Windkraftenergie

Bei der Windenergie handelt es sich um die kinetische Energie der bewegten Luftmassen der Atmosphäre. Sie ist eine indirekte Form der Sonnenenergie und zählt deshalb zu den erneuerbaren Energien. Die Windenergie-Nutzung ist eine seit dem Altertum bekannte Möglichkeit, um Energie aus der Umwelt zu schöpfen.

Inhaltsverzeichnis

Entstehung der Windenergie

Verteilung der Windgeschwindigkeiten
Segelschiff

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 durch Verengungen an Hindernissen (Düsen- oder Kapeffekte) verstärkt werden.

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, dies in Abhängigkeit von der Höhe über dem Boden.

Winde und Windsysteme

Weltweit gibt es viele verschiedene Winde und Windsysteme, wie zum Beispiel den Passat, Monsun, 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 Prandtl-Schicht (bis 20–60 m) zur Ekman-Schicht 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. Aus diesem Grund sind besonders im Binnenland Windenergieanlagen mit großen Höhen besonders wirtschaftlich zu betreiben.

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 v bewegen. Eine Kreisfläche mit Radius r, die senkrecht zur Windrichtung steht, wird dabei in der Zeit t von folgender Masse durchströmt:

m = \rho V = \rho \cdot {A v t} = \rho \cdot {\pi r^2 v t}

Somit ergibt sich die kinetische Energie des Windes zu:

E_{kin} = {1 \over 2} m \cdot v^2 = {\pi \over 2} \rho r^2 t \cdot v^3
P_{Wind} = {E_{kin} \over t} = {\pi \over 2} \rho r^2 \cdot v^3

Hierbei ist bemerkenswert, dass die Windleistung mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zunimmt. Somit ist diese einer der bestimmenden Faktoren 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 weitgehend 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 ein Drittel der gesamten Windleistung aus, während der Energieverlust durch die Restenergie der durch das Windrad getretenen Luftmenge nur ca. 12 % ausmacht. Insgesamt beträgt der Erntegrad somit ca. 67 von 88 %, das sind ca. 59 %. 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 sind es 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 Betzscher Leistungsbeiwert (cp,Betz) genannt und wurde von Albert Betz im Jahre 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 Windkraftanlage der Wind auf, da eben trotz der geringeren 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 Windkraftanlage nicht möglich: Dafür müssten die Luftmassen hinter der Windkraftanlage ruhen, könnten also nicht abtransportiert werden.

Nutzung der Windenergie

Anwendungen

Kite-Surfen

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 Windkraftanlagen (WKA). Seit den Ölkrisen in den 1970er Jahren wird weltweit verstärkt nach Alternativen zur Energieerzeugung geforscht und damit wurde auch die Entwicklung moderner Windkraftanlagen vorangetrieben. Der Ausdruck Windmühle ist für stromerzeugende Anlagen nicht korrekt, da sie kein Mahlwerk besitzen.

Weitere Anwendungen:

Stromerzeugung

Windenergieanlage am linken Niederrhein

Hauptartikel: Windenergieanlage, Windpark

Windenergieanlagen können in allen Klimazonen, auf See und in allen Landformen (Küste, Binnenland, Gebirge) zur Gewinnung elektrischen Stroms eingesetzt werden. Aufgrund der Unstetigkeit des Windes kann die mit Windenergieanlagen gewonnene elektrische Energie nur im Verbund mit anderen Energiequellen oder in sehr kleinen Stromnetzen mit Speichern für eine kontinuierliche Energiebereitstellung genutzt werden. (Siehe auch Regelenergie) Durch Prognose der Einspeisung und Austausch in und zwischen den deutschen Übertragungsnetzen (Regelzonen) wird die schwankende Stromerzeugung im Zusammenspiel mit anderen Kraftwerken, wie die normalen Verbrauchsschwankungen, ausgeglichen. Die Verknüpfung der Regelzonen und die Gesamtreserve dauerverfügbarer Energiequellen definieren daher zukünftig den Gesamtanteil der Windenergie an der Stromerzeugung. Für Deutschland geht man laut einer Studie der DENA derzeit von 20 bis 25 % maximalem Anteil beim moderatem Ausbau der Netzinfrastruktur aus. Weitere Möglichkeiten, zukünftig die Windstrompenetration über einen solchen Wert hinaus zu erhöhen, wären: - weitere Verstärkung und Vermaschung des Hochspannungsübertragungsnetzes mit benachbarten Regelzonen - Demand Side Management (zeitweiliges Abschalten oder verzögerter Betrieb nicht zwingend notwendiger Verbraucher) - Energiespeicherung, zum Beispiel durch Pumpspeicherkraftwerke und Druckluftspeicherkraftwerk; siehe Energiespeicher.

