich kann jedes Bundesland noch zusätzliche Bedingungen für den Standort von WEA festlegen. Um letztendlich einen Windpark errichten zu dürfen, müssen verschiedene Gutachten zu Schallentwicklung, Schattenwurf, Sichtbarkeit und Auswirkungen auf das Landschaftsbild sowie zu ökologischen Einflüssen des Projekts vorlegt werden [19]. Aus diesen Gründen ist die Planung von Windparks ein sehr langwieriger Prozess und erschwert den Ausbau der Windenergienutzung enorm.

Ist die Planung abgeschlossen, geht es an die Errichtung des Windparks. WEA werden hierfür in Werkhallen in große Segmenten vorgefertigt, ausgeliefert und dann auf der Baustelle zusammengefügt. Während die Planung eines Windparks relativ lange dauert, ist dieser Schritt je nach Bauart der WEA meist nur wenige Tage oder Wochen lang. Vor allem der Transport der langen Rotorblätter, der Turmsegmente und der Gondel ist durch geringe Brücken- und Tunnelhöhen und engen Straßen logistisch anspruchsvoll. Die Netzanbindung einer WEA erfolgt über den Transformator, in dem die Niederspannung auf Mittelspannung hochtransformiert wird. Im Windpark werden üblicherweise mehrere WEA elektrisch miteinander verknüpft. Der Transformator wird meist am Fuße der WEA extra in einem kleinen Gebäude aufgestellt, ist aber teilweise auch in der Gondel eingebaut.

Der Betrieb einer WEA oder eines Windparks, d.h. Steuerung und Regelung laufen im Normalfall voll automatisiert ab. Ein Eingreifen der Betreiber ist nur selten nötig wie zum Beispiel bei Störungen oder manuellem Eingriff in die Steuerung. Die WEA werden dazu durch das System SCADA-System (System Control And Data Acquisition) fernüberwacht. WEA werden meist circa 2 Mal pro Jahr gewartet um verschlissene mechanische und elektrische Teile zu ersetzen und den zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Die Kosten der Instandhaltung und Wartung verursachen mehr als ¼ der Gesamtkosten in der üblichen Betriebszeit von 20 Jahren [6]. Jedoch sinken die die Kosten genau wie die Anlagenkosten für WEA durch Weiterentwicklung kontinuierlich. In einer Untersuchung von 1999 lag bei über 400 Projekten der gesamte Instandhaltungsaufwand während der gesamten Betriebszeit bei 64 % der Anlagenkosten der WEA. Nur drei Jahre später waren diese Kosten schon auf 54 % der Anlagenkosten gesunken [6].

Die typische Betriebsdauer einer WEA beträgt 20 Jahre, dann wird sie üblicherweise rückgebaut und der Ausgangszustand der Nutzfläche wiederhergestellt [6]. Oft wird jedoch vor Ablauf die WEA durch eine neuere, größere Anlage ersetzt. Diesen Prozess nennt man Repowering. Die alte Anlage kann dann noch genutzt und woanders eingesetzt werden. Ansonsten wird die alte WEA, die vorwiegend aus Stahl, Kupfer und GFK besteht, nach Ablauf ihrer Nutzungsdauer recycelt. Stahl und Kupfer werden wieder verwertet und GFK-Segmente zerstückelt und zum Beispiel für den Straßenbau verwendet [6].

In Deutschland sollen in Zukunft vor allem Offshore-Windparks vor der Küste Deutschlands in Nord- und Ostsee errichtet werden. Der Grund hierfür ist der häufig und stärker wehende Wind mit geringen Turbulenzen im Vergleich zum Festland und die Frage der Ästhetik, das heißt, dass die WEA von der Küste nicht mehr sichtbar sein soll. Gerade Letzteres kann man nur erreichen, wenn die WEA mehrere 10 Kilometer weit weg von der Küstenlinie errichtet wird. Der erste deutsche Windpark und somit ein Prototyp ist Alpha Ventus. Hier wurden 12 WEA mit je 5 Megawatt Nennleistung zu einem Windpark zusammengefasst und durch Unterseekabel mit dem Festland verbunden. Man erhofft sich hier ein Arbeitsvermögen von 40 %, also wesentlich mehr als die durchschnittlichen 14% in Deutschland. Der Nachteil von Offshore-Windparks ist jedoch das wesentlich aufwendigere Errichten, teure Unterseekabel zur Küstenverbindung, Wartung und der Fakt, dass dadurch ein Großteil des Stroms im Norden Deutschlands erzeugt werden wird. Letzterer Punkt erfordert einen starken und schnellen Um- und Ausbau des deutschen Stromnetzes, da in naher Zukunft 40 Offshore-Windparks in Deutschland geplant sind. Solch große Projekte können aufgrund der Kosten fast ausschließlich große Energiekonzerne stemmen.

