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Windenergie

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Windsack

Bei der Windenergie handelt es sich um die kinetische Energie der bewegten Luftmassen der Atmosphäre. Sie ist eine indirekte Form der Sonnenenergie und zählt deshalb zu den erneuerbaren Energien. Die Windenergie-Nutzung ist die älteste Form, Energie aus der Umwelt zu schöpfen und war bereits im Altertum bekannt.

Entstehung der Windenergie

Verteilung der Windgeschwindigkeiten
Segelschiff

Die ungleichmäßige Einstrahlung der Sonnenenergie auf die Erdoberfläche bewirkt eine unterschiedliche Erwärmung der Atmosphäre, der Wasser- und der Landmassen. Dann ist eine Seite der Erde, die Nachtseite, der Sonne abgewandt, zudem ist die solare Einstrahlung in Äquatornähe größer als an den Polen. Schon durch die hierbei entstehenden Temperatur- und damit auch Druckunterschiede, geraten die Luftmassen zwischen der Zone um den Äquator und den Polen, als auch zwischen der Tag- und der Nachtseite der Erde, in Bewegung. Die Rotation der Erde trägt ebenfalls zur Verwirbelung der Luftmassen bei, und die Schiefstellung der Rotationsachse der Erde zur Ebene, die die Erdbahn durch das Umkreisen der Sonne bildet, (ekliptikale Ebene) führt zu jahreszeitlichen Luftströmungen.

Es entwickeln sich Hoch- und Tiefdruckgebiete. Da die Erde sich dreht, sind die vom Hoch- in ein Tiefdruckgebiet fließenden Luftmassen dem Einfluss der aus der Rotation resultierenden Corioliskraft ausgesetzt,sie strömen deshalb nicht geradlinig zum Ziel. Vielmehr bilden sich auf der Nord- und Südhalbkugel Wirbel mit jeweils anderer Drehrichtung. Auf der Nordhalbkugel strömen die Luftmassen (aus dem Weltall gesehen) gegen den Uhrzeigersinn in ein Tiefdruckgebiet hinein und mit dem Uhrzeigersinn aus einem Hochdruckgebiet heraus. Auf der Südhalbkugel sind die Orientierungen umgekehrt.

Zu diesen globalen Störungen kommen lokale Einflüsse hinzu, die Winde entstehen lassen. Aufgrund der verschiedenen Wärmekapazitäten von Wasser und Land erwärmt sich das Land tagsüber schneller als das Wasser, und es weht tagsüber durch die entstehenden Druckunterschiede ein Wind vom Wasser auf das Land. Nachts kühlen die Landmassen schneller ab als das Wasser, und der Effekt kehrt sich um. Zusätzlich kann sich der Wind über dem Wasser ungebremst entwickeln, so dass es besonders in Küstengebieten zu regelmäßigen und starken Winden kommt. Auch durch Bergformationen und andere lokale Ausprägungen ( z.B. Städte), kann es zu Windströmungen kommen, die häufig verstärkt werden durch Verengungen an Hindernissen (Düsen- oder Kapeffekte).

Die Stärke des Windes hängt in den unteren Luftschichten ganz wesentlich von den dort vorhandenen Landschaftselementen ab. Wasser, Wiese, Wald oder Bebauung werden als verschiedene Rauigkeiten abgebildet, die die Reibung der Luft an der Erdoberfläche beschreibt. Dieser Effekt führt zu einer Verringerung der Windgeschwindigkeit, in Abhängigkeit von der Höhe über dem Boden.

Winde und Windsysteme

Weltweit gibt es viele verschiedene Winde und Windsysteme, wie zum Beispiel den Föhn, den Mistral, die Bora oder den Scirocco.

Bei einer Betrachtung der vertikalen Unterteilung der Atmosphäre ist alleine deren untere Schicht, die Troposphäre, für eine Nutzung der Windenergie von Interesse. Von besonderer Wichtigkeit ist die Höhe, in welcher der Übergang von der Prandtl-Schicht (bis 20-60 m) zur Ekman-Schicht verläuft. Diese zwei Schichten unterscheiden sich darin, wie sich die Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit verändert. In der Ekmanschicht ist der Einfluss der Rauigkeit praktisch nicht mehr vorhanden und so ist die Windgeschwindigkeit dort gleichmäßiger und weniger durch Turbulenzen geprägt.

