Windenergie

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Was ist Windenergie?

Unter Windenergie versteht man die Nutzung der Bewegungs­en­ergie von Luftströ­mungen zur Erzeu­gung elektri­scher Energie. Die kineti­sche Energie der Luftmassen entsteht durch die Sonnen­ein­strah­lung und daraus resul­tie­rende Tempe­ra­tur­un­ter­schiede. Windenergie zählt zu den erneu­er­baren Energien und wird mittels Windkraft­an­lagen (auch: Windräder) zur Strom­erzeu­gung verwendet. Laut Umwelt­bun­desamt ist Windenergie die tragende Säule der Energie­wende.

Funkti­ons­weise einer Windkraft­an­lage

Durch die Sonnen­ein­strah­lung wird Luft in der Atmosphäre an unter­schied­li­chen Stellen unter­schied­lich stark erwärmt. Wenn warme Luft an einem Ort aufsteigt und in anderen Regionen beispiels­weise keine Luft erwärmt wurde, kommt es zu Druck­un­ter­schieden, was wiederum in ausglei­chenden Luftströmen resul­tiert, die wir als Wind verstehen. Deswegen wird Windenergie auch als indirekte Sonnen­en­ergie bezeichnet. Die kineti­sche Energie des Windes wird seit jeher „einge­fangen“ und in mecha­ni­sche Energie bzw. seit dem 19. Jahrhun­dert mithilfe von Windrä­dern in elektri­sche Energie umgewan­delt. Um Strom zu erzeugen wird der Wind von den Rotor­blät­tern eines Windrades in Rotati­ons­en­ergie umgewan­delt, die einen Strom­ge­ne­rator im Innern der Windkraft­an­lage antreibt. Die Strom­pro­duk­tion hängt von der Windstärke, also der Geschwin­dig­keit, ab. Somit ist der Stand­punkt der Windkraft­an­lage ausschlag­ge­bend.

Windenergie Arten

Die dominie­rende Art der Windener­gie­nut­zung ist dieje­nige mittels Windener­gie­an­lagen, die drei Rotor­blätter haben. Unter­schieden werden Windkraft­an­lagen nach ihrem Standort: Sie können an Land (Onshore) oder auf dem Meer (Offshore) angesie­delt sein. Die Anlagen werden – egal ob auf Wasser oder an Land – an geeig­neten Windener­gie­stand­orten gebaut.

Onshore Windenergie

Der Großteil der Windener­gie­an­lagen wird an windrei­chen Stand­orten an Land gebaut (beispiels­weise in Küsten­nähe oder Gebirgen), denn die Windenergie an Land gehört zu den kosten­güns­tigsten Arten der Strom­erzeu­gung. Der Vorteil von Onshore-Windan­lagen ist, dass der Bau und die Wartung wesent­lich einfa­cher sind, da die Anlagen leichter zu errei­chen sind. Laut einer Studie des Umwelt­bun­des­amtes eignen sich rund 13,8 Prozent der Landes­fläche für die Nutzung der Windenergie.

Offshore Windenergie

Während Onshore Windan­lagen schon seit gut 25 Jahren genutzt werden, ist Offshore-Windenergie erst seit 10 Jahren im Kommen: Der erste Offshore-Windpark (Gruppe vieler Windräder) wurde 2009 in der Nordsee in Betrieb genommen. Der Vorteil von Offshore-Windan­lagen ist, dass es jenseits der Küste eine bessere Windaus­beute aufgrund der höheren Windge­schwin­dig­keiten gibt, da die Winde ungehin­dert von Hügeln, Bergen oder sonstigen Barrieren auf die Windräder treffen. Auch weht der Wind wesent­lich stetiger. Aller­dings sind Wartung und Bau durch den teils hohen Wellen­gang erschwert, ebenso ist der Materi­al­ver­schleiß im Wasser deutlich höher.

