Erneuerbare Energien

Windenergie

Um die Klimaschutzziele und die Ziele zum Ausbau der erneuerbaren Energien zu realisieren, müssen die Potenziale der verschiedenen regenerativen Energieformen entsprechend ihrem Stand der Technik genutzt werden. Die erneuerbaren Energien stellen heute 3 % der Primärenergie und 8 % des verbrauchten Stroms. Die größten Ausbaupotenziale liegen bei der Windenergie.

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Mit einer Windkraftanlage wird die kinetische Energie des Luftstroms in elektrische Energie umgewandelt. Die besondere Bedeutung der Windkraft für die Energiebilanz liegt in ihrer schadstofffreien Umwandlung in elektrische Energie, aus der wiederum andere Energieformen gewonnen werden können.

Im Jahr 1990 wurden in Deutschland noch 1.014 Mio. Tonnen CO₂ emittiert, während es im Jahr 2002 nur noch 834 Mio. Tonnen waren. Im Jahr 2002 hat die Windenergienutzung in Deutschland rund 13,5 Mio. Tonnen CO₂ eingespart, d.h. rund 1,5 % der gesamten CO₂-Emissionen in Deutschland.

Kumulierte Leistung der installierten Windenergieanlagen (Quelle: DEWI, Deutsches Windenergieinstitut Wilhelmshaven)

Im ersten Halbjahr 2004 wurden in Deutschland 436 neue Windenergieanlagen mit einer Gesamtleistung von 730 MW installiert. Insgesamt waren Ende Juni 2004 rund 15.800 Anlagen mit einer Leistung von 15.300 MW in Betrieb. Sie erzeugen in einem durchschnittlichen Windjahr rund 30 Mrd. kWh Strom und tragen mit über 6,5 % zur Gesamtstromproduktion bei. Vorreiter bei der Windenergienutzung sind die norddeutschen Küstenländer. In Niedersachsen und Schleswig-Holstein werden bereits 17 % bzw. 36 % des Strombedarfs durch Windenergie gedeckt. Selbst in einem dicht besiedelten Land wie Deutschland kann die Nutzung der Windenergie in den nächsten zehn Jahren mit über 20 % zur Gesamtstromerzeugung beitragen.

Durchschnittliche Nennleistung der installierten Windenergieanlagen (Quelle: DEWI, Deutsches Windenergieinstitut Wilhelmshaven)

Weltweit würde das Potenzial an geeigneten Standorten für Windenergieanlagen ausreichen, den Energiebedarf der Menschheit um ein Vielfaches zu decken. Bis zum Jahr 2025 soll der Anteil der Windenergie an der Stromerzeugung auf 25 % steigen.

Lagegunst

Im Hinblick auf die installierte Windleistung liegt Deutschland im internationalen Vergleich mit großem Abstand vor Spanien und den USA an der Spitze. Etwa ein Drittel der weltweit installierten Leistung und etwa die Hälfte der in der EU installierten Leistung entfällt auf Deutschland. Innerhalb Europas erlebt die Windenergie einen deutlichen Aufschwung.

Die wichtigste Voraussetzung für den erfolgreichen Einsatz von Windkraftanlagen sind gute Windverhältnisse. Für die technische Nutzung der Windenergie sollte die mittlere Jahreswindgeschwindigkeit, gemessen in der üblichen meteorologischen Messhöhe von 10 m, mindestens 4,5 m/s betragen. Die Windgeschwindigkeit nimmt mit der Höhe zu und hängt von der Topographie und vom Bewuchs ab. Wälder, andere großräumige Bepflanzungen und hohe bauliche Anlagen führen zu Auflösungswirbeln und mindern die Strömungsgeschwindigkeit.

Besonders geeignet für die Aufstellung einzelner Windkraftanlagen oder den Betrieb von Windparks sind Grundstücke im Außenbereich. Hier zählen sie ausdrücklich zu den im Außenbereich privilegierten Bauvorhaben (§ 35 Abs. 1 Nr. 7 BauGB).

Um den Ausbau der Windenergienutzung in Deutschland auf hohem Niveau aufrechtzuerhalten, ist neben dem weiteren Ausbau an geeigneten Landstandorten und dem Ersatz alter, kleinerer Anlagen durch moderne, leistungsstärkere (Repowering) auch eine schrittweise Erschließung geeigneter Standorte auf See erforderlich.

Gemäß der Strategie der Bundesregierung zur Windenergienutzung auf See könnten auf den aus heutiger Sicht voraussichtlich verfügbaren Flächen in der Startphase bis 2006 insgesamt mindestens 500 MW und 3.000 MW Leistung bis 2010 zur Windenergienutzung auf See erreicht werden. Damit soll der Anteil der Windenergienutzung auf See bis zum Jahr 2025 einen Anteil von 15 % erreichen. Der Anteil der Windenergienutzung an Land wird mit 10 % deutlich unter dem der Offshorenutzung liegen. Der Ausbau dieser Energieform soll umwelt- und natur- sowie volkswirtschaftlich verträglich gestaltet werden und stufenweise erfolgen.

