Energie des Windes und deren Nutzung

Windenergie - eine neue Energiequelle?

In einem Windkraftwerk, auch als Windkraftanlage oder Windkonverter bezeichnet, wird aus dem Primärenergieträger strömende Luft (Wind), der letztlich eine Folge der Sonnenstrahlung ist, als Sekundärenergieträger elektrischer Strom gewonnen. Es wird somit kinetische Energie der Luft, die auch als Windenergie bezeichnet wird, in elektrische Energie umgewandelt. Der Wind ist der Menschheit als Energiequelle bereits viele Jahrhunderte in Form von Windmühlen zum Mahlen von Getreide und zum Antrieb von Pumpen für die Feldbewässerung vertraut. Doch erst seit der Ölpreiskrise von 1973 ist der Wind als Energielieferant für die Stromerzeugung ins Blickfeld gerückt. Seither wird die Entwicklung von Windkraftwerken vorangetrieben, die mittels der Drehung ihrer Rotorblätter einen Generator antreiben, der elektrischen Wechselstrom produziert. Seit 1997 ist Deutschland weltweit führend in der Windenergienutzung. Die Vorteile dieser Stromerzeugungsmethode liegen auf der Hand: Keine Rohstoffe werden verbrannt, die nicht erneuerbaren Rohstoffreserven von Erdöl, Kohle und Erdgas werden also geschont, und es entstehen keine betrieblichen Schad- und Abfallstoffe; besonders die Emission des Treibhausgases Kohlendioxid kann auf diese Weise weitgehend vermieden werden. Dem steht eine Reihe von Problemen gegenüber, deren Bewertung heftig umstritten ist. Beispielsweise müssen wegen der geringen Energiedichte des Windes, die Anlagen mit einer Leistung von deutlich mehr als wenigen Megawatt nicht zulässt, sehr viele Windkraftwerke aufgestellt werden, damit ein wesentlicher Beitrag zur Stromversorgung geleistet werden kann. In Deutschland eignen sich nur ausgewählte windreiche Standorte an den Küsten und auf den Höhenzügen der Mittelgebirge zur Errichtung von Windrotoren, und auch dort ändert sich das Windangebot zeitlich in fast unvorhersehbarer Weise sehr stark, sodass nur ein Bruchteil der Zeit eines Jahres zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Unter anderem dadurch ist der Windstrom zurzeit noch relativ teuer. Ob der Boom der Windenergie weitergehen kann, wird letztendlich eine politische Entscheidung sein, die für oder gegen eine saubere, aber nicht unproblematische Alternative zu den herkömmlichen Verbrennungs- und Kernspaltungskraftwerken fallen wird.

Aufbau und Wirkungsweise eines Windkraftwerkes

Die wichtigsten Teile eines Windkraftwerkes sind der Rotor, der über eine Welle und manchmal über ein Getriebe mit dem Generator verbunden ist. Darüber hinaus gibt es einen Blattverstellmechanismus und eine Windrichtungsnachführung. Beide dienen dazu, in Abhängigkeit von der Stärke und der Richtung des Windes die günstigsten Verhältnisse automatisch einzustellen. Durch den Wind wird der Rotor in Bewegung gesetzt. Man benutzt heute meist Rotoren mit horizontaler Achse und zwei oder drei Rotorblättern, da mit einer solchen Anordnung der höchste Wirkungsgrad erzielt wird. Die Rotorbewegung wird über die Welle und, falls vorhanden, über das Getriebe auf den Läufer des Generators übertragen. In ihm erfolgt eine Umwandlung von Rotationsenergie in elektrische Energie.
Größere Anlagen haben eine maximale Leistung von 500 kW, wobei diese Maximalleistung nur bei ausreichender Windstärke erreicht wird.

Die Energieumwandlungen und auch die auftretenden Energieverluste lassen sich gut in einem Energieflussdiagramm veranschaulichen. Der theoretisch höchste erreichbare Wirkungsgrad beträgt bei Windkraftanlagen ca. 60 %, da man grundsätzlich nicht die gesamte Windenergie nutzen kann. Nach Abzug der Getriebe- und Generatorverluste erreicht man heute bei modernen Windkraftanlagen einen Wirkungsgrad zwischen 40 % und 45 %. Da die Technik weitgehend ausgereift ist, sind beim Wirkungsgrad von Windkraftanlagen kaum noch Steigerungen zu erwarten.