Auswirkungen des Windes auf die Umwelt

In besonderen Situationen wird die Windenergie so verstärkt, dass es zu Stürmen kommt, die in ihrer Extremform zu großen Zerstörungen an der Natur und den von Menschen geschaffenen Bauwerken führen. Oft sind auch direkt oder indirekt Menschen betroffen. Diese Naturkatastrophen treten in bestimmten Gebieten der Erde jahreszeitlich bedingt, und in Kombination mit anderen Wetterfaktoren regelmäßig auf, kommen aber in Einzelfällen auch an anderen Orten vor.

Physik der Windenergie

Windenergie ist kinetische Energie der Luftteilchen, welche sich mit der Geschwindigkeit bewegen. Eine Kreisfläche, die senkrecht zur Windrichtung steht, wird dabei in der Zeit von folgender Masse durchströmt:

Somit ergibt sich die kinetische Energie des Windes zu:

Hierbei ist bemerkenswert, dass die Windleistung mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zunimmt. Somit ist diese einer der bestimmenden Faktoren bei der technischen Nutzung der Windenergie.

Die Leistung des Windes, welche etwa ein Windgenerator als elektrische Leistung nutzen kann, ist erheblich geringer, weil die Geschwindigkeit in einem Windrad nicht auf "0" abgebremst werden kann. Diese Tatsache wird mit dem Betzschen Faktor berücksichtigt.

Dieser Betzsche Faktor ist kein Wirkungsgrad, sondern ein sogenannter "Erntefaktor", da die nicht geerntete Windenergie erhalten bleibt, einerseits in der oben genannten Restbewegungsenergie des durch das Windrad hindurchtretenden Windes, andererseits, weil der Wind dem Windrad ausweicht und dieses ungebremst umströmt. Dieser Teil macht im genannten Erntemaximum 1/3 der gesamten Windleistung aus, während der Energieverlust durch die Restenergie der durch das Windrad getretenen Luftmenge nur ca. 12% ausmacht. Insgesamt beträgt der Erntegrad somit ca. 67% von 88%, das sind ca. 59%. In Windparks versucht man, die "Schattenwirkung" eines Windrades zu mindern, indem man die Luft weniger abbremst. Am Erntegrad ändert dies relativ wenig im Vergleich zur Minderung des Windschattens. Bei einer Abbremsung des Windes auf 50% beträgt die Restenergie noch 25%, während sich die ausweichende Luftmenge auf 25% reduziert. Der Erntegrad sinkt auf 56,25%, bei deutlich verringerter Belastung des Windrades. Bei einer Abbremsung auf 2/3 immerhin noch 46,3%.

Die im Wind enthaltene Strömungsenergie kann theoretisch zu maximal 59,3 % entnommen werden. Der Wert, der die dem Wind entnommene Leistung ins Verhältnis mit der im Wind enthaltenen Leistung setzt, wird Betz'scher Leistungsbeiwert (cp,Betz) genannt und wurde von Albert Betz im Jahr 1926 ermittelt (siehe Betzsches Gesetz). Anschaulich und prinzipiell ist dieser Sachverhalt auch zu erklären: wenn der Windströmung Leistung entnommen wird, verlangsamt sich der Wind. Da jedoch der Massenstrom gleich bleiben muss, weitet sich bei einer frei angeströmten Windenergieanlage der Wind auf, da eben bei der langsameren Geschwindigkeit hinter der Anlage die gleiche Menge Luft abtransportiert werden muss. Aus eben diesem Grund ist die komplette Umwandlung der Windenergie in Rotationsenergie mit einer Windenergieanlage nicht möglich. Ein solcher Fall würde bedeuten, dass hinter der Windenergieanlage die Luftmassen ruhen würden.

Nutzung der Windenergie

Windmühle
Kite-Surfen

Hauptartikel zur Geschichte: Geschichte der Windenergienutzung

Die Windenergie wird seit Jahrhunderten vom Menschen für seine Zwecke genutzt. Es kam zum einen zur Nutzung des Windes zur Fortbewegung mit Segelschiffen oder Ballons. Zum anderen wurde die Windenergie zur Verrichtung mechanischer Arbeit mit Hilfe von Windmühlen und Wasserpumpen genutzt.

