Windenergie
Bei der Windenergie handelt es sich um die kinetische Energie der bewegten Luftmassen der Atmosphäre. Sie ist eine indirekte Form der Sonnenenergie. Die Windenergie-Nutzung ist die älteste Form Energie aus der Umwelt zu schöpfen und war bereits im Altertum bekannt.
Entstehung der Windenergie
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 Prandtlschicht (bis 20-60 m) zur Ekmanschicht 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 Faktorn 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 ergibt sich somit ein Erntegrad von ca. 67% mal 88% oder ca 59,26%. 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
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
- Antrieb von Segelschiffen durch den Wind gehört neben Zugtieren zu den ältesten Antriebssystemen von Verkehrsmitteln für Menschen. Im Jahr 2007 soll das erste Containerschiff mit einem Lenkdrachen der Firma Skysails ausgerüstet werden.
- Ballons
- Drachen
- Segelflugzeuge nutzen die Thermik, die nur indirekt mit den Windströmungen zusammenhängt.
Stromerzeugung aus Windenergie
Windenergieanlagen an Land gewinnen Energie, die etwa 1634 rechnerischer Volllaststunden pro Jahr (langjähriger Mittelwert deutscher WEAs) entspricht. Aufgrund der Unstetigkeit des Windes kann die mit Windenergieanlagen aus der Windenergie gewonnene elektrische Energie nur im Verbund mit anderen Energiequellen für eine kontinuierliche Energiebereitstellung genutzt werden. (Siehe auch Regelenergie) Durch die europaweite Vernetzung der Windenergieanlagen kann die Stromerzeugung jedoch teilweise ausgeglichen werden. Eine andere Möglichkeit besteht in der Nutzung von Pumpspeicherkraftwerken, bei dem Wasser zunächst in einen hochgelegenen Speicher gepumpt wird und bei schlechten Windverhältnissen Turbinen antreibt. Der Bau von Pumpspeicherkraftwerken stellt jedoch einen erheblichen Eingriff in die Natur dar.
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.)
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]).
Förderungen der Windenergienutzung
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. 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 Beteiber von Windenergianalgen 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 gegen zu rechnen 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.
Windgegner 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 sind die Länder Deutschland vor USA, Spanien, Dänemark und Indien die größten Nutzer von Windenergie zur Erzeugung von elektrischem Strom. Österreich lag Ende 2003 auf Platz 11
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. 2000 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 Statisiken unter Windenergieanlagenhersteller und Windenergieanlage (WEA).)
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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 | 252 | 249 |
| Bayern | 251 | 224 |
| Berlin | 0 | 0 |
| Brandenburg | 1.776 | 2.179 |
| Bremen | 43 | 47 |
| Hamburg | 57 | 34 |
| Hessen | 504 | 401 |
| Mecklenburg-Vorpommern | 1.093 | 1.018 |
| Niedersachsen | 4.283 | 4.471 |
| Nordrhein-Westfalen | 2.277 | 2.053 |
| Rheinland Pfalz | 694 | 704 |
| Saarland | 53 | 57 |
| Sachsen | 674 | 667 |
| Sachsen-Anhalt | 1.458 | 1.854 |
| Schleswig-Holstein | 2.688 | 2.174 |
| Thüringen | 440 | 497 |
| Deutschland gesamt | 16.543 | 16.629 |
Quelle: Deutsches Windenergie-Institut, Stand: 31. Dezember 2004
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 knapp 5 % der gesamten Stromproduktion. 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 produzierte Windernergieleistung (2004) von 25,0 GWh entspricht 2,6 Millionen SKE bei einem Primärenergieverbrauch von ungefähr 492,6 Millionen SKE).
Installierte Nennleistung in Österreich
In Österreich sind derzeit 424 Windenergieanlagen mit einer Leistung von 606 Megawatt am Netz (Stand Ende 2004). Dies entspricht in etwa dem Verbrauch von 350.000 Durchschnittshaushalten. Die Schwerpunkte der österreichischen Windenergienutzung liegen in Niederösterreich und Burgenland. In der Steiermark wurde 2002 in Oberzeiring der weltweit höchste Windpark auf einer Meereshöhe von 1900 m ü. NN errichtet. Er umfasst derzeit 11 Anlagen mit einer Gesamtleistung von 19,25 MW.
| Bundesländer alphabetisch | Anzahl WEA | Leistung in MW |
| Burgenland | 183 | 307,9 |
| Kärnten | 1 | 0,5 |
| Niederösterreich | 200 | 254,9 |
| Oberösterreich | 17 | 14,4 |
| Salzburg | 0 | 0 |
| Steiermark | 15 | 24,1 |
| Tirol | 0 | 0 |
| Vorarlberg | 0 | 0 |
| Wien | 8 | 4,4 |
| Österreich gesamt | 424 | 606,2 |
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-Ardennes | 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 |
| Prov.-Alpes-Côte-d'Azur | 1,70 |
| Rhône-Alpes | 3,60 |
| Frankreich gesamt | 222,42 |
Quelle: Deutsches Windenergie-Institut - DEWI Stand Ende 2003
Fetter Text== 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
Hütte, Des Ingenieurs Taschenbuch, 28.Auflage, Maschinenbau Teil A, Berlin 1954 Betriebsverhalten von Windkraftmaschinen Windkraftanlagen sind über 16 bis 35% der Gesamtzeit nicht in Betrieb. Vollast wird je nach Windhäufigkeit und spez.Kreisflächenbelastung nur über 8 bis 28% der Gesamtzeit erreicht.
Weblinks
- Die Windindustrie in Deutschland: Startseite
- Interessengemeinschaft Windkraft Österreich
- Deutsches Windenergie-Institut
- www.erneuerbare-energien.de Informations- und Nachrichtenportal des Bundesumweltministeriums der Bundesrepublik Deutschland zu allen Arten erneuerbarer Energie
- Portal zur Energieforschung: Thema Windenergie
- Bundesverband Windenergie e.V.
- European Wind Energy Association
- World Wind Energy Association
- Windpower.org- Portal der dänischen Windindustrie - Hochwertige deutschsprachige Informationen
- EEG Vergütungsrechner für Windkraft