Montag, 06. Juli 2020

Über Windenergie

Einige Grundlagen und Fakten zu einer Säule der Stromerzeugung

Kreis Holzminden (14.01.2020). Der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre nimmt von Jahr zu Jahr zu. Kohlendioxid ist ein Treibhausgas, dessen Anwesenheit in der Atmosphäre zu weltweit steigenden Temperaturen führt. Es entsteht durch die Verbrennung von fossilen Energieträgern, insbesondere Kohle, Erdöl und Erdgas. Durch große Anstrengungen könnte der Temperaturanstieg in der Atmosphäre auf 1,5 Grad Celsius begrenzt werden, wahrscheinlicher ist jedoch ein Anstieg um zwei bis vier Grad. Einer der Hoffnungsträger ist die Windenergie, die praktisch unbegrenzt zur Verfügung steht. Hierzu wird die Bewegungsenergie des strömenden Windes durch Windräder in elektrische Energie umgewandelt. Wegen des  markanten Erscheinungsbildes der Anlagen verändern sie die Landschaft. Sie werden von der einen Seite als Teil der Lösung gesehen, von der anderen jedoch stark kritisiert. Wie immer hilft nur ein möglichst emotionsfreier Blick auf die Fakten.

Der Anteil der regenerativen Energien an der Stromerzeugung 2018 in Deutschland betrug 37,8 Prozent, im ersten Halbjahr 2019 ist dieser Wert noch um weitere fünf Prozent gestiegen. Den größten Beitrag hiervon leistete die Windenergie mit 49 Prozent, also rund der Hälfte. An Land wurden 40,3 und auf See 8,7 Prozent produziert. Das zügige Wachstum hat sich allerdings in 2018 verlangsamt.

In Deutschland stehen etwa 30.000 Windräder, die mittlere Nennleistung einer Anlage beträgt etwa 3 MW (1 MW (Megawatt) entspricht 1.000 kW (Kilowatt)).

Die Strahlung der Sonne erwärmt die Erde ungleichmäßig. Es resultieren Druckdifferenzen, die durch den Wind ausgeglichen werden. Die Ausbildung von Hochs und Tiefs und die Windströmung werden zusätzlich noch durch die Erdrotation beeinflusst. Letztlich stammt die Windenergie damit auch aus der Strahlungsenergie der Sonne.

Infolge von Rauigkeiten, Reibung und Hindernissen in Bodennähe nimmt die Windgeschwindigkeit mit der Höhe über Grund zu. Auch die Gleichmäßigkeit des Windes nimmt zu. Aus diesem Grund sind die Windenergieanlagen (WEA) im Laufe der Jahre immer größer geworden.

In Deutschland gibt es große regionale Unterschiede in der Eignung für die Windenergie. Der überwiegend flache Norden weist umso höhere Windgeschwindigkeiten auf, je näher man der Nord- und Ostsee kommt. Daher wird im Norden deutlich mehr Strom aus Windkraft produziert als im Süden, so dass Stromleitungen (Suedlink) von Nord nach Süd gebaut werden müssen.

Die Optimierung von WEAs hat zu einer mittlerweile fast identischen Konstruktion geführt. Eine drehbare Nabe mit sehr schmalen, verstellbaren Flügeln sitzt zusammen mit einem Gehäuse auf einem Stahlmasten, der bei neueren Anlagen 130 bis 150 Meter hoch ist.

Die drei Rotorblätter spannen einen Kreis von 120 bis 130 Metern auf. Der Querschnitt der Flügel ist wie ein Flugzeugflügel geformt.

Infolge der ungleichförmigen Umströmung resultiert eine Kraft quer zur Strömung, die beim Flugzeug für den Auftrieb sorgt. Beim rotierenden Blatt ist die Sache komplizierter, da der Flügel sich in einer Ebene senkrecht zur Windströmung dreht und daher die Anströmung der Flügelkante unter einem anderen Winkel erfolgt. Die Blätter können verdreht werden, um so eine maximale Antriebskraft zu bewirken.

Dabei kann ein Windrad immer nur einen Teil der Windenergie ausnutzen. Der deutsche Physiker Albert Betz konnte bereits 1920 zeigen, dass maximal 59 Prozent der Strömungsenergie des Windes in die Bewegungsenergie des Windrades umgewandelt werden kann. Der reale Wirkungsgrad liegt natürlich noch etwas darunter bei Werten bis rund 50 Prozent.