Nach der Entdeckung der Elektrizität und der Erfindung des Generators lag auch der Gedanke der Nutzung der Windenergie zur Stromerzeugung nahe. Anfänglich wurden die Konzepte der Windmühlen nur abgewandelt und statt der Umsetzung der kinetischen Energie des Windes in mechanische Energie wurde über einen Generator elektrische Energie erzeugt. Mit der Weiterentwicklung der Strömungsmechanik wurden auch die Aufbauten und Flügelformen spezialisierter, und man spricht heute von Windenergieanlagen (WEA). Seit den Ölkrisen in den 1970er Jahren wird weltweit verstärkt nach Alternativen zur Energieerzeugung geforscht und damit wurde auch die Entwicklung moderner Windenergieanlagen vorangetrieben. Der Ausdruck Windmühle ist für stromerzeugende Anlagen nicht korrekt, da sie kein Mahlwerk besitzen.

Weitere Anwendungen

Stromerzeugung aus Windenergie

Datei:Windkraftanlagen Dänemark.jpg
Windenergieanlagen in Dänemark

Windenergieanlagen können in allen Klimazonen, auf See und in allen Landformen (Küste, Binnenland, Gebirge) zur Gewinnung elektrischen Stroms eingesetzt werden. Aufgrund der Unstetigkeit des Windes kann die mit Windenergieanlagen gewonnene elektrische Energie nur im Verbund mit anderen Energiequellen oder Speichern für eine kontinuierliche Energiebereitstellung genutzt werden. (Siehe auch Regelenergie) Durch Prognose der Einspeisung und Austausch in und zwischen den deutschen Übertragungsnetzen (Regelzonen) kann die schwankende Stromerzeugung im Zusammenspiel mit anderen Kraftwerken wie die normalen Verbrauchsschwankungen ausgeglichen werden. Die Verknüpfung der Regelzonen und die Gesamtreserve dauerverfügbarer Energiequellen definieren daher zukünftig den Gesamtanteil der Windenergie an der Stromerzeugung. Für Deutschland geht man derzeit von 20 bis 25 % maximalem Anteil aus. Eine andere Möglichkeit die Schwankungen auszugleichen besteht in der Nutzung von Pumpspeicherkraftwerken, Druckluftspeicherkraftwerken, Wasserstoffelektrolyse- und Verbrennung und Schwungradspeichern (siehe norwegisches Modellprojekt auf der Insel Utsira). Die Kombination dieser Techniken, mit dem sogenannten Demand Side Management, also der zeitweiligen Abschaltung oder dem verzögerten Betrieb nicht zwingend notwendiger Verbraucher, ist ebenfalls eine Möglichkeit die Schwankungen bei der Windenergieerzeugung auszugleichen.

Andererseits weht der Wind aufgrund der Sonneneinstrahlung tagsüber meist stärker als nachts und passt sich somit auf natürliche Weise dem am Tag höheren Energiebedarf an. Die Höhe der vorzuhaltenden Reserveleistung (Regelenergie) hängt hierbei auch von der Vorhersagegenauigkeit des Windes, der Regelungsfähigkeit des Netzes sowie dem Stromverbrauch ab. (weitere Informationen im Artikel Windenergieanlage.)

Ältere drehzahlstarre Windenergieanlagen mit Asynchrongeneratoren haben z.T. Eigenschaften, die bei einem starken Ausbau Probleme im Netzbetrieb bereiten können; dies betrifft vor allem den sog. Blindstrom. Dem kann durch Blindstromkompensation abgeholfen werden; moderne drehzahlvariable Anlagen mit elektronischem Stromumrichter können den Blindstromanteil ohnehin nach den Anforderungen des Netzes beliebig einstellen und auch Spannungsschwankungen entgegen wirken, so dass sie sogar zu Netzstabilisierung beitragen können.