 

Wirtschaftlichkeit

Die Wirtschaftlichkeit von WEA und anderen erneuerbaren Energiequellen wird häufig in den Medien diskutiert. Dabei wird vorrangig die Frage gestellt, ob Windenenergie in der Lage ist ökonomisch mit den fossilen Energien, der Kernenergie und den anderen erneuerbaren Energien mitzuhalten. Diese Frage zu beantworten ist jedoch nicht so einfach wie es oft dargestellt wird, da bei der Betrachtung eine Vielzahl von Faktoren wie Standort, Art der WEA, technische Entwicklung und vieles mehr eine wichtige Rolle spielen. Die große Bedeutung der Standortwahl wurde schon im oberen Abschnitt diskutiert und in Abbildung 1 veranschaulicht. Eine WEA an der Nordseeküste mehr doppelt so viel Strom pro Jahr als im Süden Deutschlands. Folglich ist der Stromgestehungspreis aus WEA in Deutschland auch doppelt so hoch. Um die Stromgestehungskosten aus Windenergie zu bestimmen, das bedeutet den Strompreis pro Kilowattstunde, muss man die Betriebsdauer einer WEA von üblicherweise 20 Jahren berücksichtigen, da bei erneuerbaren Energien vor allem die Investitionskosten zur Errichtung und Herstellung der Anlagen ins Gewicht fallen. Gegenteiliges gilt bei fossilen Energien, bei denen die Rohstoffkosten den Strompreis vorgeben.

Die Investitionskosten für eine WEA beträgt je nach Nennleistung zwischen 800 bis 1000€ pro Kilowatt für große Anlagen bis hin zu 2500€ pro kW für kleine WEA [9]. Eine typische 2,5 MW WEA kostet somit circa 2 bis 2,5 Millionen Euro. Dabei verursachen nahezu die Hälfte der Kosten allein der Turm und Rotor. Die Anlagenkosten machen 70 bis 80% von den Anfangsinvestitionskosten aus, der Rest sind vor allem Kosten die für die Stromnetzanbindung entfallen [9]. Die nach dem Bau einer WEA anstehenden Betriebs- und Wartungskosten machen circa 1,5 bis 2 Prozent der Investitionskosten einer Anlage pro Jahr aus [9]. Diese Kosten wachsen mit dem Alter der WEA stetig an und sind für den Verbund von mehreren WEA zu einem Windpark geringer.

Die Stromgestehungskosten für WEA wurden Ende 2010 in der Studie des Fraunhofer ISE in Abhängigkeit vom Standort untersucht. Für WEA auf dem Festland liegen diese zwischen 5 und 11 Cent pro Kilowattstunde je nach Volllaststundenzahl (1300 bis 2700) und sind somit in der Höhe der Stromgestehungskosten von konventionellen Kraftwerken, die mit fossilen Energieträgern betrieben werden [21]. Für Offshore-WEA sind die Stromgestehungskosten trotz höherer Volllaststundenzahl (2800 bis 3600) mit 10 bis 17 Cent pro Kilowattstunde höher, da die Errichtung und Wartung aufwendiger ist. Jedoch gibt es hier noch deutliches Steigerungspotential [21]. Angenommen wurde hierbei eine Betriebsdauer von 20 Jahren. Nicht berücksichtigt ist hierbei jedoch, dass durch die fluktuierende Stromerzeugung aus Windenergie Energiespeicher oder Regelkraftwerke benötigt werden um diese Fluktuationen auszugleichen. Für Offshore-WEA vor der deutschen Küste wird trotz höherer Installations- und Anschlusskosten insgesamt eine höhere Wirtschaftlichkeit erwartet, da die Windverhältnisse auf offener See wesentlich günstiger sind.

Um die WEA vor allem zu den Anfangszeiten voranzutreiben, wurde und wird die Erzeugung von Strom aus WEA oft vom Staat gefördert. In Deutschland bekommt jeder, der eine WEA errichtet und an das Stromnetz anschließt nach dem Erneuerbaren Energien Gesetz (EEG) der Bundesregierung eine feste Vergütung pro Kilowattstunde eingespeisten Stroms für einen gewissen Zeitraum zugesichert. Jede Kilowattstunde Strom aus Windenergie (an Land) wird für Anlagen, die ab dem 1. Januar 2009 gebaut werden mit 9,2 Cent pro kWh für 5 Jahre vergütet, danach nur noch mit 5 Cent/kWh [10]. Offshore-WEA werden hingegen wegen des höheren Aufwandes und der eher in der Testphase befindlichen Entwicklung mit 15 ct/kWh für 12 Jahre vergütet. Die Vergütung wird jährlich um einen Prozentpunkt gesenkt, das heißt der Strom einer WEA die im Jahr 2020 ans Netz geht wird für die Betriebszeit mit 10% weniger vergütet als eine die im Jahr 2010 ans Netz ging.

