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Windenergie

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Definition: Energie von Winden, oder daraus gewonnene (meist elektrische) nutzbare Energie

Englisch: wind energy, wind power

Kategorien: elektrische Energie, erneuerbare Energie, Grundbegriffe, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 16.07.2010; letzte Änderung: 25.02.2016

Winde, d. h. Luftbewegungen in der Atmosphäre, tragen große Mengen von mechanischer Energie mit sich. Sie entstehen im Wesentlichen durch Temperaturunterschiede, die die ungleichmäßige Erwärmung der Erdoberfläche durch die Sonneneinstrahlung verursacht. Windenergie entsteht also letztendlich aus Sonnenenergie. Sie lässt sich auf verschiedene Arten nutzen:

Die absolut dominierende Form der Windenergie­nutzung ist diejenige mit Windenergieanlagen (Windkraftwerken) basierend auf Wind­turbinen. Weitgehend haben sich dreiflügelige Rotoren durchgesetzt, und zwar in einem weiten Bereich von Leistungen von unter einem Kilowatt bis hin zu mehreren Megawatt. Bisher werden solche Anlagen weitgehend an Land gebaut (onshore), aber zunehmend werden Offshore-Anlagen (auf dem Meer) geplant und errichtet, da hiermit große Gebiete mit sehr guten Windverhältnissen und ohne Störungen des Landschaftsbilds erschlossen werden können. Der Artikel über Windenergieanlagen enthält hierzu mehr Details.

Die von einer Windenergieanlage erzeugte elektrische Leistung hängt sehr stark von der Windgeschwindigkeit ab. Im Wesentlichen ist sie proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit, d. h. sie wird bei Verdopplung der Windgeschwindigkeit achtmal größer. Daraus folgt, dass die Qualität eines Windenergiestandorts sehr wichtig ist für die Energieausbeute und damit für die finanzielle und energetische Amortisationszeit.

Windenergie gehört zu den erneuerbaren Energien. Sie erzeugt keine Abhängigkeit von versiegenden fossilen Energieträgern und keine Abgase, insbesondere auch keine klimaschädlichen Kohlendioxid-Emissionen, abgesehen von moderaten Emissionen durch die graue Energie im Zusammenhang mit dem Bau der Anlagen. (Die energetische Amortisationszeit beträgt meist nur wenige Monate.) Insgesamt ist die Nutzung von Windenergie sehr umweltfreundlich, auch wenn gelegentlich Probleme mit Lärmbelastungen oder der Tötung von Vögeln auftreten. Man beachte, dass Einwände im Zusammenhang mit Landschaftsschutz, Lärmproblemen oder Vogelschutz teilweise sachfremd motiviert sind und gewisse Problematiken häufig gezielt dramatisiert werden. Beispielsweise sind Gefährdungen für Vögel mit denen durch Fahrzeuge, Gebäude und Hochspannungsleitungen angemessen zu vergleichen; das Resultat ist, dass Windenergieanlagen selbst im Falle eines gewaltigen zukünftigen Ausbaus nur einen winzigen Bruchteil der gesamten menschlich verursachten Tötungen von Vögeln verursachen würden.

Offshore-Windpark

Abbildung 1: Der Offshore-Windpark Lillgrund im Öresund zwischen Malmö und Kopenhagen. Siemens-Pressebild.

In Deutschland ist die Windenergie die erneuerbare Energie mit der schnellsten Zunahme der Erzeugungskapazitäten. In 2010 deckte sie bereits fast 10 % der gesamten deutschen Stromerzeugung, während es weltweit erst etwas mehr als 1 % war. Die Länder mit den größten Erzeugungskapazitäten (Maximalleistungen, Stand 2011) sind China (63 GW), die USA (47 GW), Deutschland (29 GW), Spanien (22 GW) und Indien (16 GW).

Schwankungen der Windstromproduktion; Aspekte der Versorgungssicherheit

Die Zahl der jährlichen Volllaststunden gibt darüber Auskunft, wie gleichmäßig die Windenergie anfällt.