In zahlreichen, zumeist dieselgestützen Inselnetzen mit Windstromeinspeisung (Australien, Antarktis, Falklands, Bonaire), werden neben dem Demand Side Management zudem Batterien und teilweise auch Schwungradspeicher zur kurz- und mittelfristigen Netzstabilisierung und -optimierung eingesetzt, wobei relativ schlechte Wirkungsgrade aus wirtschaftlichen Gründen (Reduktion des sehr teuren Dieselstromanteils) akzeptiert werden können. Speicherung von Windstrom durch Wasserstoffelektrolyse- und Verbrennung und Schwungradspeicher wird derzeit in einem Modellprojekt auf der norwegischen Insel Utsira erprobt.

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. In ähnlicher Weise ist oft die Erzeugung im Winter größer als im Sommer, was ebenfalls günstig ist.

Die Höhe der vorzuhaltenden Reserveleistung (Regelenergie) hängt auch erheblich von der Vorhersagegenauigkeit des Windes, der Regelungsfähigkeit des Netzes sowie dem zeitlichen Verlauf des Stromverbrauchs ab. Eine deutliche Verminderung des Bedarfs an Regelenergie entsteht durch Kombination von Windenergieanlagen an verschiedenen Standorten, da sich die Schwankungen der dortigen Windgeschwindigkeiten teilweise gegenseitig ausmitteln. (Weitere Informationen im Artikel Windenergieanlage.)

Ältere drehzahlstarre Windenergieanlagen mit Asynchrongeneratoren haben z. T. Eigenschaften, die bei einem starken Ausbau Probleme im Netzbetrieb bereiten können; dies betrifft vor allem den sog. Blindstrom. Dem kann durch Blindstromkompensation abgeholfen werden; moderne drehzahlvariable Anlagen mit elektronischem Stromumrichter können den Blindstromanteil ohnehin nach den Anforderungen des Netzes beliebig einstellen und auch Spannungsschwankungen entgegenwirken, so dass sie sogar zur Netzstabilisierung beitragen können.

Umweltschützer argumentieren, Windenergie sei, wenn alle externen Kosten der Energieerzeugung (auch die Umweltschäden durch z. B. Schadstoffausstoß) einbezogen werden, neben der Wasserkraft eine der billigsten Energiequellen [1]. Da die Messung externer Kosten und Nutzen jedoch nicht eindeutig möglich ist, kommen andere Studien zu anderen Ergebnissen [2]. Moderne Windenergieanlagen besitzen eine kurze energetische Amortisationszeit von nur wenigen Monaten [3].

Die Wirtschaftlichkeit einer Windenergienutzung durch Windenergieanlagen hängt von den Parametern mittlere Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe, Stromverkaufspreis, Anlagen- und Infrastrukturkosten ab. In den meisten Ländern sind heute auch Standorte im Binnenland nutzbar.

Strompreis

Aus mehreren Studien geht hervor, dass durch die Einspeisung von Windenergie der Strompreis an der Leipziger Strombörse deutlich sinkt (Merit-Order-Effekt). Wird viel aus Windenenergie erzeugter Strom eingespeist, sinkt der Großhandelspreis an der Strombörse. Ist wenig Windenergie vorhanden, steigt der Preis an der Strombörse. Die sinkende Wirkung der Stromkosten durch Windenergie entsteht durch die gesetzliche Abnahmepflicht für produzierten Windstrom. Ist viel Strom aus Windenergie verfügbar, wird der Einsatz teurer konventioneller Kraftwerke insbesondere Gaskraftwerke („Grenzkosten-Theorie“) vermindert, was zu einem Absinken der Preise an der Strombörse führt. [4][5][6][7] Ein weiterer Grund liegt in der Strompreisexplosion. Im 2. Quartal 2008 kostet Strom an der Leipziger Strombörse im Mittel 8,495 ct/kWh . Der Einspeistarif für Windkraft liegt bei 7,8 ct/kWh . [8]

International

International gehört die USA vor Deutschland, Spanien und China zu den größten Nutzern von Windenergie zur Erzeugung von elektrischem Strom. Österreich lag Ende 2008 auf Platz 17. Dänemark verzeichnet mit etwa 20 % weltweit den größten Anteil der Windenergie an der Stromerzeugung. In einigen Regionen Deutschlands und Dänemarks liegt der Anteil allerdings noch wesentlich höher. Nach Informationen der IHK Emden betrug die Stromerzeugung aus Windenergie im Kammerbezirk Ostfriesland-Papenburg im Jahre 2005 im Durchschnitt 71 % des Verbrauchs.

