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WINDENERGIE

Das Potential


Das Windpotential der Erde wird auf über 4 Billionen kW geschätzt – eigentlich genug, um alle benötigte Energie alleine aus dieser Quelle zu schöpfen. Tatsächlich liegt der globale Anteil des Windes an der Energiebilanz aber unter 1 %, weil die kräftigsten Winde in den höheren Luftschichten bzw. weit draußen über den Ozeanen wehen.

Doch die Windenergie ist umweltfreundlich und selbsterneuernd, zum einen durch die unterschiedlichen Temperaturen innerhalb der Biosphäre, welche zumeist sonnenbedingt sind, und zum anderen durch die Erdrotation, die den Auftriebskräften der erwärmten Luftmassen ihre Richtung gibt. Energietransformatoren auf Windbasis sind deshalb so interessant, weil besonders im Winter, also zu Zeiten des höchsten Energiebedarfs, der meiste Wind geht. Die lokalen Schwankungen in der Energieabgabe – oftmals das größte und schwierigste Problem bei der Windnutzung zu Energiezwecken – lassen sich durch ein weitverzweigtes Verbundsystem ausgleichen. Und der bei den Windmühlen oft so gefürchtete hohe Lärmpegel läßt sich durch die Anwendung besserer Materialien und durch eine hochentwickelte Rotortechnik stark senken.

Die Möglichkeit, mit Windenergie der Wasserpumpen zu betreiben, wird seit langem und in fast allen Ländern der Erde, hauptsächlich in ländlichen Gebieten ohne Stromanschluß, umgesetzt. 1984 schätz man die weltweite Zahl mechanischer Windpumpen auf etwa eine Million Stück, die meisten davon befinden sich in Argentinien, Australien und in den USA.

Standard-Rotor

Standard-Rotor

Obwohl es einen theoretisch maximal erreichbaren Wirkungsgrad von 59,3 % bei Windflügeln gibt (der inzwischen allerdings angezweifelt wird), werden in der Praxis lange Zeit nur 33 % – 45 % erreicht. Einzig der ‚Hütter-Rotor’ (s.d.) soll 48 % erreicht haben. Als Gesamtanlage betrachtet, d.h. zusammen mit Getriebe, Generator und Steuerung erreichen Windenergieanlagen zur Stromerzeugung Wirkungsgrade zwischen 30 % und 35 %. Durch den windabhängigen Betrieb entstehen zudem Ausfallzeiten, so daß die durchschnittliche Arbeitsverfügbarkeit von Windkraftwerken 35 % – 45 % beträgt. Offshore-Anlagen auf offener See erreichen eine durch die dort vorhandenen höheren Windgeschwindigkeiten eine um 30 % – 70 % bessere Ausbeute als auf dem Festland. Den aktuellen Stand dieser Offshore-Anlagen und -Windparks werde ich weiter unten ausführlich behandeln.

Der Techniker unterscheidet unter den Rotoren zwischen Langsam-, Mittel- und Schnelläufern. Während die ersten 7 und mehr Flügel besitzen und dafür eine geringe Umlaufgeschwindigkeit erreichen, haben die letzteren drei, zwei oder sogar nur einen Flügel (in diesem Fall mit Gegengewicht), womit sie sehr hohe Umdrehungszahlen erreichen und desto effizienter arbeiten, je stärker der Wind bläst. Mittelläufer liegen dazwischen und sind besonders für Gebiete durchschnittlicher aber konstanter Windtätigkeit geeignet.

Im Verlauf der neueren Forschungen zeigt sich, daß Anlagen mit wenigen und schmalen Flügeln die höchste Energieausbeute erreichen. Der Typ, der sich fast weltweit als Standard durchsetzt, ist die dreiflüglige Windkraftanlage. Gegenüber zweiblättrigen Rotoren besitzt sie einen ruhigeren Lauf, wohingegen die Einflügler eine höhere Sicherheit gegen Böen und große Windgeschwindigkeiten besitzen, da das Rotorblatt bei dieser Konstruktion elastisch aufgehängt werden kann. Von einem ästhetischen Gesichtspunkt aus betrachtet wirken Einflügler aber etwas befremdlich, insbesondere wenn man sie mit der ‚Ausgewogenheit’ von dreiblättrigen Rotoren vergleicht.

Inzwischen zeichnen sich aber auch Entwicklungen ab, die den Vertikalachssystemen (s.d.) den Vorzug geben. Im Anschluß an die Länderbetrachtung werde ich noch ausführlich auf diese Systeme eingehen – ebenso wie auf einige weitere, neuere Formen der Windenergienutzung.