Naturgemäß ändert sich die Stärke des Winds an einem Standort stark mit den jeweiligen Wetterbedingungen. Da zusätzlich die erzeugte Leistung sehr stark von der Windgeschwindigkeit abhängt (siehe oben), schwankt die erzeugte Leistung sehr stark. Im Jahresmittel erzeugt eine Windenergieanlage an guten Onshore-Standorten deutlich mehr als 2000 Volllaststunden pro Jahr (also im Mittel gut 20 % der Maximalleistung), an ungünstigeren Standorten weniger. (Offshore sind weit über 3000 Volllaststunden möglich.) Hierdurch ist eine direkte Versorgung von Verbrauchern allein mit Windenergie praktisch ausgeschlossen. In Deutschland können zur Zeit nur rund 6 % der installierten Anlagenleistung als gesicherte Kraftwerksleistung aus Windkraft angesehen werden. Für den Ausgleich von momentan erzeugter und benötigter elektrischer Leistung gibt es verschiedene Ansätze: die Kombination mit anderen Stromerzeugungsanlagen, die Verwendung von Energiespeichern (beides auch zur Gewinnung von Regelenergie), ein verstärktes Lastmanagement sowie der Ausbau von Stromnetzen. Diese Ansätze werden weiter unten ausführlich diskutiert. Die Planung des Kraftwerkseinsatzes wird erheblich erleichtert durch mittlerweile recht genaue Windleistungsvorhersagen (über z. B. drei Tage), die auf verbesserten Prognosen des Wetters basieren.

Die Kombination vieler Windenergieanlagen vermindert die relativen Schwankungen der erzeugten Leistung.

Ein wichtiger Umstand ist, dass die relativen Schwankungen der Stromerzeugung bei Kombination vieler Windenergieanlagen stark reduziert werden können, wenn diese Anlagen geographisch möglichst gut verteilt sind. Dann gleichen sich nämlich die lokalen Schwankungen zum guten Teil aus. Wenn sich etwa eine Kaltfront über Europa bewegt, profitieren zuerst die westlich gelegenen Anlagen von starken Winden, erst später diejenigen im Osten. Anstelle einer scharfen Spitze, wie sie die Erzeugung jeder einzelnen Anlage aufweisen kann, erhält man einen zeitlich stark gestreckten Beitrag zur gesamten Stromerzeugung. Bei Mittelung über längere Zeiten (z. B. jeweils einen Monat) ist die Produktion von Anlagen innerhalb von Mitteleuropa jedoch wesentlich stärker korreliert. Einen guten Ausgleich auf solchen Zeitskalen erhält man erst, wenn größere geographische Gebiete mit einbezogen werden. Beispielsweise könnten Windparks in Nordwestafrika vermehrt im Sommer Strom produzieren und damit die in Mitteleuropa im Winter höherer Produktion ergänzen. Dies wäre möglich, wenn ein europäisches Supergrid aufgebaut würde, welches auch Nordafrika einbezieht.

Unproblematisch für die Versorgungssicherheit sind technische Ausfälle einzelner Anlagen. Hierbei fehlen höchstens einige Megawatt, während der Ausfall eines Großkraftwerks mehr als ein Gigawatt betreffen kann.

Kombination mit anderen Stromerzeugungsanlagen

Windenergieanlagen können mit anderen Stromerzeugern (vor allem Kraftwerken) kombiniert werden, die in der Leistung gut regelbar sind. Besonders gut funktioniert dies mit Speicher-Wasserkraftwerken. Diese können bei Windstille die Windenergie vollkommen ersetzen, da die Wasserturbinen sehr hohe Leistungen aufweisen können. Jedoch sind die Kapazitäten z. B. von Stauseen begrenzt; sie können aber geschont werden zu Zeiten, in denen genügend Windstrom verfügbar ist. Teilweise werden diese Kapazitäten bei Stromüberschüssen sogar wieder aufgefüllt; man spricht dann von Pumpspeicherkraftwerken.

Windenergie trägt wenig zur gesicherten Leistung bei, weitet aber die verfügbaren Energiemengen aus und trägt insofern sehr wohl zur Versorgungssicherheit bei.

Zur Verlässlichkeit der Stromversorgung tragen dann Wasserkraft und Windkraft komplementär bei: Wasserkraft garantiert die jederzeit gesicherte Leistung, während Windenergieanlagen die insgesamt pro Jahr verfügbare Energiemenge stark ausweiten können. Ob zu einem bestimmten Zeitpunkt Windenergie verfügbar ist, ist dann nicht relevant; Probleme würden erst entstehen, wenn eine Windflaute über sehr lange Zeit auftreten würde. Wenn die Speicherkapazität der Wasserkraft genügend hoch ist, werden solche Probleme beliebig unwahrscheinlich. Günstig wirkt sich übrigens aus, dass die Windstromerzeugung in Europa typischerweise im Winter höher ist, wenn die Wasserkapazitäten am ehesten knapp werden und der Verbrauch hoch ist.

Ebenfalls gut geeignet zur Kombination mit Windenergie sind Gaskraftwerke, beispielsweise in Form von großen Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken. Diese können relativ schnell in der Leistung verändert werden, und die Einsparung von Erdgas in Zeiten guten Winds ist sehr willkommen.