Windenergie speichern

Als Konse­quenz der Energie­wende werden in Deutsch­land Energie­spei­cher benötigt, da immer mehr elektri­sche Energie von fluktu­ie­renden Energie­quellen wie Wind und Sonne bereit­ge­stellt wird. Der Wind weht nicht immer dann, wenn Strom benötigt wird. Aber wenn der Wind stark weht, wird oft zu viel Strom erzeugt. Gerade diese schwan­kenden Quellen produ­zieren am tatsäch­li­chen Strom­be­darf vorbei. Daher stehen Windräder oft still, denn in den Strom­erzeu­gungs­an­lagen muss exakt so viel Leistung erzeugt werden, wie gerade benötigt wird. Somit können sie nicht ihr gesamtes Poten­tial ausschöpfen. Zusätz­lich werden die Betreiber von Windkraft­an­lagen für jede Kilowatt­stunde, die durch eine Abrege­lung nicht ins Netz einge­speist werden kann, entschä­digt. Gezahlt werden diese vom Netzbe­treiber, der die Kosten wiederum auf den Verbrau­cher umlegt.

Was liegt also näher, als den Strom aus der erneu­er­baren Energie­quelle zu speichern? Strom­spei­cher sind die Lösung des Problems der schwan­kenden Versor­gungs­si­cher­heit, da schwan­kende Einspei­sungen besser ausba­lan­ciert werden können. Elektri­sche Energie lässt sich noch nicht in ausrei­chendem Umfang direkt speichern, weswegen man sie mittels Umwand­lung in eine andere Energie­form speichert. Diese Techno­lo­gien sind aller­dings bei der Rückwand­lung in elektri­sche Energie mit Verlusten verbunden.

Viele sehen die Zukunft der Strom­spei­cher in der Power-to-Gas Techno­logie. Hier wird Elektri­zität in einem Elektro­ly­se­ver­fahren in Wasser­stoff und Methan umgewan­delt. So könnte der brenn­bare Wasser­stoff ins Erdgas­netz einge­speist werden und bei hoher Strom­nach­frage (die z.B. bei Windflaute nicht gedeckt werden kann), in Gaskraft­werken verbrannt und in elektri­sche Energie zurück­ge­wan­delt werden. Diese Techno­logie ermög­licht zwar hohe Speicher­ka­pa­zi­täten, aller­dings ist die Umwand­lung mit massiven Wirkungs­grad­ver­lusten verbunden ist. In Batte­rie­spei­chern, vorzugs­weise in Lithium-Ionen-Akkus, wird elektri­sche Energie in einem chemi­schen Prozess mit Stoffän­de­rung gespei­chert. Seit Ende 2018 ist in Hamburg-Curslack Windpark in Betrieb, der mit einem Batte­rie­spei­cher kombi­niert ist.

Klar ist: Durch eine ausrei­chende Speicher­tech­no­logie kann ein Abschalten von Windkraft­an­lagen bei Netzüber­las­tungen vermieden werden. Aller­dings gibt es für den Strom aus erneu­er­baren Energie­quellen wie Wind noch kaum ausrei­chende Speicher­mög­lich­keiten. Durch den immer weiter steigenden Anteil der Erneu­er­baren Energien am deutschen Strommix und die Ziele der Bundes­re­gie­rung wird die techno­lo­gi­sche Entwick­lung stetig voran­schreiten.

Vor- und Nachteile von Windenergie

Vorteile

  • Bei der Strom­erzeu­gung wird kein CO2 ausge­stoßen.
  • Wind ist eine kosten­lose, unerschöpf­liche und nahezu überall auf der Welt verfüg­bare Energie­quelle.
  • Wind ist überall — Also nicht von Klima, Witte­rung oder der Beschaf­fen­heit der Landschaft abhängig.
  • Eine Anlage beansprucht nur ein kleines Stück Land. Grund­stücke mit einer Windkraft­an­lage können trotzdem z.B. landwirt­schaft­lich genutzt werden.
  • Profi­tabel für Rohstoff­arme Länder.
  • Windenergie schafft Arbeits­plätze (etwa 70.000 in der EU).
  • Beim Repowering älterer Anlagen (Ersetzen durch leistungs­stär­kere Anlagen) wird keine neue Fläche beansprucht.