In der folgenden Tabelle sind die ‚normalen’ und die optimierten Wirkungsgrade der verschiedenen Windsysteme aufgeführt, wie sie von Jack Park in seinem ‚Wind Power Book’ (1981) aufgeführt worden sind. Einige dieser Systeme werde ich später noch detaillierter beschreiben.

 

Windsystem

Wirkungsgrad in %

Einfache Konstruktion

Optimierte Konstruktion

Vielblattrotor-Wasserpumpe

10

30

Windsegel-Wasserpumpe

10

25

Darrieus-Wasserpumpe

15

30

Savonius-Wasserpumpe

10

20

Kleiner Dreiblatt-Windlader (bis 2 kW)

20

30

Mittlerer Dreiblatt-Windlader (2 bis 2 kW)

20

30

Großer Dreiblatt-Windgenerator (über 10 kW)

-

30 – 45

Darrieus-Windgenerator

15

35


Inzwischen geht die Optimierung der Komponenten- und Systemwirkungsgrade weiter, und einige der Systeme zeigen auch eine ausgesprochene ‚Entwicklungsbereitschaft’. Allerdings geht der Trend bis Ende des letzten Jahrhunderts weiter in Richtung gleichartiger, nur immer größerer Systeme. Diese Entwicklung ist teilweise in der Analyse der Windkraftentwicklung in Deutschland dokumentiert (s.d.).

1997 weist eine internationale Übersicht des Windkraftanlagen-Marktes bereits über 300 verschiedene Anlagen auf, in Leistungsgrößen von 0,02 kW (z.B. Rutland WG 500 für 204 £) bis 1,5 MW (z.B. Tacke TW 1.5 für 3.088.000 Mio. DM).

Von der etwa 4,3 · 1015 W betragenden globalen Windleistung sollen bis zu 20 · 1012  W nutzbar sein. Und oftmals besteht auch der Wille dazu. Im Folgenden sind die Ergebnisse einiger Potentialstudien im Hinblick auf den europäischen Raum skizziert:

 

1984 – Studie von MBB im Auftrag der EG: In den Ländern der EG können 150.000 kleine Windanlagen errichtet werden, außerdem gibt es 170.000 Standorte für Großwindanlagen mit mehr als 100 m Durchmesser.

1993 – Das ALTANER-Programm der EG  (Alternative Energieerzeugung): Bis 2005 sollten EG-weit mindestens 8.000 MW Windstrom erzeugt werden können.

1993 – Der Europäische Windenergieverband (EWEA): Bis 2030 sollen 100.000 MW aus der Windenergie stammen, das wären ca. 10 % der europäischen Energieerzeugung.

1997 – Das Institut für solare Energieversorgung (ISET): Es gibt gute Chancen in Deutschland, die Windenergieleistung bis 2005 auf 5.000 MW auszubauen.

1997 – Studie im Auftrag deutscher Industrieverbände: Durch den Ausbau der Windenergie bis 2005 auf 10.000 MW ließe sich knapp ein Viertel der geplanten Reduzierung des Kohlendioxid-Ausstoßes erzielen.

1999 – Der Bundesverband Windenergie (BWE): Ab 2003 wird sich die Zahl der Windkraftanlagen auf dem Land nicht weiter erhöhen, sondern von da an werden nur noch bereits bestehende Anlagen durch leistungsfähigere ersetzt. 2010 könnten auf dem Land 12.000 MW und durch Offshore-Anlagen 17.000 MW Leistung erzielt werden.

2005 – Klimatologen der kalifornischen Stanford University veröffentlichen im Mai eine Weltkarte der Winde. Dazu wurden die Windmessungen eines Jahres von 7.500 Wetterstationen und 500 Meßballons ausgewertet. Ermittelt wurden die Windstärken, die in 80 Meter Höhe herrschen, wo sich die Rotoren drehen. Mit einem neuen mathematischen Verfahren wurden aus bodennahe Windmessungen die Windgeschwindigkeiten in größerer Höhe errechnet. Das Ergebnis: Würden in all jenen Gebieten Windkraftanlagen aufgestellt, die als optimal gelten, könnten etwa 72 Terawatt erzeugt werden, also das 40-fache des Weltbedarfs an elektrischer Energie im Jahr 2000.

