erneuerbare Energien: Windenergie

erneuerbare Energien: Windenergie

 

Windenergie ist, gleich der Wasserkraft, Biomasse und Umgebungswärme, mittelbare Sonnenenergie. Wind entsteht, wenn Temperaturunterschiede in der Atmosphäre Druckunterschiede nach sich ziehen, die über Luftströmungen den Ausgleich suchen.

 

Eine ganze Reihe verschiedener Faktoren beeinflusst den Wind in Stärke und Richtung, so etwa die jahreszeitlichen Unterschiede, die Drehung der Erde und die Taumelbewegung ihrer Achse (Nutation), die Konzentration von Treibhausgasen und Meeresströmungen von unterschiedlicher Temperatur. Besonders aber die Topographie der Erdoberfläche hat großen Einfluss auf die Windgeschwindigkeit. Je rauer der Boden, desto niedriger ist die Windgeschwindigkeit in den bodennahen Atmosphärenschichten.

 

Die daraus resultierende globale Windverteilung in den niederen Atmosphärenschichten lässt sich vereinfachend so beschreiben, dass im Inneren der Kontinente eher Flauten vorherrschen, die an den Küsten, auf See und auf den Kuppen der Gebirge auffrischen. Wind kennt sekundliche zeitliche Schwankungen aufgrund der Bodenturbulenz, minütliche durch Böen, stündliche und tageszeitliche durch den Tag-Nacht-Rhythmus, schließlich saisonale durch den Sonnengang und Großwetterlagen.

 

Wenn auch Windenergieangebot und Energienachfrage der Menschen in der Regel zeitlich und örtlich nicht deckungsgleich sind, steht doch außer Zweifel, dass das Windenergiepotenzial der Erde um ein Mehrfaches größer ist als die gesamte derzeitige Energienachfrage; allein Patagonien im Süden Argentiniens könnte theoretisch den Energiebedarf der ganzen Menschheit decken. Ergiebig sind vor allem auch die pazifischen Küstensäume Nord- und Südamerikas und Asiens, die Nordmeerküsten Kanadas und Sibiriens sowie die Atlantikküste Nordafrikas, Frankreichs, Irlands und Schottlands.

 

Weltweite Windenergienutzung ist nicht so sehr eine Frage der Technik der einzelnen Windenergieanlage, sondern der Anpassung von Energienachfrage und Energieangebot sowie des Transports des elektrischen Stroms über Verbundnetze kontinentaler Ausdehnung.

 

Geschichtlich gehört Windenergie, zusammen mit Sonnenenergie und Biomasse (Holz, Gras, Schilf), zu den ältesten Nutzungsformen erneuerbarer Energien, ja, zu den ältesten genutzten Energien schlechthin. Von Windrädern wird schon 2000 vor Christi berichtet, vieles ist den Segeln von Segelschiffen verwandt, welche die Flüsse und Randmeere befuhren; die Physik beider ist dieselbe.

 

Windenergie und wie man sie nutzen sollte

 

Die ersten modernen Windparks wurden in den 1970er-Jahren in Kalifornien errichtet, auf den Pässen der pazifischen Randgebirge, über die der Wind kräftig und — wichtiger noch — ziemlich sicher vorhersagbar bläst. Das kommt daher, dass die auf der dem Pazifik abgewandten Seite der Randgebirge liegenden Wüsten regelmäßig am frühen Vormittag von der Sonne dermaßen erwärmt sind, dass die entstehende Thermik über die Pässe und Einschnitte des Gebirges große Luftmengen vom Pazifik nachzieht. In diesen Luftstrom werden die Windenergieanlagen gestellt. Der Wind flaut erst in der Nacht ab, lange nach Sonnenuntergang, dann, wenn die Oberflächen der Wüste als Folge der nächtlichen Abkühlung wieder Umgebungstemperatur angenommen haben, häufig erst weit nach Mitternacht!

 

Dieser Vorgang wird aus zwei Gründen hier so ausführlich geschildert: zum einen, um zu zeigen, dass die Natur für die ansonsten nicht speicherbare erneuerbare Energie (hier Windenergie) eigene Speicher bereithält und — der zweite Grund — dass diese Speicherfähigkeit besonders dann willkommen ist, wenn sie dazu genutzt werden kann, Höchstverbrauchszeiten und Höchstangebotszeiten für Energie zusammenfallen zu lassen. Dies ist beispielsweise in Kalifornien, am Abend nach Sonnenuntergang, der Fall, wenn die Menschen von der Arbeit zurückkehren und die Klimaanlagen einschalten. Solche natürlichen Speicher erneuerbarer Energien gibt es viele. Das Gebot ist, sie zu finden und sie sich zunutze zu machen, so- dass Lastangebot und Lastnachfrage aneinander angepasst werden können.