Die Windenergiebranche hat sich innerhalb der letzten zwei Jahrzehnte zu einem bedeutenden Wirtschaftszweig in Deutschland entwickelt. In der gesamten Branche waren 2010 knapp 100.000 Menschen beschäftigt, so dass nach der Photovoltaik und Biomasse die Windenenergie drittwichtigster Arbeitszweig in der Erneuerbaren Energien Branche ist [3].

Näheres zur Wirtschaftlichkeit der Windenenergie finden Sie auf Wind-Energy-The-Facts.org und von Kleinwindenergieanlagen auf wind-energie.de.

 

Umwelteinflüsse

Wie bei allen regenerativen Energiequellen ist das Hauptargument für die Nutzung der Windenergie der wesentlich geringere Treibhausgasausstoß bei der Stromerzeugung im Vergleich zu den fossilen Energiequellen. Jedoch ist auch diese Technologie keineswegs CO2-neutral, da bei der Anlagenherstellung, Transport etc. große Mengen an Energie benötigt werden. Wieviel CO2 bei der Herstellung frei wird hängt somit vor allem von der Anlagentechnik und vom Energiemix des zur Herstellung verwendeten Stromes ab. Momentan wird der CO2-Ausstoß für WEA zwischen 10 g und 25 g pro erzeugter Kilowattstunde Strom angegeben, abhängig von Standort und Technik [11, 12, 13]. Das sind nur 1 bis 2 % im Vergleich zur Stromerzeugung durch die Verbrennung von Kohle mit circa 1000 g CO2 pro kWh [14]. Natürlich hängt der CO2-Ausstoß pro kWh bei erneuerbaren Energien stark von der Nutzungsdauer und dem Standort ab, da bei WEA fast nur am Anfang, d.h. zur Herstellung, Transport und Montage, Treibhausgase emittiert werden.

Die energetische Amortisations- bzw. Energierücklaufzeit von WEA reicht schon heute (Stand 2011) in Deutschland von 2 bis 6 Monaten, je nach Standort [15, 16]. WEA werden üblicherweise 20 Jahre lang betrieben. Der daraus resultierende Erntefaktor beträgt somit zwischen 40 und 120 und ist somit eine der höchsten unter den erneuerbaren Energien. Das bedeutet, dass WEA schon heute während ihrer Betriebszeit über 40 mal so viel Energie erzeugen, wie für ihre Herstellung nötig ist.

Der „Rohstoff“ aus dem WEA Strom generieren ist indirekt die Sonnenstrahlung, welche den Windkreislauf in Gang hält und hoffentlich für die nächsten Milliarden Jahre nicht versiegen wird. Rohstoffengpässe kann es daher höchstens bei der Herstellung der WEA geben, nicht aber bei dem Energierohstoff, wie es bei Kohle, Erdgas, Erdöl und Uran früher oder später der Fall ist. WEA bestehen vorwiegend aus Stahl oder Stahlbeton, wobei hier vor allem für die Türme der Anlagen den Großteil verbrauchen. Für eine WEA mit der verbreiteten Bauweise des Stahlturms wird allein für den Turm bis zu 250t Tonnen Stahl benötigt [6]. Nach der typischen Betriebsdauer von 20 Jahren werden die Bauteile der WEA, die vorwiegend Stahl, Kupfer und GFK sind, jedoch keinesfalls achtlos weggeworfen sondern sinnvollerweise größtenteils recycelt [6].