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.

2008 wurden 27056 MW neu installiert, davon 8358 MW in den Vereinigten Staaten, 6300 MW in China, 1800 MW in Indien, 1665 MW in Deutschland und 1609 MW in Spanien.[9] Insgesamt sind derzeit (Ende 08) weltweit über 120.000 MW installiert,die etwa 240 Milliarden kWh Strom pro Jahr erzeugen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass durch das unterschiedliche und jährlich schwankende Windpotential die Windstromerzeugung in den verschiedenen Ländern andere Relationen haben kann, als die insgesamt installierte Leistung der Windenergieanlagen.

Die bereits eingetretenen Steigerungen der internationalen Windkrafterzeugung sind weitaus höher als z. B. noch 1998 im World Energy Outlook der IEA (Internationale Energieagentur) prognostiziert.[10]

Weltweit installierte Nennleistung 1996–2008, Quelle: Global Wind Energy Council
Installierte Nennleistung international per 31. Dezember 2006
Installierte Windenergiekapazität (2008)[11]
Lfd. Nr. Land Leistung in MW
01 USA 25.170
02 Deutschland 23.903
03 Spanien 16.754
04 China 12.210
05 Indien 9645
06 Italien 3736
07 Frankreich 2454
08 Großbritannien 3241
09 Dänemark 3180
10 Portugal 2862
11 Kanada 2369
12 Niederlande 2225
13 Japan 1880
14 Australien 1306
15 Schweden 1021
16 Irland 1002
17 Österreich 995
18 Griechenland 985
19 Polen 472
20 Türkei 433
Rest 4.948
Weltweit 120.791

Deutschland

Installierte Nennleistung:

Weitere Statistiken: Windenergieanlagenhersteller und Windenergieanlage (WEA)

Statistik Windenergie Deutschland
Statistik Windenergie Deutschland und Europa (Quelle: VGB)
Windkraftanlagen in Deutschland
Installierte Leistung in Deutschland nach Bundesländern (Stand: Ende 2008)[12]
Bundesland Anzahl WEA Leistung in MW Anteil am
Nettostromverbrauch
in %
Baden-Württemberg 344 422 0,71
Bayern 356 411 0,65
Berlin 1 2 0,00
Brandenburg 2644 3767 34,05
Bremen 56 88 2,90
Hamburg 57 34 0,37
Hessen 578 509 2,02
Mecklenburg-Vorpommern 1300 1431 39,29
Niedersachsen 5102 6028 21,44
Nordrhein-Westfalen 2676 2677 3,42
Rheinland-Pfalz 971 1207 6,68
Saarland 64 77 1,53
Sachsen 775 851 7,13
Sachsen-Anhalt 2079 3014 42,47
Schleswig-Holstein 2752 2694 38,24
Thüringen 546 692 10,56
Deutschland gesamt 20.301 23.903 7,95

Durchschnittliche installierte Leistung pro Windrad: 1,18 MW

Anteil der Windenergie an der Stromerzeugung

2007 wurden in Deutschland real 39.500 GWh Strom aus Windenergie produziert, was etwa 6,4 % des Nettostromverbrauchs im Jahr 2007 entsprach. Damit ist Windenergie vor der Wasserkraft (2007: 3,4%, 20.700 GWh bei 4.700 MW installierter Leistung) [13] die bedeutendste erneuerbare Energiequelle in der Stromerzeugung.

Da das jährliche Windaufkommen schwankt, wird von der Windindustrie auch ein sogenannter indexbereinigter Energieertrag angegeben. Mit diesem wurde vom Deutschen Windenergie-Institut DEWI für Ende 2005 ein auf ein durchschnittliches Windjahr bezogener Windenergieanteil von 6,7 % berechnet. Diese Zahlen nicht ohne weiteres mit den gemessenen eingespeisten Energiemengen vergleichen [14].