 

Das technische Potenzial der Windenergie

 

Heute, 25 Jahre nach Wiederbeginn der modernen Windenergienutzung, gibt es weltweit Windenergieanlagen mit einer elektrischen Leistung von zusammen 8000 Megawatt, mit Schwerpunkten in den USA und in Europa, in Deutschland mit fast 3000 Megawatt (1999), zunehmend aber auch in Ländern rund ums Mittelmeer, in Indien, China und anderswo. Die Leistung pro Anlage ist mit den Jahren gestiegen. Am Anfang wurden Maschinen mit wenigen Kilowatt aufgestellt, danach mit zehn Kilowatt, heute mit mehreren 100 Kilowatt, ein bis zwei oder drei Megawatt pro Maschine werden erwartet. Je nach der Windleistung am Standort kann pro installiertem Kilowatt mit einer erzeugten elektrischen Energie von 2000 bis 4000 Kilowattstunden pro Jahr gerechnet werden. In Deutschland sind die bevorzugten Standorte an den Küsten von Nord- und Ostsee, im küstennahen Hinterland sowie auf den Mittelgebirgen des Binnenlandes. Aus einer neueren Potenzialabschätzung für die erneuerbaren Energien in Deutschland ergeben sich für das technische Potenzial der Nutzung der Windenergie zur Stromerzeugung bis zu 83 Millionen Megawattstunden pro Jahr; verglichen mit der Bruttostromerzeugung von 1996, die sich insgesamt auf etwa 548 Millionen Megawattstunden belief, sind das gut 15 Prozent. Dabei bleiben Offshore-Standorte, in denen die Windgeschwindigkeiten umso höher sind, je weiter sie vor der Küste liegen, bislang unberücksichtigt. Sie versprechen zwar, besonders hohe Potenziale zu nutzen, allerdings auch nur mit Anlagen, die dem rauen Betrieb auf dem Meer gewachsen sind. Ihre Zuverlässigkeit muss hoch, ihre Wartungsaufwendungen müssen klein sein.

 

Im Vergleich zu anderen Energiewandlern erneuerbarer Energien sind Windkraftwerke — wie Wasserkraftwerke — auf sehr gutem Wege, sich ihre Marktposition zu erobern und zu halten. Weltweite jährliche Zuwachsraten von 20 bis 30 Prozent sind in den 1990er-Jahren zur Regel geworden.

 

 Das Windkraftwerk

 

Eine Vielzahl von Windkraftwerkstypen ist im Versuch erforscht worden. In der Praxis durchgesetzt hat sich letztlich nur ein Typ, die den Auftrieb nutzende Horizontalachsenmaschine mit zwei, drei oder vier Blättern aus faserverstärkten Kunststoffen, allenfalls ergänzt durch die Vertikalachsenmaschine nach Darrieus, die aber wohl eher ein Schattendasein fristet.

 

Ein Windkraftwerk besteht aus drei Baugruppen, dem Rotor, dem Maschinenhaus und dem Turm. Im Maschinenhaus befinden sich als wichtigste Komponenten das Getriebe und der Generator. Mit dem Getriebe wird die Drehzahl des Rotors so weit heraufgesetzt, dass der Generator die benötigte Drehzahl erhält. Die maschinenbaulichen Komponenten machen die Hälfte der Kosten aus, die Elektrik ein Viertel. Neuere Entwicklungen werden die Kosten zu höheren Elektrik- und Elektronikanteilen verschieben, weil das mechanische Getriebe zugunsten elektronischer Regelung entfällt.

 

Zurzeit zeichnen sich in der technischen Entwicklung fünf Tendenzen ab, die mit den Begriffen laminare Rotorblätter, überkritische Türme, freie Rotordrehzahl, Megawattmaschinen und windenergetische Wettervorhersage umrissen werden können.