Windenergie ist, wenn alle externen Kosten der Energieerzeugung (auch die Umweltschäden durch z. B. Schadstoffausstoß) einbezogen werden, neben der Wasserkraft eine der billigsten Energiequellen (siehe [1]). Moderne Windenergieanlagen besitzen eine kurze energetische Amortisationszeit von nur wenigen Monaten. (siehe [2]).

Als lukrativ gelten Winde, die in einer Höhe von 80 Metern über dem Erdboden wenigstens 6,9 m/s vorankommen. Sie werden als Winde der Klasse drei bezeichnet und sind an der Nordsee, der Südspitze Südamerikas, der australischen Insel Tasmanien und an den Großen Seen im Norden der USA üblich.

Förderungen der Windenergienutzung

Windpark

Windenergie wird in vielen Ländern unabhängig von politischer Ausrichtung gefördert, beispielsweise durch Steuergutschriften (PTC in den USA), Quoten- oder Ausschreibungsmodelle (z. B. Großbritannien, Italien) oder Mindestpreissysteme (z. B. Deutschland, Spanien, Österreich, Frankreich, Portugal, Griechenland). Das Mindestpreissystem verbreitet sich immer mehr und erzielt im Mittel einen niedrigeren Strompreis bei höherer Installation an Leistung.

Windenergie muss in vielen Strommärkten mit zum Teil längst abgeschriebenen Kraftwerken konkurrieren, daneben ist die Technologie noch relativ jung. Die Verbesserungspotentiale werden erst durch die industrielle Forschung und Fertigung erschlossen. Daher wurde in Form des Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) in Deutschland ein mit der Zeit sinkender Ausgleich zu den konventionellen Energielieferanten geschaffen, der es der jungen Branche erlaubt sich zu entwickeln. Hierin werden Mindestvergütungen festgelegt, die von den Netzbetreibern an die Betreiber von Anlagen zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien zu zahlen sind. Die Höhe der Mindestvergütung ist degressiv gestaltet, d. h. sie nimmt zukünftig ab. Außerdem vermindert die Inflation den Wert der Vergütung. Es handelt sich im Gegensatz zu einer Subvention (wie zum Beispiel der deutschen Steinkohle) nicht um eine Förderung aus der Steuerkasse, vielmehr werden die Abnehmer (Stromnetzbetreiber) zu einem etwas höheren Strompreis verpflichtet. Das Umlagevolumen der EEG-Vergütung darf dabei nicht einem Fördervolumen bzw. Mehrkosten gleich gesetzt werden. Vielmehr muss die EEG-Umlage mit vermiedenen Erzeugungskosten, Vertriebs-, Handelskosten und anteilig vermiedenen Netzkosten verrechnet werden. Hierdurch ergibt sich derzeit eine Förderhöhe, die etwa der Hälfte der EEG-Umlage entspricht. Die Mehrkosten für alle Verbraucher liegen aktuell je nach Literaturquelle tatsächlich bei etwa 0,2 - 0,6 ct/kWh bei einem Marktanteil von etwa 6 %. Zum Vergleich werden gerne 2 - 3 ct/kWh von den Stromversorgungsunternehmen hierfür beziffert.

Der allgemeine Subventionsvorwurf gegen die Windenergie bezieht sich in der Regel auf die EEG-Förderung. Dass es sich bei Transfers aus dem EEG um keine Subventionen handelt, wurde vom Europäischen Gerichtshof (EuGH) bestätigt. Auch der Subventionsbegriff laut § 12 des Stabilitäts- und Wachstumsgesetzes wird vom EEG nicht erfüllt.

Subventionen, die den Betreibern von Windenergieanlagen aktuell gewährt werden sind:

  • Auf Antrag Befreiung von der Stromsteuer für Bezugsstrom (insgesamt bundesweit weniger als 100.000 € im Jahr 2004)
  • Kreditverbilligungen der KFW-Bankengruppe. Günstige Kredite für Investitionen werden z. B. auch mittelständischen Betrieben oder Privathaushalten für Gebäudesanierungen gewährt. Auch Betreiber von Windenergianlagen können Mittel beantragen. Dies ist jedoch zeitaufwändig und die Rückzahlung unflexibel in der Tilgung, weshalb oft darauf verzichtet wird. Der Zinsvorteil dieser Kredite ist mit den Zinsen am freien Kapitalmarkt gegenzurechnen und als Subvention zu bewerten. Bei einem Zinsvorteil von 0,5 % bis 1 % ergibt sich für 2003 eine Subvention der Windenergie von schätzungsweise 18,5 bis 37 Millionen Euro.