Nachteile

  • Windparks stellen für die Tierwelt eine Bedro­hung dar, da Fleder­mäuse und Vögel oftmals von den Rotor­blät­tern getötet werden.
  • Der Bau ist gerade in windstarken, schwer erreich­baren Gebieten im Meer, in Küsten­nähe oder Gebirgen teuer (Die Kosten amorti­sieren sich in kurzer Zeit).
  • Keine konstante Energie­pro­duk­tion (insbe­son­dere bei Onshore-Windan­lagen).
  • Das Landschafts­bild wird beein­träch­tigt. Man spricht von „Verspar­ge­lung“.
  • Von Windkraft­an­lagen kann bei stärkerem Wind Lärmbe­läs­ti­gung ausgehen.
  • Der Lärm beim Bau von Offshore-Windparks kann Meeres­tiere schädigen.
  • Es sind noch keine ausrei­chenden Speicher­mög­lich­keiten vorhanden.

 

Windenergie Entwick­lung

Windenergie Deutsch­land

Laut Umwelt­bun­desamt stellt die Windenergie das wirtschaft­lichste Ausbau­po­ten­tial unter den erneu­er­baren Energien. Auch heute schon hat Windkraft unter allen erneu­er­baren Energie­quellen den größten Anteil an der Strom­ver­sor­gung. Windkraft ist die erneu­er­bare Energie­quelle mit der schnellsten Zunahme der Erzeu­gungs­ka­pa­zi­täten: Im Vergleich stellt Windenergie (Onshore) 2018 mit 41 Prozent den größten Anteil des EE-Stroms. Offshore-Windenergie kommt auf 8 Prozent. Insge­samt liefert Windkraft also rund 50 Prozent des EE-Stroms. Die tatsäch­liche Anzahl der Windkraft­an­lagen (Onshore und Offshore) hat sich in den letzten 20 Jahren so gut wie vervier­facht.

Anzahl der Windenergieanlagen in Deutschland
Anzahl der Windener­gie­an­lagen in Deutsch­land — Quelle: http://www.windmonitor.de/windmonitor_de/bilder_javascript.html?db_communicate=‘Windenergieeinspeisung.daten’&p_lang=ger&img_id=428

Kurz nach der Jahrtau­send­wende erlebte die Windkraft den wohl stärksten Zuwachs. 2001 und 2002 waren die Rekord­jahre des Zubaus: In nur zwei Jahren wurden insge­samt 4.407 Windräder errichtet. Durch die Ausschrei­bungen ist zwar kein Rückgang zu verzeichnen, jedoch gab es ab 2018 eine relative Flaute beim Zubau sowie der erzeugten Leistung. Die Onshore- und Offshore-Windkraft­leis­tung ist, zumin­dest bis 2018, stetig gewachsen. Die Zahlen für 2019 indizieren zumin­dest bis Stand Jahres­mitte ein stagnie­rendes Wachstum, sowohl für Onshore- als auch für Offshore-Windkraft.

Entwicklung der installierten Windleistung
Entwick­lung der instal­lierten Windleis­tung — Quelle: http://www.windmonitor.de/windmonitor_de/bilder_javascript.html?db_communicate=’Windenergieeinspeisung.daten’&p_lang=ger&img_id=428

Eine Lösung für die gleich­blei­bende erzeugte Leistung kann das sogenannte „Repowering“ sein: Bereits in den letzten Jahren wurden ältere Anlagen mit kleinerer Leistung durch neue Anlagen ersetzt. So kann selbst bei einem zahlen­mä­ßigen Rückgang die Gesamt­leis­tung von Windener­gie­an­lagen erhöht werden.