2006 – Der Präsident des Bundesverbands Windenergie gibt im Juli bekannt, daß im vergangenen Jahr 2005 weltweit neue Windkraftanlagen mit einer Leistung von 11.800 MW ans Netz gegangen sind, was der Jahresstromproduktion von drei Kernkraftwerken entspricht. Den Prognosen für den Windenergie-Weltmarkt zufolge werden ab 2020 pro Jahr weltweit Windkraftanlagen mit einer Leistung von rund 160.000 MW errichtet, was der tatsächlichen Leistung von 40 Kernreaktoren entspräche!

2006 – die Europäische Windenergieassoziation EWEA erklärt, daß sie bestrebt sei, den Windenergieanteil europaweit bis zum Jahre 2020 auf 12 % auszudehnen. Andere Quellen reden sogar davon, daß bis 2020 europaweit 180 GW Windenergie 20 % des Strombedarfs decken sollen. Heute arbeiten europaweit Anlagen mit 40.000 MW Kapazität, 18.428 MW davon in Deutschland.

2007 -  Im Jahr 2006 wurden nach Schätzungen des Bundesverbands WindEnergie (BWE) weltweit Windenergieanlagen mit einer Leistung von ca. 15.000 MW neu errichtet. Spitzenreiter sind abermals die USA mit einem geschätzten Zubau von 2.700 MW. Insgesamt steigt damit die weltweit installierte Kapazität auf nahezu 75.000 MW. Die Anlagen können rund 180 Mrd. kWh produzieren, das entspricht mehr als einem Prozent des globalen Strombedarfs. Der Weltmarkt für Windenergieanlagen nähert sich 2006 der Marke von 15 Mrd. €, 2005 waren es 10,6 Mrd.


Anfang 2008 zeigt sich, daß die Windkraft weltweit ‚Aufwind’ hat. Der Global Wind Energy Council (GWEC) berichtet, daß 2007 weltweit rund 20 GW neu installiert wurden. Der Umfang der Neuinstallationen liegt damit um 30 % höher als 2006, und die weltweit installierte Leistung wächst um 27 %. Die meisten Windräder werden in den USA aufgestellt, wo die Kapazitäten um 5,2 GW zunahmen. Nummer zwei der Weltrangliste ist Spanien mit 3,5 GW, dicht gefolgt von China mit 3,4 GW.

Größter Markt für Windanlagen bleibt aber weiterhin Europa, wo die Kapazitäten 2007 um 18 % auf 56.535 MW erhöht werden. Damit sind auf dem Kontinent nunmehr 61 % der weltweit installierten Windenergie-Leistung beheimatet. Motor der Expansion ist mit 3.522 MW neu installierter Leistung Spanien – was der höchste jährliche Zubau ist, der bislang je in einem europäischen Land erreicht wird. In Deutschland und Großbritannien verlangsamt sich das Wachstum hingegen.

Dafür wachsen die Märkte in Asien rapide, 2007 werden immerhin schon mehr als ein Viertel aller Windräder in Fernost bzw. in Südasien installiert. Allein in der Volksrepublik China nimmt die Kapazität um 156 % zu, so daß sich dort bereits Windmühlen mit einer Leistung von 6 GW drehen, in Wettbewerb mit Indien, wo inzwischen 8 GW installiert sind.

Da schon über die Hälfte der neuen Anlagen in China von heimischen Herstellern geliefert werden, wird für die nächsten Jahre damit gerechnet, daß die chinesischen Anlagenbauer im großen Maßstab in den Export einsteigen und weltweit die Preise drücken.

Im Mai 2008 gibt das Internationale Wirtschaftsforum Regenerative Energien (IWR) in Münster aktuelle Zahlen bekannt, denen zufolge die weltweite Windenergie-Leistung erstmals die Grenze von 100.000 MW überschritten hat. Die Stromerzeugung steigt auf über 200 Milliarden Kilowattstunden. Die internationalen Perspektiven für den Windmarkt mit einem Jahresvolumen von derzeit rund 20 Milliarden € sind weiterhin sehr positiv.

Das Windaufkommen weltweit

Windaufkommen weltweit

Im Dezember 2008 stellt das US-Unternehmen 3Tier aus Seattle auf der 14. UN Klima-Konferenz in Poznań, Polen, eine weltweite Karte des Windaufkommens in hoher Auflösung (5 km) vor, die in Netz kostenlos abrufbar ist – nachdem man zwei Monate zuvor bereits eine ähnliche Karte für die Sonneneinstrahlung auf der westlichen Hemisphäre freigeschaltet hatte.

In den Folgejahren werden diese Karten weiter aktualisiert, sodaß beispielsweise auch die Differenzen zwischen dem vorhergesagten und tatsächlichen Windaufkommen im Zuge des El Niño im Jahr 2009 erkennbar werden.