Investitionskostenzuschüsse von Bund und Ländern für die Errichtung von Windenergieanlagen werden seit Ende der 90'er Jahre nicht mehr gewährt. Steuerlich gibt es keine Sonderregelungen für den Betrieb von Windenergieanlagen, die von anderen beweglichen Wirtschaftsgütern abweichen.

Windkraftgegner halten neben der Landschaftszerstörung durch "Windspargel" die bisher fehlende Fähigkeit zur Energiespeicherung und die höheren Kosten für Regelenergie und Ausbau der Stromverteilungsnetze diesen Berechnungen entgegen.

Statistik

International gehört Deutschland vor den USA, Spanien und Indien zu den größten Nutzern von Windenergie zur Erzeugung von elektrischem Strom. Österreich lag Ende 2003 auf Platz 11. Dänemark verzeichnet mit 30 Prozent die größte Windenergiequote weltweit.

Installierte Nennleistung international

Unter den zwanzig größten Märkten sind alleine 13 europäische Länder vertreten, mit großem Abstand führend ist Deutschland. In Deutschland, Dänemark und Spanien gab es über Jahre eine durch den politischen Willen getragene gleichmäßige Entwicklung der Windenergie. Dies hat zur Entwicklung eines neuen Industriezweiges in diesen drei Ländern geführt. Deutsche Technologien (neben dänischen und spanischen Entwicklungen) wurden daher in den letzten Jahren auch verstärkt in anderen Märkten eingesetzt. Dadurch ist der Exportanteil deutscher Hersteller im Steigen begriffen.

Obwohl die restlichen Länder mit Ausnahme der Nr. 21 (Ägypten mit 145 MW) jeweils weniger als 100 MW installiert haben, findet man hier viele Länder, die erst in den letzten Jahren die Windenergie für sich entdeckt haben und denen in den nächsten Jahren ein starkes Wachstum prognostiziert wird. Für 2005 geht man von ca. 10.000 MW neu zu installierender Leistung weltweit aus, von denen "nur" ca. 1800 MW in Deutschland hinzukommen.

Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Volllaststunden in den Ländern die tatsächlich produzierte Energie pro Jahr sehr unterschiedlich beeinflussen.

Lfd. Nr. Land (Staat) Leistung in MW
01 Deutschland 16.628
02 Spanien 8.263
03 USA 6.752
04 Dänemark 3.118
05 Indien 2.983
06 Italien 1.265
07 Niederlande 1.078
08 Japan 940
09 Großbritannien 897
10 China 764
11 Österreich 607
12 Portugal 523
13 Griechenland 466
14 Kanada 444
15 Schweden 442
16 Frankreich 390
17 Australien 380
18 Irland 353
19 Neuseeland 170
20 Norwegen 160
Restliche Welt 951
Weltweit gesamt 47.574

Quelle: WINDPOWER MONTHLY 04/2005, Internet: www.windpower-monthly.com Stand: Ende 2004

Installierte Nennleistung in Deutschland

(Weitere Statistiken unter Windenergieanlagenhersteller und Windenergieanlage (WEA).)


Statistik Windenergie Deutschland
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Statistik Windenergie Deutschland und Europa (Quelle:VGB)

Installierte Leistung in Deutschland nach Bundesländern

Bundesländer alphabetisch Anzahl WEA Leistung in MW
Baden-Württemberg 261 263
Bayern 271 258
Berlin 0 0
Brandenburg 2.033 2.620
Bremen 46 52
Hamburg 57 34
Hessen 522 426
Mecklenburg-Vorpommern 1.135 1.095
Niedersachsen 4.508 4.905
Nordrhein-Westfalen 2.395 2.226
Rheinland-Pfalz 761 810
Saarland 54 57
Sachsen 695 703
Sachsen-Anhalt 1.652 2.201
Schleswig-Holstein 2.740 2.275
Thüringen 444 502
Deutschland gesamt 17.574 18.428

Quelle: Deutsches Windenergie-Institut, Stand: 31.12 2005

Anteil der Windenergie an der Stromproduktion in Deutschland 2004

Deutschland hat 2004 mit 25.000 GWh erstmals mehr Strom aus Windenergie produziert, als aus dem bis dahin meistgenutzten erneuerbaren Energielieferanten Wasserkraft (20.900 GWh). Damit beträgt der Anteil 4,16 % des gesamten BRD- Stromverbrauches. Dies entspricht in etwa der Stromproduktion von 2,5 deutschen Kernkraftwerken.