Windenergie Weltweit

Inter­na­tional können Windkraft­werke inzwi­schen Energie billiger herstellen als fossile Kraft­werke. Weltweit sind laut des Global Wind Energy Councils (GEWC) rund 597GW an Leistung instal­liert. 2018 kam 1 Gigawatt an Leistung hinzu. China hat 2018 mehr als 200GW an instal­lierter Leistung, die USA rund 100 GW und Deutsch­land etwa 60GW. Alle bis Ende 2018 instal­lierten Windkraft­an­lagen können etwa sechs Prozent des weltweiten Strom­be­darfs decken.

2018 konnten die europäi­schen Märkte kein Wachstum vorweisen. Umso stärker jedoch sind die asiati­schen und manche afrika­ni­schen Windener­gie­märkte gewachsen. Die Spitzen­reiter in Sachen Windenergie – China, USA, Deutsch­land, Indien und Großbri­tan­nien – haben neue Kapazi­täten instal­liert, im Beispiel von Deutsch­land zeigt sich aller­dings ein gerin­gerer Zuwachs als in den letzten Jahren.

Installierte Windkraftleistung 2000 - 2018
Instal­lierte Windkraft­leis­tung 2000 — 2018 — Quelle: https://www.volker-quaschning.de/datserv/windinst/index.php

Windenergie China

China ist die weltweite Windener­gie­spitze und das erste Land, das eine instal­lierte Windener­gie­leis­tung von über 200GW verfügt. Die USA belegen Platz zwei und Deutsch­land folgt auf dem dritten Platz. Ebenso kann China den größten Zuwachs an instal­lierter Leistung verzeichnen. Mit einer instal­lierten Leistung von 210 GW im Jahr 2018 stellt das Land mit dem höchsten CO2-Ausstoß rund ein Drittel der weltweit instal­lierten Leistung. China verzeichnet auch die höchste Anzahl an Beschäf­tigten im Windener­gie­sektor, nämlich mehr als eine halbe Million. Die Regie­rung setzt sich seit rund 50 Jahren für die Entwick­lung des Windener­gie­sek­tors ein: Das Land, auf dem die Windkraft­an­lagen stehen ist kostenlos, der Strom wird mittels eines Einspei­se­ta­rifs geför­dert und für den Windstrom wurde die Mehrwert­steuer halbiert. Offshore-Windparks erscheinen so zunächst unsinnig, aller­dings liegen geeig­nete Onshore-Stand­orte für Windparks in abgelegen Gegenden Chinas und nicht dort, wo der Strom gebraucht wird – in den Großstädten. In diesem Punkt teilt auch China das Problem fehlender Speicher- und Trans­port­mög­lich­keiten des Windstroms.

Windenergie Förde­rung

Mit der Einfüh­rung des Strom­ein­spei­se­ge­setzes 1991 erlebten die Windkraft und alle anderen erneu­er­baren Energien einen regel­rechten Boom in Deutsch­land. Das Erneu­er­bare-Energien-Gesetz (EEG), das erstmals im Jahr 2000 verab­schiedet wurde, setzte die Förde­rung dieser regene­ra­tiven Energie­quellen fort. Deutsch­land ist Vorreiter mit dieser staat­li­chen Förde­rung der Energie­wende und das EEG ist der Motor für die Energie­wende. Kernstück des Gesetzes ist eine garan­tierte feste Einspei­se­ver­gü­tung für den Ökostrom der EE-Anlagen, sofern Anlagen­be­treiber ihn ins öffent­liche Netz einspeisen. Somit soll die Einspei­sung von Strom aus erneu­er­baren Quellen ins Strom­netz zu bevor­zugt werden. Damit mehr EE-Anlagen gebaut werden und Anlagen­be­treiber gewinn­brin­gende Chancen auf dem Strom­markt haben, wurde ebenso die Direkt­ver­mark­tung nach dem Markt­prä­mi­en­mo­dell einge­führt. Neben der festen Einspei­se­ver­gü­tung für Bestands­an­lagen ermög­licht das EEG mit der Direkt­ver­mark­tung, den erzeugten Strom aus Windkraft­an­lagen direkt an der Börse zu verkaufen. Für Neuan­lagen mit einer Leistung größer 100 kW existiert seit dem EEG 2016 eine Direkt­ver­mark­tungs­pflicht. Somit müssen Windkraft­an­lagen nicht mehr länger nur über die EEG-Einspei­se­ver­gü­tung laufen, sondern können mit der Strom Direkt­ver­mark­tung einen attrak­tiven Mehrerlös erzielen.