Häufig wird auch angeführt, dass die Fläche der Erde oder Deutschlands nicht ausreichen würde um den gesamten Strombedarf aus Windenenergie zu decken. Auch wenn dies wegen Fluktuationen und Standortwahl kein sinnvolles Szenario ist, soll hier mit einer einfachen Rechnung gezeigt werden, dass ein kleiner Bruchteil der Fläche Deutschlands von unter einem Prozent ausreichen würde um die Stromversorgung aus Wind herzustellen. Im Jahr 2009 waren in Deutschland über 21000 WEA am Stromnetz mit einer Gesamtnennleistung von knapp 26000 Megawatt und einer Jahresstromproduktion von 39 Mrd. kWh, das sind 6,7% vom gesamten Stromverbrauch [4, 17]. Das bedeutet, dass mindestens das 15-fache an Windenenergieleistung zugebaut werden muss um die gesamte Stromversorgung Deutschlands über WEA zu garantieren. Das entspräche über 200000 WEA (angenommen: moderne WEA von 2 MW Nennleistung). Auch wenn diese Zahl im ersten Moment beeindruckt, so stehen in Deutschland bereits 21000 WEA und dies immer noch sehr vereinzelt. Würde man diese WEA im Abstand von 100 Metern auf einem Quadrat aufstellen, wird eine Fläche von 45 km x 45 km benötigt, was etwa 0,5% der Fläche Deutschlands entspräche. Rein hypothetisch würde folglich allein die Windenenergienutzung ausreichen um den deutschen Stromverbrauch zu sichern. Natürlich ist dieses Szenario nicht sinnvoll, da man sehr große Fluktuationen von Windstille bis Starkwind hat. Daher ist eine Kombination der verschiedenen Energiequellen notwendig um den Bedarf an Energiespeicherung zu minimieren und eine zuverlässige Stromversorgung zu gewährleisten. Näheres zu den realistischen Potentialen der Windenergienutzung in Deutschland finden Sie in der Studie vom BMU und der Studie vom BWE.

Ein großer Punkt, der dem Ausbau der Windenergie im Wege steht ist die Frage der Ästhetik und des Eingriffes in die Natur. Während bei konventionellen Kraftwerken nur wenige große, zentrale Kraftwerksblöcke benötigt werden oder wie bei der Photovoltaik schon bebaute Flächen genutzt werden können, werden eine Vielzahl von WEA auf Landschaftsflächen benötigt welche einen sehr markantes Bild in der Landschaft darstellen. Die über hundert Meter hohen Bauwerke sind auch aus großer Entfernung sichtbar und werden von Kritikern oft als „Verspargelung der Landschaft“ bezeichnet. Sicher ist dieser Punkt sehr subjektiv und der Einfluss ins Landschaftsbild nicht zu verachten. Andererseits stehen WEA meist sowieso auf vom Menschen geformten landwirtschaftlichen Nutzflächen und ist aus diesem Blickwinkel nur ein weiterer Punkt des menschlichen Eingriffs in die Natur neben Strommasten, Tagebauen, Kraftwerksblöcken, Industriegebieten, etc.

Ein weiteres oft genanntes Gegenargument gegen WEA ist der Lärmpegel der von der Bewegung des Rotors ausgeht. War dieses Argument vor allem in der Anfangszeit der Windenergienutzung bedeutsam, ist es heutzutage bei modernen Anlagen dank Weiterentwicklung kaum noch ein Problem. Der Grund hierfür ist, dass die Rotoren langsamer rotieren und die Gondeln besser schallgedämmt sind. Zudem schreibt das Immissionsschutzgesetz fest, dass WEA nur so dicht an Gebäude gebaut werden dürfen, dass ein Lautstärkepegel von 35 dB (entspricht flüsternden Stimmen) nicht überschritten werden darf [18].

Die Vorgaben des Abstandes von WEA zu Straßen, Schienen und vor allem Wohnsiedlungen sind in Deutschland nicht einheitlich geregelt sondern regional unterschiedlich. Genaue Angaben dazu finden Sie zum Beispiel hier. Generell sind die Entfernungen jedoch so gewählt, dass der Geräuschpegel in Wohngebieten bei Verwendung moderner WEA selbst bei ungünstiger Windrichtung sehr gering bis vernachlässigbar ist. Das Problem des Schattenwurfs der Rotorblätter bei niedrigem Sonnenstand ist in der Bundesimmissionsschutzverordnung so geregelt, dass die Wohnung im ungünstigsten Fall maximal 30 Stunden pro Jahr und 30 Minuten am Tag von dem wechselnden Schatten betroffen sein darf [19].

Ein weiteres Argument, dass vor allem von Naturschützern angebracht wird, ist die Kollision von Vögeln mit den Rotorblättern und Turm der WEA. Daher werden WEA auch nicht in Vogel- und Naturschutzgebieten errichtet. Laut einer Studie des Naturschutzbundes sterben in Deutschland jährlich etwa 1000 Vögel durch Kollisionen mit WEA, das sind umgerechnet ein Vogel pro 2 WEA [1]. Die Zahl der getöteten Vögel durch Straßenverkehr und Gebäudefassaden ist jedoch um ein vielfaches höher. Nichtsdestotrotz ist die Anpassung an die WEA je nach Vogelart unterschiedlich, so dass es noch detaillierteren Untersuchungen bedarf. Allgemein wird das Problem jedoch oft als vernachlässigbar im Vergleich zu Straßenverkehr und anderen hohen Bauwerken gesehen [20].