 

Laminare Rotorblätter

 

Die laminare Umströmung von Blattprofilen ist ein allgemeines Forschungsziel in der Strömungsphysik, gleich, ob es um die Konstruktion von Flugzeugen, Turbinen oder Blättern von Windenergieanlagen geht, da bei laminarer Umströmung mehr Strömungsenergie auf die Blätter übertragen wird als bei turbulenter. Der anströmende Wind hat jedoch immer turbulente Anteile, die durch eine geeignete Profilgebung und durch die Minimierung der Oberflächenrauigkeit zumindest teilweise geglättet werden können. Das hat Grenzen, denn betaute oder regennasse Rotorblätter und solche mit Eisansätzen oder Verschmutzung und Insektenbefall sind immer rau. Daher müssten die Blätter der Windkraftwerke, genau wie Flugzeugflügel, regelmäßig gewaschen werden.

 

Unterkritische und überkritische Türme

 

Windkraftwerke wurden bislang in aller Regel mit unterkritischen Türmen gebaut, deren erste Biegeeigenfrequenz oberhalb der Rotordrehzahl liegt, also beim Anfahren des Rotors nicht durchfahren zu werden braucht. Was ist der Grund hierfür und gibt es Möglichkeiten, diese Einschränkung zu umgehen?

 

Turm, Gondel, Rotor und Rotorblätter eines Windkraftwerks sind enormen dynamischen Kräften ausgesetzt, welche die einzelnen Bauteile sowie die Gesamtkonstruktion zu Bewegungen anregen. Besonders die Windanströmung, die mit Böen behaftet sein kann, sowie die Rotordrehung beeinflussen das Schwingungsverhalten der Windkraftwerke. Alle Bewegungen der Konstruktion müssen gedämpft sein, damit die Stabilität gewährleistet bleibt.

 

Ein besonderes Augenmerk der Konstrukteure gilt den Biegeschwingungen des Turms. Wie jedes schwingende Bauteil hat er Eigenfrequenzen, bei denen die Dämpfung besonders gering ist. Stimmt die Drehfrequenz des Rotors mit der ersten Eigenfrequenz überein, so kommt es zur Resonanz: Der Turm beginnt stark zu schwingen, wodurch er im Extremfall sogar zerstört werden kann.

 

Kurze, gedrungene Türme haben meist Biegeeigenfrequenzen, die oberhalb der Rotordrehfrequenz liegen (unterkritische Türme); die Gefahr der Übereinstimmung der Rotordrehfrequenz mit der Biegeeigenfrequenz des Turms ist nicht gegeben, Resonanz ist ausgeschlossen.

 

Anders lange, schlanke Türme mit großem Gewicht auf der Turmspitze (überkritische Türme): Ihre erste Eigenfrequenz liegt unterhalb der Drehfrequenz des Rotors, sie muss bei jedem An- und Abfahren des Rotors beschleunigt durchfahren werden, um Verweilen in der Resonanzfrequenz zu vermeiden. Der Vorteil der überkritischen Türme liegt in der höheren Windgeschwindigkeit in größeren Höhen. Da die Leistung eines Windrotors in allererster Linie von der Windgeschwindigkeit abhängt, sind die überkritischen Türme gegenüber den unterkritischen wesentlich leistungsstärker; dies rechtfertigt die höhere Bauweise vollauf.

 

Freie Rotordrehzahl

 

Bei netzgekoppelten Anlagen gibt die Netzfrequenz die Drehzahl des Generators und über das Getriebe auch die Drehzahl des Rotors vor. Sie ist starr, ungeachtet dessen, dass das Windenergieangebot zeitveränderlich ist. Teile des Angebots müssen also ungenutzt vorbeistreichen, weil der drehzahlstarre Rotor keine Drehzahländerung erlaubt, die nötig wäre, um dem vermehrten oder verminderten Angebot zu folgen. Hier helfen Maschinen freier Rotordrehzahl, die dem Windenergieangebot folgen und bei denen die Frequenz des erzeugten Wechselstroms elektronisch auf die Netzfrequenz eingeregelt wird. Das Mehr an Energieausbeute rechtfertigt das Mehr an Investition bei weitem.

 

Megawattmaschinen

 

Megawattmaschinen werden Leistungen von einigen Megawatt haben. Auf zwei bis sechs der zurzeit üblichen Maschinen mit einigen Hundert Kilowatt Leistung käme dann eine der Megawattmaschinen. Wo sind die Vorteile? Die Zahl der Maschinen pro Aufstellungsfläche sinkt, und die spezifischen Investitionskosten können sinken. Dadurch wird die Nutzung der Windenergie lukrativer, vorausgesetzt, die leistungsstärkeren Anlagen sind genauso beherrschbar, zuverlässig und wartungsarm wie die heutigen kleineren. Zudem nimmt die Sichtbeeinträchtigung durch die Vielzahl von Türmen ab.