Die Jahresbilanz Windenergie des Jahres 2008 läßt sich wie folgt zusammenfassen: ein Zuwachs um 28,8 % oder rund 27 GW auf eine global installierte Gesamtleistung von mehr als 120,8 GW. Der weltweit größte Markt blieb auch 2008 die USA, wo zwischen 8 und 9 GW Leistung neu installiert worden sind. In Deutschland wurden 2008 im Inland 866 Windenergieanlagen mit einer Leistung von 1.665 MW neu errichtet. Damit sind Ende 2008 in Deutschland 20.301 Windenergieanlagen mit einer Gesamtleistung von 23.902 MW in Betrieb. Die Windkraftbranche in Deutschland wird inzwischen vor allem vom Export getragen, der etwa 80 % des Umsatzes ausmacht.

Am schnellsten holt China auf, wo in diesem Jahr 6,3 GW hinzukamen, womit dort gegenwärtig 12,2 GW installiert sind. Zum Vergleich: Auf gesamteuropäischer Ebene sind zu diesem Zeitpunkt Windkraftanlagen mit knapp 65 GW in Betrieb.

Die ersten Meldungen über eine Verlangsamung der Windgeschwindigkeiten in den USA, vor allem entlang und östlich des Mississippi, stammen von Eugene Takle (Iowa State University) und Sara Pryor (Indiana University), die Mitte 2009 über einen 10 %-igen Rückgang entlang der Ostküste in über einem Jahrzehnt berichten. Ähnliche Geschwindigkeitsreduzierungen bemerken auch Wissenschaftler in Australien und Europa.

In Deutschland wird erst im Oktober 2010 darüber berichtet, als französische Atmosphärenforscher um Robert Vautard vom Forschungszentrum für Klima und Umwelt (LSCE) in Gif-sur-Yvette zu dem Ergebnis kommen, daß die Kraft der Bodenwinde auf der Nordhalbkugel in den vergangenen 30 Jahren um 10 – 50 % nachgelassen hat. Hinter der Entwicklung vermuten sie die zunehmende Bebauung sowie mehr Vegetation und Veränderungen der Landwirtschaft.

Im April 2009 veröffentlicht ein internationalen Forscherteam aus den USA, Großbritannien und Finnland um Michael McElroy von der Harvard University in Cambridge eine neue Potential-Analyse, bei der es zu dem Schluß kommt, daß mit Hilfe von Rotoren weltweit theoretisch bis zu 1,3 Millionen Terawattstunden (TWh) pro Jahr erzeugt werden könnten.

Im Juni 2010 startet die spanische EU-Präsidentschaft die European Wind Initiative (EWI) – einen sich über 10 Jahre erstreckenden und mit 6 Mrd. € ausgestatteten Forschungs- und Entwicklungsplan für die Windenergiebranche. Die EWI ist in dem Strategic Energy Technology Plan (SET-Plan) der EU verwurzelt und war im Jahr 2009 von der Europäischen Kommission veröffentlicht wurden. Nun wird sie von EU-Institutionen, Mitgliedstaaten, TPWind und der European Energy Research Alliance (EERA) implementiert.

Die klaren Ziele sind die Beibehaltung Europas Technologieführerschaft in der Onshore- und Offshore-Windkraft, die Deckung von 20 % des europäischen Strombedarfs durch Windenergie im Jahr 2020, 33 % im Jahr 2030, und 50 % im Jahr 2050, sowie in der EU im Bereich der Windenergie bis 2020 insgesamt 250.000 neue qualifizierte Arbeitsplätze zu schaffen. Dabei soll sich das EWI auf vier Technologiebereiche konzentrieren: neue Anlagen und Komponenten, Offshore-Technik, Netzintegration, sowie Ressourcenbewertung und Raumplanung.

Die weltweite Zubaurate des Jahres 2009 beträgt 37.466 MW, von denen knapp 10.000 MW auf das Konto der USA sowie 13.000 MW auf das Chinas gehen. Rund um den Globus werden rund 63,5 Mrd. $ in neue Windprojekte investiert. Weltweit sind Ende 2009 Windkraftwerke mit 157.899 MW Gesamtleistung installiert.

Nachdem der Ausbau der Windenergie in Deutschland im Jahr 2009 gegenüber dem Vorjahr angestiegen ist, verlangsamt er sich 2010 wieder etwas. Zuwachs gibt es hingegen beim sogenannten Repowering, dem Ersatz von Altanlagen.

2010 werden neue Anlagen mit einer Leistung von 1.551 MW errichtet, womit zum Jahresende landesweit 27.214 MW installiert sind.