Der Einfluss der Windenenergienutzung auf die Natur und den Menschen ist letztendliches aufgrund der hohen benötigen Anlagenzahlen nicht zu unterschätzen. Weist ein Kernkraftwerk oft eine Nennleistung von 1000 MW auf, so hat eine typische WEA nur eine Nennleistung von 2 MW welche zudem stark fluktuiert. Allein dies verdeutlicht, welche große Stückzahl wir für einen Umschwung auf erneuerbare Energien benötigen. Nichtsdestotrotz ist die Windenergie in Deutschland eine der wirtschaftlichsten erneuerbaren Energiequellen und daher von großer Bedeutung.

 

 


Zusammenfassung Windenergie – Pro und Contra

 

Pro

Contra

  • sehr geringer Treibhausgasausstoß (zwischen 10 bis 25 g CO2 pro kWh erzeugtem Strom)
  • keine endlichen Energierohstoffe nötig wie bei den fossilen Energieträgern und der Kernenergie

  • eine der wirtschaftlichsten erneuerbaren Energien

  • kurze Energierücklaufzeit von wenigen Monaten
  • fluktuierende Stromerzeugung aus WEA, daher wird Energiespeicherung nötig
  • sehr viele Anlagen benötigt, d.h. starker Eingriff in das Landschaftsbild


 

Quellen:

[1] Die Grünen: Grüne Ausbaustudie 2020 - Perspektiven für Erneuerbare Energien in Sachsen, 2008

[2] BWE: Statistiken 2010, http://www.wind-energie.de/infocenter/folien/bwe-statistiken-2010, 30.07.2011

[3] BMU, Erneuerbare Energien in Zahlen, 2010 (Link), 30.07.2011

[4] http://www.wind-energie.de/infocenter/statistiken, 30.07.2011

[5] http://www.wind-energy-the-facts.org/de/part-i-technology/chapter-2-wind-resource-estimation/wind-atlases.html, 30.07.2011

[6] http://www.wind-energie.de/infocenter/technik/, 30.07.2011

[7] http://www.wind-energie.de/infocenter/technik/funktionsweise/energiewandlung, 17.07.2011

[8] ISET, Windenergiereport Deutschland 2005

[9] http://www.thema-energie.de/energie-erzeugen/erneuerbare-energien/windenergie/grundlagen/wirtschaftlichkeit-von-windenergieanlagen.html, 25.07.2011

[10] http://de.wikipedia.org/wiki/Erneuerbare-Energien-Gesetz, 22.07.2011

[11] http://www.co2-emissionen-vergleichen.de/Stromerzeugung/CO2-Vergleich-Stromerzeugung.html, 25.07.2011

[12] Krewitt W., Schlomann, B.: Externe Kosten der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien im Vergleich zur Stromerzeugung aus fossilen Energieträgern, 2006

[13] Fritsche U.: Comparison of Greenhouse-Gas Emissions and Abatement Cost of Nuclear and Alternative Energy Options from a Life-Cycle Perspective, 2006

[14] Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG): Klimaschutz und Energieversorgung in Deutschland 1990 – 2020, Bad Honnef, 2005

[15] R. Domrös: Energetische Amortisationszeit von Windkraftanlagen auf der Basis der Prozesskostenanalyse. TU Berlin, Fachgebiet für Energie und Rohstoffwirtschaft, 1992

[16] Matthias Geuder: Energetische Bewertung von Windkraftanlagen. Fachhochschule Würzburg-Schweinfurt, Schweinfurt 2004

[17] http://de.wikipedia.org/wiki/Installierte_Leistung, 25.07.2011

[18] http://www.vindselskab.dk/de/tour/env/sound.htm, 25.07.2011

[19] http://www.wind-energie.de/infocenter/planung, 25.07.2011

[20] http://www.vindselskab.dk/de/tour/env/birds.htm, 25.07.2011

[21] Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE, Studie Stromgestehungskosten Erneuerbare Energien, Dezember 2010 (Link)

 


Beitrag erstellt von Christoph Schünemann (Juli 2011)

 

 

Zuletzt aktualisiert am Mittwoch, den 18. April 2012 um 13:11 Uhr  

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