 

Windenergetische Wettervorhersage

 

Vielleicht ist die letzte der Entwicklungen die wichtigste: die windenergetische Wettervorhersage. Derzeit ist Windstrom aus Einzelanlagen zu nur sehr kleinen Teilen sichere Leistung. Es müssen andere Kapazitäten, in der Regel fossile Kraftwerke, vorgehalten werden, die einspringen, wenn der Wind abflaut. Windkraftwerke sparen also eigentlich nur punktuell Brennstoffe ein, ersetzen aber keine anderen Kraftwerke. Das könnte — zumindest teilweise — anders werden, wenn durch das Mittel einer verlässlichen, satellitengestützten windenergetischen Wettervorhersage sichere Leistung zeit- und mengengenau vorhergesagt werden könnte. Beispiel: Mit welcher Leistung eines Windkraftwerks etwa an der schleswig-holsteinischen Küste kann der Betreiber zu welcher Zeit rechnen, wenn ein Tief über Irland sich in West-Ost-Richtung mit bestimmter Geschwindigkeit nähert? Sollte diese Frage einst befriedigend beantwortet werden können, liegt der Nutzen auf der Hand: Teile der vorgehaltenen fossilen Reservekapazitäten könnten abgeschaltet, die Kapitalkosten gespart werden.

 

 Umweltaspekte der Windenergie

 

Windkraftwerke sind nicht ohne Einwendungen geblieben: Sie seien laut, sie zerhackten das Sonnenlicht, wenn der Rotor sich zwischen der Sonne und dem Betrachter dreht, sie seien eine Gefahr für durchziehende Vogelschwärme, schließlich, sie verdürben das Landschaftsbild. Diese Kritik ist nicht unberechtigt, kann aber durch geeignete Maßnahmen zumindest teilweise entkräftet werden.

 

Im Einzelnen: Eine der Geräuschquellen der Windkraftwerke ist das Getriebe. Für getriebelose, elektronisch geregelte Anlagen — und solche könnten die Regel werden — entfällt das Getriebegeräusch. Mit der aerodynamischen Optimierung der Rotorblätter wird auch das Geräusch kleiner, das entsteht, wenn sich bei turbulenter Strömung Wirbel von den Blättern lösen. Nur die Turbulenzgeräusche des Turms sind kaum zu beeinflussen, es sei denn, der Turmquerschnitt würde aerodynamisch profiliert und der jeweiligen Windrichtung nachgeführt — eine teure Lösung.

 

Gegen das Zerhacken des Sonnenlichts gibt es nur die Lösung, auf Standorte zwischen einer Siedlung und der Hauptsonnenrichtung zu verzichten.

 

Die Gefahr für Vögel ist weit überschätzt worden. Es hat Vogelunfälle gegeben, die gleichwohl nicht über die allgemeinen Risiken menschlichen Tuns für die Tierwelt hinausgingen. Die Vögel erkennen offenbar das Hindernis und umfliegen es.

 

Schließlich, die Beeinträchtigung des Landschaftsbildes ist objektiv gegeben, wird aber subjektiv sehr verschieden empfunden. Nach Gesichtspunkten der Landschaftsästhetik und der Sozialpsychologie ausgewählte Standorte, höhere Leistung der einzelnen Türme, mit der die Anlagenpopulation im Windpark klein gehalten werden kann, ästhetisch befriedigendes Design des einzelnen Kraftwerks, farbliche Anpassung des Turms an seinen Hintergrund, strikt synchrone Drehung der einzelnen Rotoren und dieselbe geometrische Ausrichtung der Rotoren eines Windparks bei Flaute — das sind einige Möglichkeiten, die dazu beitragen können, die landschaftliche Beeinträchtigung verantwortbar zu halten.

 

Die Einwände sind letztlich nicht vollständig auszuräumen. Schließlich aber sollte die Güterabwägung den Ausschlag geben. Die Vorzüge der Windkraftwerke gegenüber den erschöpflichen, aber auch gegenüber den anderen erneuerbaren Energieformen sind unübersehbar: Sie verzehren keine betrieblichen Energierohstoffe, emittieren keine Treibhausgase oder sonstige Schadstoffe, erzeugen keine radioaktiven Spaltprodukte und radiotoxisches Plutonium und verursachen einen nur minimalen Landschaftsverbrauch, der dem Turmquerschnitt am Boden und den Zufahrtswegen entspricht; die landwirtschaftliche Nutzung unter den Rotoren bleibt möglich.