Zukünftige technologische Entwicklungen
Um das Energieangebot, das im Wind steckt, so effektiv wie nur möglich nutzen zu können, wird noch viel Entwicklungsarbeit nötig sein. Zurzeit zeichnen sich vier Tendenzen ab, die eine wesentliche Leistungssteigerung versprechen:

• Luftturbulenzen, die bei der Umströmung der Rotorblätter auftreten, sind starke Energiefresser. Je glatter die Luft um die Blätter strömt, desto mehr Energie fangen diese ein. Hier kann ein geeignet geschnittenes Profil der Blätter helfen.
• Einerseits müssen die Türme der Windkraftwerke so hoch wie nur möglich sein, um in den Bereich höherer Windgeschwindigkeiten zu kommen, andererseits können sehr hohe Türme bei starker Belastung zu schwingen beginnen, wodurch die ganze Konstruktion instabil wird; insbesondere beim An- und beim Abschalten der Anlage besteht diese Gefahr. Steifere Bauweise und ein beschleunigter An- und Abschaltvorgang können hier die Möglichkeit einer höheren und damit wesentlich leistungsstärkeren Bauweise eröffnen.
• Bei netzgekoppelten Anlagen gibt die Netzfrequenz die Drehzahl des Generators und über das Getriebe auch die Drehzahl des Rotors vor. Sie ist starr, ungeachtet dessen, dass der Wind einmal mehr, einmal weniger Energie anbietet. Teile des Angebots müssen also ungenutzt vorbeistreichen, weil der drehzahlstarre Rotor keine Drehzahländerung erlaubt, die nötig wäre, um dem vermehrten oder verminderten Angebot zu folgen. Hier helfen Maschinen freier Rotordrehzahl, die dem Windenergieangebot folgen und bei denen die Frequenz des erzeugten Wechselstroms elektronisch auf die Netzfrequenz eingeregelt wird.
• Die vielleicht Wichtigste der vier Entwicklungstendenzen ist die windenergetische Wettervorhersage. Derzeit ist Windstrom aus Einzelanlagen zu nur sehr kleinen Teilen sichere Leistung. Es müssen andere Kapazitäten, in der Regel Kohle- oder Ölkraftwerke, vorgehalten werden, die einspringen, wenn der Wind abflaut. Windkraftwerke sparen also eigentlich nur punktuell Brennstoffe ein, ersetzen aber keine anderen Kraftwerke. Die Größe der vorgehaltenen Ersatzkapazitäten könnte verringert werden, wenn durch das Mittel einer verlässlichen, satellitengestützten windenergetischen Wettervorhersage sichere Windenergieleistungen zeit- und mengengenau vorhergesagt werden könnten.

Das technische Potenzial der Windenergie

Heute, 25 Jahre nach Beginn der modernen Windenergienutzung, gibt es weltweit Windenergieanlagen mit einer elektrischen Leistung von mehr als 10.000 MW, mit Schwerpunkten in Europa und den USA, zunehmend aber auch in Ländern rund ums Mittelmeer, in Indien und China. Die Leistung pro Anlage ist mit den Jahren gestiegen. Am Anfang wurden Maschinen mit wenigen Kilowatt (kW) aufgestellt, danach mit 10 kW, heute mit mehreren 100 kW; ein bis zwei oder drei MW pro Maschine sind in der Zukunft möglich, heute aber noch nicht kommerziell verfügbar. Je nach der Windleistung am Standort kann pro installiertem kW mit einer erzeugten elektrischen Energie von 2 000 bis 4 000 Kilowattstunden pro Jahr gerechnet werden. Wie viel Leistung man in Deutschland mit Windenergie tatsächlich erzeugen kann, ist umstritten, da die Annahmen, die den Potenzialabschätzungen zugrunde liegen, große Unsicherheiten aufweisen. Beispielsweise müssen bei der Berechnung der Flächen, auf denen Windenergienutzung möglich ist, von den meteorologisch geeigneten Arealen alle Flächen abgezogen werden, die aus Sicherheits-, Lärmschutz-, Landschafts- oder Naturschutzgründen nicht infrage kommen und die schon anderweitig genutzt werden. Auch kann nicht beliebig viel Strom ins Stromnetz eingespeist werden, wenn bei kräftigem Wind die Windrotoren auf voller Leistung laufen. Die Abschätzung der möglichen Gesamtleistung aus Windstrom für Deutschland schwankt entsprechend zwischen 2 und 56 Gigawatt.
Aus einer neueren Potenzialabschätzung für die erneuerbaren Energien in Deutschland ergeben sich für das technische Potenzial der Nutzung der Windenergie zur Stromerzeugung bis zu 83 Millionen Megawattstunden pro Jahr; verglichen mit der Bruttostromerzeugung von 2001, die sich insgesamt auf etwa 610 Millionen Megawattstunden belief, sind das ca. 14 %.