Die erzielbare Leistung einer WEA wird entscheidend durch die Windgeschwindigkeit bestimmt. Bei einer Verdopplung der Windgeschwindigkeit wächst die Leistung um das Achtfache, bei einer Verdreifachung um den Faktor 27! Ab vier Meter pro Sekunde (m/s) kann überhaupt erst Leistung abgenommen werden, ab 12 m/s wird die Aerodynamik durch Verdrehung der Flügel (sogenannte pitch) künstlich verschlechtert und bei Sturm (25 m/s) wird die Anlage ganz abgeschaltet.

Die WEA wird mit einem Fundament im Boden verankert, das überwiegend als Flachgründung ausgeführt wird. Im Prinzip handelt es sich um eine flache Scheibe aus Stahlbeton mit einem Durchmesser von 20 Metern und einer Höhe von zwei Metern (für eine WEA mit 130 Metern Nabenhöhe und drei MW).

Die überwiegende Anzahl der Türme besteht aus Stahl. Stahlplatten werden hierzu gerollt und zu Rohren verarbeitet Auf der Baustelle werden die 20 bis 30 Meter langen Rohrsegmente zusammengeschweißt. Da die Biegebelastung am Eintritt in das Fundament am höchsten ist, ist dort auch der Querschnitt am größten.

In der Gondel (Maschinenhaus) wird die Rotordrehung über ein Getriebe in eine geeignete Drehzahl für den Antrieb eines Generators umgewandelt. Dieser erzeugt 3-Phasen-Wechselstrom, der in einem Umrichter und einem Trafo auf die geeignete Frequenz und Netzspannung des Netzes angepasst wird.

Der Rotor besteht aus drei Flügeln, die bei neueren Anlagen einen Kreis mit einem Durchmesser von etwa 130 Metern umspannen. Die Flügel bestehen meistens aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK), hierzu werden Glasfasermatten mit Epoxidharz getränkt, das durch die chemische Reaktion mit einem Härter fest wird. Der Flügel ist hohl und wird im Inneren durch Stege verstärkt. Das Material ist extremen Belastungen ausgesetzt. An den Flügelspitzen werden sehr hohe Geschwindigkeiten erreicht. Auch bei extremem Wetter müssen sie mindestens 20 Jahre lang in Betrieb bleiben. Nach dem Lebensende lassen sich Fasern und Harz nicht mehr trennen. Die Flügel werden zu kleinen Stücken zerkleinert und verbrannt. Hierzu eignen sich besonders die Drehrohröfen bei der Zementherstellung, da auch das Glas in Form von Siliziumdioxid ein notwendiger Bestandteil des Betons ist.

Die Investitionskosten für eine Drei-MW-Anlage an Land liegen bei etwa vier bis fünf Millionen Euro. Sie sind daher als Projekt von Genossenschaften oder anderen Zusammenschlüssen dezentral überall im Land an geeigneten Standorten umsetzbar.

Zusammen mit den laufenden Kosten und der Entsorgung am Lebensende der Anlage lassen sich die Kosten für eine Kilowattstunde Strom abschätzen. Naturgemäß hängen diese Gestehungskosten von den speziellen Umgebungsbedingungen ab, also zum Beispiel von einem günstigen oder eher ungünstigen Standort einer WEA. Trotzdem lassen sich Größenordnungen festlegen und Vergleiche durchführen. Vom Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme wurden regenerative und fossile Kraftwerke verglichen.

Windenergie an Land ist mit vier bis acht Cent pro Kilowattstunde durchaus wettbewerbsfähig. Sie liegt in etwa gleichauf mit Solaranlagen auf großen Dächern und konventionellen Braunkohlekraftwerken.

Elektrizität aus dem Wind, einer unerschöpflichen Energiequelle, zu gewinnen, ist zunächst einmal eine bestechende Vorstellung. Allerdings gibt es auch Probleme, so dass geplante WEAs von den potenziellen Nachbarn durchaus kritisch gesehen werden. Es ist die Rede von Verspargelung der Landschaft, und tatsächlich wird das Erscheinungsbild in der Umgebung von Windparks mit hoher Anzahl von Einzelanlagen durchaus negativ beeinflusst. Auch die Lärmemissionen sind nicht zu vernachlässigen. Schattenwurf und möglicher Infraschall machen vielen Bürgern Sorgen. Ein Ansatz ist, diese Probleme durch Abstandsvorgaben zu einer Wohnbebauung zu minimieren. Allerdings würde das Potenzial des möglichen Ausbaus bei einem in der Diskussion befindlichen Abstand von 1.000 Metern stark sinken.