Windenergie Zukunft

Windenergie spielt eine tragende Rolle beim Ausbau der erneu­er­baren Energien. Sie kann den größten Anteil an der Energie­wende tragen. An Land und auf See hat sie mittler­weile einen Anteil von rund 16 Prozent an der deutschen Strom­erzeu­gung. Ende des Jahres 2017 waren in Deutsch­land 5.407 Megawatt (MW) Windleis­tung auf See am Netz. Bis zum Jahr 2030 soll nach den Plänen der Bundes­re­gie­rung eine Leistung von 15.000 MW am Netz sein. Auch weltweit ist laut Studien in den kommenden Jahren mit einem Wachstum zu rechnen. Die EU inves­tiert in Windkraft und setzt sich zum Ziel, bis nächstes Jahr rund 14 Prozent des Strom­ver­brauchs so zu decken. Der Schwer­punkt beim Windenergie-Ausbau liegt auf Techno­lo­gie­fort­schritten, Betriebs­si­cher­heit sowie der Optimie­rung der Anlagen. Durch Repowering können alte, leistungs­schwache Anlagen durch neue ersetzt werden, ohne neue Gebiete erschließen zu müssen.

Obwohl gerade noch Flaute beim Ausbau herrscht, sind die Strom­erzeu­gungs­kosten aus Windenergie längst wettbe­werbs­fähig geworden. Strom aus Wind ist nicht mehr teurer als aus konven­tio­nellen Kraft­werken und diese Strom­erzeu­gungsart ist nur noch auf ein geringes Maß an Subven­tionen angewiesen. Schät­zungen zufolge wird Windkraft in rund 10 Jahren die größte Strom­quelle Europas sein. Vor allem wird auf die Offshore-Windkraft gesetzt: Bis 2030 sollen Offshore-Windkraft­werke so viel Strom wie 60 Kernkraft­werke liefern. Voraus­set­zungen für den weiteren Erfolg der Windenergie sind möglichst verlust­freie Übertra­gungs­lei­tungen von Offshore-Windparks an das Festland und ausrei­chende Speicher­mög­lich­keiten.

Geschichte der Windenergie

Bereits im Altertum nutzte man die Energie des Windes, vorrangig bei der Schiff­fahrt. Später machten sich die Menschen die Segel nicht nur bei Schiffen zu Nutze, sondern fingen damit die Windenergie in den ersten Windmühlen ein. Ab dem 12. Jahrhun­dert kamen Windmühlen in ganz Europa auf und Wind konnte für mecha­ni­sche Arbeit einge­fangen werden. So konnte man beispiels­weise mit ihnen Getreide mahlen, sägen, hämmern oder auch Wasser pumpen. Im 19. Jahrhun­dert war die Blüte­zeit der Windmühlen, Holland allein kam auf etwa 9000 Stück. 1887 machte sich der Schotte James Blyth erstmals daran, mittels Windenergie Strom zu erzeugen. Aller­dings wurde mit Einsetzen der Indus­tria­li­sie­rung der gigan­ti­sche Energie­be­darf mit Kohle gedeckt und ein weltweites „Windmüh­lensterben“ setzte ein. Da Wind aller­dings zu den erneu­er­baren Energie­quellen gehört, begann Europa Mitte der 1990er Jahre die Instal­la­tion von immer mehr Windparks. Zu den Vorrei­tern in der EU gehören neben Deutsch­land auch Dänemark, Spanien, Portugal und Irland.

Virtuelles Kraftwerk der EnBW

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