Technik

Die Leistungsfähigkeit einer Windkraftanlage ist von ihrer aerodynamischen Funktion und Bauart abhängig. Im einfachsten Fall wird nur der Luftwiderstand der im Wind bewegten Flächen genutzt. Dieser Windrotor wird als Widerstandsläufer bezeichnet.

Moderne Windrotoren nutzen, ähnlich wie ein Flugzeugflügel, den aerodynamischen Auftrieb zur mechanischen Leistungserzeugung. Dadurch lassen sich höhere Leistungswerte erreichen. Eingesetzt werden hierzu den Auftrieb nutzende Rotoren.

Anlagentechnik

Durch technische Weiterentwicklung konnte die Leistungsfähigkeit von Windenergieanlagen enorm gesteigert werden. Die größten in Serie hergestellte Anlagen haben eine Nennleistung von 2,5 MW. Anlagen dieser Leistungsklasse haben einen Rotordurchmesser bis zu 90 m und Turmhöhen bis zu 120 m. Ihre Stromproduktion deckt den Stromverbrauch von 1.000 bis 2.000 Haushalten. Die Energiebilanz moderner Windenergieanlagen ist ausgesprochen positiv: Sie erzeugen in weniger als sechs Monaten die Energiemenge, die zu ihrer Herstellung benötigt wurde.

Wirkungsgrad

Windenergieanlagen wandeln die in der Rotorkreisebene vorhandene Strömungsenergie des Winds in elektrischen Strom um. Das Verhältnis der erzeugten elektrischen Energie zur Strömungsenergie des Windes wird als Wirkungsgrad oder Leistungsbeiwert bezeichnet. Nach einem physikalischen Gesetz beträgt der theoretisch mögliche Wirkungsgrad einer frei umströmten Windturbine maximal 59 %. Moderne Windenergieanlagen erzielen einen Wirkungsgrad von etwa 45 %.

Funktionsweise

Aus einer Vielzahl unterschiedlicher Bauweisen haben sich Anfang der 1980er-Jahre Windenergieanlagen mit horizontaler Drehachse, drei Rotorblättern, Getriebe und Asynchrongenerator durchgesetzt. Dieses Konstruktionsprinzip wird das „Dänische Konzept" genannt und hat weltweit eine enorme Verbreitung gefunden.

Wie an den Tragflächen eines Flugzeugs erzeugt die Strömung des Winds an den aerodynamisch geformten Rotorblättern einen Auftrieb, der den Rotor in Drehbewegung versetzt. Bei hohen Windgeschwindigkeiten wird die Leistung der Anlage durch ein Ablösen der Luftströmung am Rotorblatt konstant gehalten (Stalleffekt). Der Rotor treibt über ein mehrstufiges Getriebe einen direkt mit dem Stromnetz gekoppelten Asynchrongenerator an. Dadurch wird der Windenergieanlage eine von der Netzfrequenz abhängige konstante Drehzahl vorgegeben. Das drehbar auf dem Turm gelagerte Maschinenhaus enthält alle mechanischen und elektrotechnischen Komponenten zur Umwandlung der Rotordrehung in elektrische Energie und wird der jeweiligen Windrichtung nachgeführt.

Windrad

Windenergieanlagen nach dem „Dänischen Konzept" zeichnen sich durch einen einfachen und robusten Aufbau aus. Um die Wirtschaftlichkeit der Windenergienutzung zu erhöhen, hat sich eine Reihe technischer Innovationen am Markt etabliert.

In ihrer Längsachse verstellbare Rotorblätter ermöglichen eine aktive Beeinflussung der Luftanströmung (Pitch-Regelung, Aktivstall). Computergesteuert wird der Blattanstellwinkel der jeweiligen Windgeschwindigkeit angepasst. Dies führt gegenüber einer passiven Stallregelung zu höheren Stromerträgen und zu einer geringeren Belastung der Hauptkomponenten (Fundament, Turm, Rotor). Die Blattverstellung wird auch zum Stoppen der Anlage genutzt, indem die Blätter aus dem Wind gedreht werden.

Drehzahlvariable Windenergieanlagen passen die Drehzahl des Rotors den verschiedenen Windgeschwindigkeiten an. Dies führt zu einer deutlichen Erhöhung der Stromproduktion. Die für die Netzeinspeisung erforderliche Leistungselektronik verringert durch Windböen entstehende Stromschwankungen und steigert die Netzverträglichkeit der Anlagen.

Ein weiteres Konstruktionskonzept besteht in der direkten Kopplung eines Generators an den Rotor der Windenergieanlage. Dadurch kann auf schnell drehende Maschinenkomponenten verzichtet werden. Gegenüber dem Konstruktionsprinzip „Industriegenerator und Getriebe" besitzt der speziell für diese Anwendung konstruierte Synchrongenerator in Ringbauweise jedoch größere Abmessungen und ein höheres Gewicht. Sowohl das Prinzip „getriebelose Anlage" als auch das Konstruktionsprinzip „Industriegenerator und Getriebe" wird bei modernen Windenergieanlagen eingesetzt.