Ein weiteres Problem stellt dar, dass Vögel, Insekten und Fledermäuse durch die Rotorblätter zu Schaden kommen. Insbesondere der geschützte Rotmilan achtet wohl mehr auf Beute am Boden als auf schnell rotierende Flügelspitzen.

Die Genehmigungszeiten für neue Anlagen haben sich auf zwei bis drei Jahre verlängert. In Deutschland gibt es über 1.000 Bürgerinitiativen gegen die Errichtung weiterer WEAs. Es gibt kaum eine neue Anlage ohne Klagen. Das hat dazu geführt, dass der weitere Ausbau sich stark verringert hat.

Auch aus technischer Sicht besteht ein Problem. Bis heute kann man Elektrizität nur sehr begrenzt speichern. Windstrom wird aber naturgegeben nur sehr ungleichmäßig erzeugt. Daher müssen konventionelle Backup-Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen, zum Beispiel Erdgas, vorgehalten werden. Man kann mit Strom über Elektrolyse auch Wasserstoff erzeugen und diesen bei Windflauten wieder in Strom zurück verwandeln, dem steht allerdings ein schlechter Wirkungsgrad entgegen.

Interessant ist auch die Frage, nach welcher Zeit eine WEA denn überhaupt so viel elektrische Energie geliefert hat, dass der Energieaufwand für Herstellung und Entsorgung gedeckt ist. Schließlich ist die Produktion des Stahls für den Turm und des Betons für das Fundament recht energieaufwändig. Auch die Entsorgung der Rotoren und des Fundamentes müssen bedacht werden. Diese Faktoren wurden vielfach untersucht und sprechen eine eindeutige Sprache.

Energetische Amortisationszeiten einer Energieform bzw. Kraftwerksart (Quelle: Wissenschaftlicher Dienst des Deutschen Bundestages WD 8 - 3000 – 010/18, Auszug):

Windkraft:  3 - 7 Monate

Wasserkraft: 9 - 13 Monate

Fotovoltaik in Mitteleuropa: 2 - 5 Jahre

Solarthermisches Kraftwerk in Marokko: 5 Monate

Wärmeerzeugung über Sonnenkollektoren: 1,5 - 2,5 Jahre

Kraftwerke für fossile Brennstoffe und Atomkraftwerke werden während ihrer Laufzeit fortwährend mit Energieträgern versorgt und amortisieren sich daher nie. Windkraft hat eine sehr kurze energetische Amortisationszeit.

Windenergie ist in der Lage, einen erheblichen Beitrag bei der Transformation zu einer CO2-freien Stromversorgung zu leisten. Die Quelle ist unerschöpflich, die Preise für eine Kilowattstunde sind günstig und die Herstellung und Entsorgung der Anlagen erfordert nur einen vergleichsweise geringen Energieaufwand. Der Norden von Deutschland ist wesentlich besser als der Süden für die Windkraftnutzung geeignet, so dass Nord-Süd-Stromleitungen gebaut werden müssen.

Windenergieanlagen beeinflussen allerdings das Landschaftsbild, erzeugen Lärm und können für Vögel, Insekten und Fledermäuse gefährlich werden. Es muss ausreichend Abstand zur Wohnbebauung gehalten werden und der Schutz der Natur muss gewährleistet sein.

So ergibt sich eine spannende Kollision zwischen Klimaschutz und Naturschutz/Anwohnerschutz – ein klassischer Zielkonflikt. Es wird verständlich, warum Genehmigungsverfahren lange dauern. Es wird ein einheitlicher Kriterienkatalog benötigt, wann Standorte für die Windenergie genutzt werden können. Hierzu muss auf politischer Ebene ein Kompromiss zwischen beiden Schutzzielen gesucht und gefunden werden. Der weitere Ausbau sollte daher behutsam erfolgen. Wir sollten jeden geeigneten Standort nutzen, gleichzeitig aber Rücksicht auf Anwohner und Natur nehmen. (Dr. Norbert Kalkert)