In China wächst die Windenergiekapazität in 2010 im Vergleich zum Vorjahr um 62 %, womit das Land mit nun 41,8 GW installierter Leistung zum weltgrößten Produzenten von Windenergie wird und die USA (40,2 GW) vom ersten Platz verdrängt. Allerdings bleibt eine große Zahl der Neuinstallationen aufgrund der schwachen Netzinfrastruktur off-grid, und im August 2010 sind lediglich 22,9 GW an das Stromnetz angeschlossen.

Der globale Zubau im Jahr 2010 beträgt mit 37,6 GW ähnlich viel wie im Jahr zuvor.

Im Jahr 2011 erreicht der Weltmarkt für Windenergie-Anlagen – den Zahlen der World Wind Energy Association (WWEA) und des Global Wind Energy Council (GWEC) zufolge – mit einem Zubau von 42 GW dafür einen neuen Rekord. Damit beträgt die weltweit installierte Windenergie-Leistung bereits 239 GW.

Etwa 75 Länder haben derzeit kommerzielle Windkraftanlagen, von denen 22 bereits die 1-GW-Grenze überschritten haben. Dabei bleibt China der Weltmarktführer mit neu installierten 18 GW und einer kumulierten Leistung von etwa 63 GW, was mehr als einem Viertel der weltweiten Windenergie-Leistung entspricht. Mehr über die Entwicklungen der einzelnen Länder findet sich in der Länderaufstellung (s.d.).

Im Jahr 2012 entscheidet sich das Wettrennen wieder zugunsten der USA, wo ein Zubau um 13.124 MW gezählt wird, während China diesmal nur auf 12.960 MW kommt. Daneben gehören zu den ersten fünf Ausbauländern Deutschland, Indien und Großbritannien. Durch den weltweiten Neubau von fast 45 GW Kapazität beträgt die installierte Gesamtleistung nun knapp 286 GW. Damit stellt die Windenergie bereits 2,62 % des global benötigten Stroms bereit.

Nach Angaben der European Wind Energy Association (EWEA) überschreitet die EU im September 2012 die beachtliche Marke von 100 GW. Mit 4,3 GW macht Offshore-Windkraft davon noch den kleinsten Teil aus, allerdings werden allein in diesem Jahr Windräder mit 1 GW im Meer installiert. Die 10 größte Onshore-Windfarmen in Europa sind zu diesem Zeitpunkt:

  • Fontanele and Cogaelac (Rumänien), 240 GE-Turbinen, 600 MW
  • Whitelee (Großbritannien), 215 Siemens-Turbinen, 538 MW
  • Viking (Großbritannien), 103 Siemens-Turbinen, 371 MW
  • Clyde (Großbritannien), 152 Siemens-Turbinen, 350 MW
  • Penn y Cymoedd (Großbritannien), 76 tbd-Turbinen, 256 MW
  • Alto Minho (Portugal), 120 Enercon-Turbinen, 240 MW
  • Vento Minho (Portugal), 120 Enercon-Turbinen, 240 MW
  • Österreich), 79 Enercon-Turbinen, 237 MW
  • Maranón (Spanien), 104 Games-Turbinen, 208 MW
  • Dornell (Großbritannien), 59 Vestas-Turbinen, 177 MW 

Windstömungen weltweit

Windstömungen weltweit

Aus einer Mitte 2013 veröffentlichten Studie des Umweltbundesamt geht hervor, daß das Potential für die Windenergie in Deutschland weitaus größer ist als bisher angenommen: In der BRD sollen sich Onshore-Rotoren mit einer Leistung von bis zu 1.190 GW aufstellen und jährlich bis zu 2,9 Mio. GWh Strom aus dem Wind gewinnen lassen – was fünfmal so viel Elektrizität ist, wie im Vorjahr in Deutschland verbraucht wurde.

Im Jahr 2013 erreicht Globale Windenergie-Leistung 300 GW.

Eine äußerst ästhetische und sinnvolle interaktive Visualisierung von Windmustern auf der ganzen Welt, die auf Wetterdaten des Global Forecast System aus dem National Center for Environmental Prediction basiert, wird Ende 2013 im Netz freigeschaltet.

Die zoombare graphische Darstellung wird alle 3 Stunden aktualisiert, was ziemlich nahe an der Echtzeit ist, wenn man bedenkt, daß die Datenmenge den gesamten Planeten abdeckt.


Kommen wir nun zu den Anwendungen der Windenergie – beginnend mit der Renaissance der Segelschiffe.

 

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