Auch kleine Biogas-befeuerte Blockheizkraftwerke können teilweise stromgeführt betrieben werden und damit Beiträge zum Lastmanagement liefern. Hier liegt eine ähnliche Situation vor wie bei der Kombination von Wind und Wasser: Biogas garantiert die momentan benötigte Leistung, aber nur eine begrenzte Energiemenge, während Windenergie die gesamte verfügbare Energiemenge vergrößert.

Kohlekraftwerke und Kernkraftwerke eignen sich schlecht zur Kombination mit Windenergie.

Kaum geeignet sind Kohlekraftwerke und Kernkraftwerke. Zwar können auch diese (insbesondere bei entsprechender technischer Optimierung) in der Leistung angepasst werden, jedoch nur in begrenztem Umfang, häufig mit erheblichen Verlusten des Wirkungsgrads, und bei Kohlekraftwerken u. U. auch mit einer reduzierten Effektivität der Abgasreinigungsanlage. Außerdem sind hier die Einsparungen von Brennstoffkosten geringer als z. B. bei Gaskraftwerken.

Einsatz von Speichern

Im Prinzip kann momentan überschüssige elektrische Energie mit verschiedenen Methoden zwischengespeichert werden, um zu späteren Zeiten verwendet zu werden. Hierfür kommen beispielsweise wiederaufladbare Batterien, Schwungradspeicher, Druckluftspeicher oder auch Pumpspeicherkraftwerke in Frage. Jedoch verursacht die Speicherung relativ hohe Kosten und ebenfalls gewisse Energieverluste. Eine andere Methode wäre die Erzeugung von EE-Gas mit überschüssigem Windstrom, was hohe Speicherkapazitäten realisierbar macht, allerdings mit massiven Energieverlusten verbunden ist. Deswegen werden die anderen hier diskutierten Methoden zum Ausgleich der Leistung meist bevorzugt.

Lastmanagement

Manche Stromverbraucher können gezielt dann betrieben werden, wenn genügend Windstrom zur Verfügung steht. In anderen Fällen erfolgt der Betrieb normalerweise kontinuierlich, kann aber bei besonderer Verknappung des Stromangebots ferngesteuert unterbrochen werden (Lastabwurf). Solche Techniken des Lastmanagement (Demand Side Management) werden bei manchen industriellen Anlagen verwendet, beispielsweise bei Elektrolyseanlagen oder Anlagen zur Herstellung von flüssigem Stickstoff, aber auch bei Elektrospeicherheizungen. Die benötigte Flexibilität des Verbrauchers kann mit entsprechend niedrigeren Stromtarifen vergolten werden.

Stromnetze

Je stärker die Übertragungsnetze ausgebaut sind, desto leichter wird es, lokal entstehende Überschüsse anderswo zu nutzen. Dieser Ansatz ist besonders energieeffizient und kostengünstig. Seine Realisierung benötigt aber relativ viel Zeit.

Gesamtbewertung

Die zeitlichen Schwankungen der Stromerzeugung von Windenergieanlagen ist definitiv ein wesentlicher Nachteil dieser Technologie. Jedoch sollte diese Problematik nicht übermäßig dramatisiert werden. Insbesondere der Einsatz von Windenergie in großen Verbundnetzen wie z. B. dem europäischen ist relativ unproblematisch, außer wenn ein hoher Anteil der Windenergie an der gesamten Stromerzeugung (z. B. mehr als 25 %) realisiert werden sollte. (Zum Vergleich: Ende 2009 wurden in Deutschland ca. 8,6 % des Stroms von Windenergieanlagen erzeugt.) Diese Thematik wurde in der dena-Netzstudie [6] eingehend untersucht. Man kam zum Schluss, dass zwar ein gezielter Ausbau diverser Hochspannungsleitungen nötig ist und dass bei weiterem Ausbau eine gewisse Zunahme des Bedarfs an Regelenergie zu erwarten ist, dass diese Regelenergie jedoch vorläufig von bereits bestehenden Kraftwerken übernommen werden kann. Die Kosten des benötigten zusätzlichen Netzausbaus (ca. 5 % der bisher jährlich getätigten Netzinvestitionen) wie auch die Mehrkosten durch die EEG-Einspeisevergütungen sowie für den angepassten Betrieb des Kraftwerkparks (mit zusätzlicher Regelenergie und Reserveenergie) wurden umfassend ermittelt. Für die erwarteten Mehrkosten durch die Förderung aller erneuerbarer Energien in Deutschland ermittelte man z. B. für 2015 einen Wert von ca. 1 ct/kWh für die nicht privilegierten Verbraucher (was ca. 5 % des Endverbraucherpreises entspricht) und weitaus weniger für die privilegierten Großverbraucher. Von den genannten Mehrkosten entfällt ca. ein Drittel bis die Hälfte auf die Windenergie, die in 2015 bereits 15 % der gesamten deutschen Stromerzeugung abdecken soll. Diese Kosten sind also recht moderat, obwohl zusätzliche positive finanzielle Aspekte durch die zusätzliche Beschäftigung und Steuereinnahmen noch nicht berücksichtigt wurden.