Rotorblätter

Bei den Rotorblättern handelt es sich um dauerfeste Leichtbauteile aus glasfaserverstärktem Verbundwerkstoff. In den vergangenen Jahren wurden große Fortschritte bei der Entwicklung von Flügelprofilen mit hohem aerodynamischen Wirkungsgrad und geringen Schallemissionen erzielt.

Die Leistungsfähigkeit eines Rotors übersteigt bei hoher Windgeschwindigkeit bei Weitem die zulässige Grenze, die sich durch die Standsicherheit der Windkraftanlage ergibt. Windrotoren müssen deshalb mit einem Leistungsregler oder -begrenzer ausgestattet sein.

Turm

Bei den Türmen moderner Windenergieanlagen kommen unterschiedliche Konstruktionen zum Einsatz:

konischer Stahlrohr- bzw. Spannbetonturm
Ortbetonturm in Gleitschalbauweise
Betonturm in Fertigteilbauweise
Gitterturm

Hoch bewährtes Fundament einer Windenergieanlage

Trafoübergabestation

Windenergieanlagen produzieren elektrische Energie mit einer Spannung von 380 oder 690 V. Diese Spannung wird durch eine Trafostation am Fußpunkt der Anlage auf Mittelspannung (10-30 V) transformiert, in eine Übergabestation weitergeleitet und in das öffentliche Stromnetz eingespeist.

Betriebsführung

Die Betriebsführung der Windenergieanlage erfolgt computergesteuert. Bei Störungen erstellt die Anlage automatisch eine Fehlerdiagnose und übermittelt diese über ein Modem an die zuständige Wartungsfirma.

Einsatzmöglichkeiten

Windkraftanlagen werden zur Stromerzeugung eingesetzt. Der Weg über die elektrische Energie bedeutet eine fast grenzenlose Nutzungsmöglichkeit. Der Einsatz von Windkraftanlagen kann im Verbundbetrieb oder Inselbetrieb erfolgen. Maßgebend für Windkraftanlagen im Verbundbetrieb sind die Regelungen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes, das Anfang 2000 das Einspeisegesetz ablöste und Abnahme und Vergütung von Strom aus ausschließlich regenerativen Energiequellen regelt.

Dagegen ist der Einsatz von Windkraftanlagen im Inselbetrieb vollständig auf die eigene Stromversorgung ausgerichtet. Der Inselbetrieb erfolgt in der Regel im Verbund mit Dieselstromaggregaten. An windgünstigen Stellen kann der Brennstoffverbrauch des Motors um bis zu 80 % gesenkt werden.

Windkraftanlagen sind im Vergleich zu anderen alternativen Energiesystemen die mit Abstand kostengünstigsten Anlagen.

Werden externe Kosten der verschiedenen Energieträger und -systeme berücksichtigt, so ergibt sich aus dem EEG und daraus insbesondere durch die Windenergienutzung ein volkswirtschaftlicher Nutzen. Unter externen Kosten versteht man hier insbesondere die Kosten der durch Luftschadstoffe verursachten Umweltschäden sowie der Klimafolgeschäden.

Nach einer Studie von HOHMEYER (2002) im Auftrag des Bundesumweltamts liegen die netto vermeidbaren Kosten zwischen 2,4 und 19,9 Ct./kWh. Der Mittelwert für die eingesparten gesamtwirtschaftlichen Kosten beträgt danach rund 14 Ct./kWh. Damit liegt dieser Wert deutlich über den Einspeisevergütungen z.B. der Windkraft.

Der volkswirtschaftliche Nutzen der Windenergie liegt in:

der Stärkung der ländlichen Gebiete,
einer Verringerung von Rohstoffimporten und
der Vermeidung externer Kosten sowie
der Schaffung direkter und indirekter Arbeitsplätze.

Die Nutzung von Erdgas, Erdöl, Kohle und Uran wird in der Geschichte der Menschheit eine kurze Episode bleiben, auch wenn es uns heute - in einer Zeit, in der nahezu sämtliche Lebens- und Wirtschaftszusammenhänge in hohem Maße von diesen Energieträgern abhängen - kaum vorstellbar erscheint.

Die Energie der Sonne ist die Quelle für Solar- und Windenergie, Wasserkraft und Biomasse. In nur acht Minuten trifft in Deutschland so viel Energie durch Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche, wie hier durch Industrie, Haushalte und Verkehr in einem Jahr verbraucht wird. Sollten der menschliche Erfindungsreichtum und die Wirtschaftskraft etwa nicht ausreichen, dieses gigantische und unerschöpfliche Potenzial „anzuzapfen" und damit eine dauerhafte Energieversorgung zu sichern?

Bildquelle und weitere Infos unter http://www.windwaerts.de/.