Anteil der Windenergie am Primärenergieverbrauch in Deutschland 2004

Zur Erfüllung des Kyoto-Protokolls ist der Anteil der regenerativen Energie am Gesamtenergieverbrauch eine wichtige Größe. Hier beträgt Anteil der Windenergie am Primärenergieverbrauch in Deutschland 0,6 %. Die aus Wind gewonnene Energie (2004) von 25.000 GWh entspricht 2,6 Millionen SKE bei einem Primärenergieverbrauch von ungefähr 492,6 Millionen SKE).

Installierte Nennleistung in Österreich

In Österreich sind derzeit 531 Windenergieanlagen mit einer Leistung von 818,9 Megawatt am Netz (Stand Ende 2005). Dies entspricht in etwa dem Verbrauch von 470.000 Durchschnittshaushalten. Die Schwerpunkte der österreichischen Windenergienutzung liegen in Niederösterreich und im Burgenland. In der Steiermark wurde 2002 in Oberzeiring der weltweit höchste Windpark auf 1900 m Seehöhe errichtet. Er umfasst derzeit 11 Anlagen mit einer Gesamtleistung von 19,25 MW.

Bundesländer alphabetisch Anzahl WEA Leistung in MW
Burgenland 206 369,2
Kärnten 1 0,5
Niederösterreich 264 377,3
Oberösterreich 23 26,4
Salzburg 0 0
Steiermark 25 37,1
Tirol 0 0
Vorarlberg 0 0
Wien 12 8,4
Österreich gesamt 531 818,9


Quelle: IG Windkraft Österreich

siehe: Liste der Kraftwerke#Windkraft


Installierte Nennleistung in Frankreich

Région Leistung in MW
Bretagne 19,80
Basse-Normandie 10,80
Champagne-Ardenne 1,50
Haute-Normandie 0,00
Île-de-France 0,06
Languedoc-Roussillon 104,58
Lorraine 9,00
Nord-Pas-de-Calais 24,03
Midi-Pyrénées 23,60
Pays de la Loire 19,50
Picardie 4,25
Poitou-Charentes 0,00
Provence-Alpes-Côte d'Azur 1,70
Rhône-Alpes 3,60
Frankreich gesamt 222,42

Quelle: Deutsches Windenergie-Institut - DEWI Stand Ende 2003

Literatur

  • A. Betz: Windenergie und ihre Ausnutzung durch Windmühlen. Ökobuch, Kassel 1982 (unv. Reprint der Ausgabe Vandenhoeck & Ruprecht, Göttingen 1926)
  • R. Gasch, J. Twele: Windkraftanlagen. 4. vollst. überarb. u. erw. Auflage. Teubner, Stuttgart 2005, ISBN 3-519-36334-8
  • S. Geitmann: Erneuerbare Energien und alternative Kraftstoffe. 2. Auflage. Hydrogeit, Kremmen 2005, ISBN 3937863052
  • Erich Hau: Windkraftanlagen. Springer Verlag, Berlin 2002, ISBN 3-540-42827-5
  • Siegfried Heier: Windkraftanlagen: Systemauslegung, Netzintegration und Regelung. 4. Auflage. Teubner, Stuttgart 2005, ISBN 351936171X
  • Jens-Peter Molly: Windenergie: Theorie, Anwendung, Messung. 2. vollst. überarb. u. erw. Auflage. Verlag C.F. Müller, Karlsruhe 1990, ISBN 3-7880-7269-5
  • Horst Crome: Handbuch Windenergie-Technik. Ökobuch Verlag,ISBN 3922964788