Probleme der Windenergie

Die Gewinnung elektrischer Energie aus Windenergie ist auch mit Problemen verbunden. Auch an den günstigen Standorten mit hohen mittleren Windgeschwindigkeiten bläst der Wind nicht immer mit unverminderter Stärke. Auf Sylt beispielsweise, ein sehr guter Standort, ist der Wind während 27 % der Zeit des Jahres, das sind immerhin 2365 Stunden, zu schwach für die Windrotoren. Verallgemeinert heißt das, dass sich die energiewirtschaftliche Nutzung der Windenergie zeitlich kaum planen lässt, da das Angebot extrem starken witterungsbedingten Schwankungen unterliegt. „Hat man Korn, so fehlts am Winde, hat man Wind, so fehlts am Korn“, sagt der Windmüller bei WILHELM BUSCH zu diesem altbekannten Dilemma. Versorgungssicherheit rund um die Uhr mit ausreichenden Energiemengen kann also mit Windenergie allein nicht erreicht werden, ein hoch industrialisiertes Land wie Deutschland kann sein Stromversorgungskonzept allein deshalb nicht nur auf dem Wind aufbauen. In Zeiten der Flaute müssen herkömmliche Kraftwerke, meist auf Kohle- oder Erdölbasis, in die Bresche springen. Windenergie kann also helfen, Brennstoffe zu sparen und Schadstoffemissionen zu verringern, nicht jedoch, herkömmliche Kraftwerke überflüssig zu machen.
Das zweite wesentliche Problem der Windenergie ist die geringe Energiedichte des Windes: Ein Rotor erzeugt heute, wie erwähnt, eine Leistung im Bereich mehrerer Hundert Kilowatt, in der Zukunft werden es vielleicht einige Megawatt sein. Demgegenüber hat ein modernes konventionelles Kraftwerk heute eine Leistung im Gigawattbereich; das ist um einen Faktor tausend mehr! Das heißt: Soll die Windenergie tatsächlich einen wesentlichen Beitrag zur Stromversorgung leisten, so müssen sehr viele Anlagen aufgestellt werden.

Wollte man beispielsweise 15 % des Strombedarfs der fünf Bundesländer an der Nord- und Ostseeküste durch Windrotoren erzeugen - das sind ungefähr sechs Gigawatt -, so müssten etwa längs der Strecke Emden-Hamburg auf einer Länge von 190 km 22 ununterbrochene Reihen von Windkraftwerken stehen, eine Leistung von 450 kW und einen realistischen Abstand zwischen zwei Anlagen von 320 m vorausgesetzt!
Diese hohe Zahl der für eine bedarfsdeckende Stromerzeugung erforderlichen Anlagen ist es, die die weiteren Nachteile der Windkraftwerke zu einem wirklichen Problem werden lässt:

• Eine Windenergieanlage verursacht ein erhebliches Geräusch, verursacht durch die Drehung des Rotors und durch die Turbulenzgeräusche an Turm und Rotorblättern.
• Windenergie ist zwar nicht flächenintensiv im engen Sinne des Wortes: Die Grundfläche der Anlagen ist gering. Eine andere Nutzung der Flächen zwischen den Anlagen als durch die Landwirtschaft ist jedoch nicht möglich; selbst Baumbestand im Umkreis von einigen Hundert Metern um die Türme muss vermieden werden.
• Windenergie ist landschaftsintensiv: Die Veränderung des Landschaftsbilds durch die Windenergietürme, besonders wenn sie in großer Zahl auftreten, ist erheblich. Als störend wird auch empfunden, wenn das Sonnenlicht von hinten durch die sich drehenden Rotorblätter fällt und man ein helles und hochfrequentes Blinken wahrnimmt („Stroboskopeffekt“).
• Die Rotorblätter stellen eine Gefahr für durchziehende Vogelschwärme dar, die jedoch bisweilen überschätzt wird; nach mehreren diesbezüglichen Studien verursachen zwei Windrotoren pro Jahr den Tod eines Vogels. Hinzu kommt allerdings, dass manche Vogelarten im Umkreis von einigen Hundert Metern um eine solche Anlage weder brüten noch sich niederlassen.

Besonders die Lärmbelästigung und die Veränderung des Landschaftsbilds führen zu zunehmenden Protesten in der Bevölkerung; es ist zu erwarten, dass mit steigender Zahl der Anlagen die Akzeptanz weiter sinkt. Die Installation von Anlagen in der Nordsee (»offshore«) würde die Belästigung von Anwohnern verringern, es muss dann aber auf den Schutz der belasteten Ökosysteme der Nordsee geachtet werden.

Und die Kosten?

Was eine Kilowattstunde Strom aus Windenergie kosten darf, damit sie ökonomisch vertretbar und im Wettbewerb konkurrenzfähig ist, ist eine strittige Frage. Kritiker der Windenergie rechnen vor, dass der Strom nicht teurer sein darf als die Brennstoffkosten der konventionellen Kraftwerke, die zugunsten der Windrotoren zeitweise abgeschaltet werden, da die Kohle- und Ölanlagen durch die Windenergie nicht überflüssig werden, also gebaut, gewartet und schließlich stillgelegt werden müssen. Unter dieser Voraussetzung dürfte eine Kilowattstunde Windstrom nur etwa 3 Cent kosten. Die ökonomisch attraktivsten Anlagen an der Küste kommen auf Stromerzeugungskosten von immerhin etwa 6 bis 7 Cent pro Kilowattstunde.
In den Augen der Befürworter der Windenergie greifen solche Zahlenspiele zu kurz. Nicht berücksichtigt wurden hier die immensen Folgekosten der konventionellen Energieerzeugung, die von der gesundheitlichen und der Umweltbelastung durch Rest- und Schadstoffe und der unwiederbringlichen Ausbeutung der fossilen Rohstofflager herrühren. Realistische Zahlenwerte für diese Kosten sind kaum vorhanden; noch weiß niemand, wie teuer wir in Zukunft für die Sünden der Vergangenheit und der Gegenwart bezahlen müssen.

Perspektiven der Nutzung von Windenergie

1998 wurden etwa 0,8 % des Strombedarfs in Deutschland durch Windkraft erzeugt, dadurch wird knapp ein Prozent der jährlichen Kohlendioxidemission, die etwa eine Milliarde Tonnen beträgt, eingespart. Im Jahr 2000 stieg der Anteil an der Elektroenergieerzeugung bereits auf ca. 1,5 %.
Damit die Windenergie in Zukunft einen wesentlicheren Beitrag zu Stromproduktion und Umweltschutz leisten und vom Experimentierstadium in die Praxistauglichkeit treten kann, ist noch viel Entwicklungsarbeit nötig. Dafür müssen auch andere Fördermöglichkeiten als das Stromeinspeisungsgesetz konzipiert werden, das einerseits von der Europäischen Union, andererseits auch von der nationalen Elektrizitätswirtschaft mit Unbehagen betrachtet wird. Ohne die Hilfe der Politik, die hier über das Tagesgeschäft hinausschauen muss, um den notwendigen Alternativen zu Öl, Kohle und Gas den Weg zu ebnen, kann der Boom der Windenergie schnell wieder abflauen.