Man beachte aus, dass Ausbauten der Übertragungsnetze auch der Stabilität und Flexibilität des Netzes insgesamt zugute kommen, z. B. im Rahmen der Einbindung zusätzlicher Wasserkraftkapazitäten aus Nordeuropa. Der gesamte Stromhandel dürfte davon profitieren.

Wirtschaftlichkeit der Windenergie

Die Kosten des Windstroms hängen im Wesentlichen von drei Faktoren ab: den leistungsspezifischen Baukosten, der Lebensdauer der Anlagen und der Qualität des Standorts. In den beiden ersten Feldern gibt es stetige Fortschritte, so dass die Kosten seit Jahren stetig und deutlich sinken. (Die stetige Degression der staatlich garantierten Vergütungssätze erzwingt auch deutliche Fortschritte.) Im Vergleich mit den Erzeugungskosten konventioneller Kraftwerke sind sie zwar meist noch deutlich höher, weswegen der in den letzten Jahren aufgetretene Boom der Windenergie nur durch staatliche Unterstützung (vorrangige Einspeisung, gesetzliche Abnahmepflicht, feste Vergütungen) möglich wurde.

Die noch bestehende Lücke der Erzeugungskosten zwischen Windenergie und fossiler Energie dürfte in den nächsten Jahren weiter stark schrumpfen, da die Kosten bei der Windenergie weiter sinken, während andererseits fossile Energieträger teurer werden und auch neue Kernenergie-Projekte wesentlich teurer werden. Ein weiterer Faktor sind zu erwartende CO2-Abgaben in steigender Höhe, die die externen Kosten fossiler Kraftwerke (zumindest diejenigen durch Klimagefahren) zunehmend auch finanziell abbilden (internalisieren). Spätestens mit Einführung von CCS-Technologie für Kohlekraftwerke dürfte Windstrom kostengünstiger als Kohlestrom sein.

Aus diesen Gründen ist zu erwarten, dass Windstrom in naher Zukunft ohne staatliche Subventionen wirtschaftlich konkurrieren kann und langfristig einen wesentlichen Teil z. B. der europäischen Stromversorgung übernehmen kann. Ebenfalls ist zu hoffen, dass insbesondere in den USA, China und Indien viele Kohlekraftwerke durch Windenergieanlagen ersetzt werden können, was im Rahmen des Klimaschutzes dringend nötig wäre.

Man denkt bei Afrika oft an Sonnenenergie, obwohl die Windenergie in Nordafrika besonders interessant ist.

Besonders interessant erscheint die Ausschöpfung von bisher weitgehend ungenutzten Potenzialen in Nordwestafrika, wo aufgrund ausgezeichneter Standorte sehr niedrige Stromerzeugungskosten möglich wären. Mit einem Supergrid wäre auch ein effizienter Langstreckentransport ohne allzu hohe Energieverluste und mit niedrigen Kosten möglich. Da dort erzeugter Windstrom im Sommer vermehrt anfiele, wäre er auch eine gute Ergänzung zu Windstrom aus dem Norden, der vermehrt im Winter gewonnen wird. Die Erzeugungskosten wären erheblich geringer als bei denen für Sonnenenergie.

Literatur

[1]Extra-Artikel: Windkraft – eine Gefahr für die Versorgungssicherheit?
[2]Extra-Artikel: Woher nehmen wir den Strom, wenn der Wind nicht weht?
[3]G. Czisch et al., “Expertise zur möglichen Bedeutung einer EU überschreitenden Nutzung von Wind- und Solarenergie”, http://gc.tnrc.de/wiki/images/a/ac/2000-09-16_hkf_expertise_final.pdf (2001)
[4]Bundesverband WindEnergie e.V.
[5]Windenergie im Meer
[6]dena-Netzstudie I: Zusammenfassung
[7]“Are wind turbines increasing carbon emissions?”, http://www.guardian.co.uk/environment/blog/2012/jan/09/wind-turbines-increasing-carbon-emissions: die Diskussion von Behauptungen, Windenergie könne indirekt zu erhöhten CO2-Emissionen führen

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Windenergieanlage, Windpark, erneuerbare Energie, Versorgungssicherheit, Volllaststunden, EE-Gas
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, erneuerbare Energie, Grundbegriffe, Kraftmaschinen und Kraftwerke

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