 

 Stetige Leistung mit Windenergie?

 

Ganz zuletzt bleibt ein technisches Problem, für das es mancherlei Lösungsansätze gibt, das aber wohl noch geraume Zeit ungelöst bleiben wird: Die Verstetigung des fluktuierenden Stromangebots aus Windkraftwerken und damit die Anpassung an die prinzipiell stetigere Stromnachfrage der Nutzer. Solange die eingespeiste Menge an Windstrom im Verhältnis zur Kapazität des aufnehmenden Netzes klein bleibt — wie in aller Regel heute noch —, stellt sich das Problem kaum. Wird sie größer, müsste zwischengespeichert werden. Elektrische Batterien kommen nicht in Betracht, weil ihre Größe aber auch nicht im Entferntesten ausreicht. An der Entwicklung von supraleitenden Großspeichern wird zwar gearbeitet, sie wird aber noch geraume Zeit brauchen. Pumpspeicherkraftwerke setzten entsprechende Topographien voraus, die häufig nicht gegeben sind (wie in Norddeutschland). Schwungräder werden zwar entwickelt, jedoch auch wieder nur für verhältnismäßig kleine Leistungen.

 

Was einstweilen bleibt, ist ein Quasispeichereffekt, der sich bei der Aufstellung von Windparks in so großen Entfernungen voneinander ergibt, dass der eine in einem Starkwindfeld arbeitet, während bei einem anderen Flaute herrscht. Ein ähnlicher Effekt stellt sich in manchen Weltgegenden bei der Kombination von Windkraftwerken und Photovoltaikanlagen ein. Wenn nachts die Sonne nicht scheint, mag der Wind wehen; wenn im Winter der Wind stark bläst, ist das Sonnenenergieangebot klein. Empirisch sind für solche Kombinationen bis zu 25 Prozent sichere Leistung nachgewiesen worden.

 

Prof. Dr.-Ing. Carl-Jochen Winter

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

erneuerbare Energien: Perspektiven der Nutzung

 

Literatur:

 

Hoffmann, Volker: Energie aus Sonne, Wind und Meer. Möglichkeiten und Grenzen der erneuerbaren Energiequellen. Leipzig u. a. 1990.

 Bennert, Wulf / Werner, Ulf-Jürgen: Windenergie. Berlin ²1991.

 Betz, Albert: Wind-Energie und ihre Ausnutzung durch Windmühlen. Göttingen 1926. Nachdruck Grebenstein 1994.

 Crome, Horst: Windenergie-Praxis. Windkraftanlagen in handwerklicher Fertigung. Staufen ⁶1997.

 Hanus, Bo: Das große Anwenderbuch der Windgeneratoren-Technik. Grundlagen und Selbstbau von Windgeneratoren. Feldkirchen 1997.

 Heier, Siegfried: Nutzung der Windenergie. Ein Informationspaket. Köln ³1996.

 Klöppel, Dieter / Krause, Christian L.: Windkraftparks in der Erholungslandschaft. Standortprobleme unter dem Aspekt von Landschaftsbild und Erholungsqualität. Sankt Augustin 1996.

 Molly, Jens-Peter: Windenergie. Theorie - Anwendung - Messung. Karlsruhe 1990.

 

Windenergie 1998. Marktübersicht, Fachbeiträge, Adressen, Betriebsergebnisse 1997, herausgegeben vom Bundesverband WindEnergie e. V.Bearbeitet von Bernd Neddermann u. a. Osnabrück 1998.

 

Windenergieanlagen. Nutzung, Akzeptanz und Entsorgung. Eine gemeinsame Arbeit der Programmgruppen der Forschungszentrum Jülich GmbH, bearbeitet von Manfred Kleemann u. a. Jülich 1998.

 

Windkraft. Eine Alternative, die keine ist, herausgegeben von Otfried Wolfrum. Frankfurt am Main ²1998.

 

Windkraftanlagen. Grundlagen und Entwurf, herausgegeben von Robert Gasch. Beiträge von Peter Bade u. a. Stuttgart ³1996.