Das Bundesland Schleswig-Holstein plant ab 2020 den gesamten Stromverbrauch seiner Einwohner durch Windenergie zu decken. [15]

Anteil der Windenergie am Primärenergieverbrauch

Zur Erfüllung des Kyoto-Protokolls ist der Anteil der regenerativen Energie am Gesamtenergieverbrauch eine wichtige Größe. Hier beträgt der Anteil der Windenergie am Primärenergieverbrauch in Deutschland im Jahr 2007 1,0% nach der Wirkungsgradmethode, bzw. 2,6% nach der Substitutionsmethode (Quelle:BMU 2007).

Bei der Anwendung der Wirkungsgradmethode wird einem Energieträger, dem kein Heizwert zugeordnet werden kann (u. a. Windenergie, Wasserkraft, Solarenergie) direkt die erzeugte elektrische Energiemenge zugeordnet. Dieses Verfahren hat zur Folge, dass z. B. der durch Kernenergie produzierten Strommenge eine 3,2-fach höhere Menge Primärenergie gegenüber steht, die in Form von Wärme nicht genutzt wird.

Österreich

In Österreich sind Ende 2006 607 Windenergieanlagen mit einer Leistung von 964,52 MW am Netz. Dies entspricht in etwa dem Verbrauch von 550.000 Durchschnittshaushalten (17,5 % aller österreichischen Haushalte). Das Regelarbeitsvermögen beträgt 1,93 Mrd. kWh.

Die Schwerpunkte der österreichischen Windenergienutzung liegen in Niederösterreich und im Burgenland. In der Steiermark wurde 2002 in Oberzeiring der weltweit höchste Windpark auf 1900 m Seehöhe errichtet. Er umfasst derzeit 13 Anlagen mit einer Gesamtleistung von 23 MW.

Installierte Leistung in Österreich nach Bundesländern [16]
Bundesland Anzahl WEA Leistung in MW
Burgenland 206 369,2
Kärnten 1 0,5
Niederösterreich 333 511,7
Oberösterreich 23 26,4
Salzburg 0 0
Steiermark 32 48,3
Tirol 0 0
Vorarlberg 0 0
Wien 12 8,4
Österreich gesamt 607 964,52

Siehe auch: Liste der Windkraftwerke

Frankreich

Installierte Leistung in Frankreich nach Region [17]
Région Leistung in MW
Auvergne 39,00
Bretagne 125,54
Basse-Normandie 12,80
Centre 55,97
Champagne-Ardenne 81,20
Korsika 18,00
Haute-Normandie 12,00
Île-de-France 0,06
Languedoc-Roussillon 162,34
Limousin 9,00
Lothringen 65,00
Nord-Pas-de-Calais 62,53
Midi-Pyrénées 25,30
Pays de la Loire 23,77
Picardie 71,25
Poitou-Charentes 9,00
Provence-Alpes-Côte d’Azur 21,25
Rhône-Alpes 67,85
DOMTOM 56,84
Frankreich gesamt 918,615

Vereinigte Staaten

In den Vereinigten Staaten verläuft nach jahrelanger Zurückhaltung der Ausbau der Windkraft-Nutzung umso radikaler im Vergleich zu Staaten wie Deutschland oder Dänemark.

2007 hat die Windkraftindustrie in den Vereinigten Staaten mehr als 5200 MW installiert und mit diesem neuen Weltrekord ein Wachstum von 45 % gegenüber dem Vorjahr 2006 hingelegt. 2007 stammten in den Vereinigten Staaten bereits 30 % der gesamten neu installierten elektrischen Kapazität aus Windkraftanlagen.[18]

Politische und wirtschaftliche Aspekte heutiger Nutzung

Windparklandschaft in Mecklenburg

Vor allem in Deutschland, bedingt durch Art und Umfang der Förderung, ist die Energieerzeugung aus Windenergie ein stark umstrittenes und häufig auch ideologisch diskutiertes Thema.

Zukunftssicherheit

Umweltschützer betonen, dass diese Energieform besonders zukunftssicher sei, da Wind, im Gegensatz zu Kohle oder Erdöl, eine erneuerbare Ressource ist und somit dauerhaft zur Verfügung steht. Zudem sei die Nutzung der Windenergie besonders luft- und klimaschonend, da während des Anlagenbetriebs im Gegensatz zu fossilen Energieträgern keine Gift- und Schadstoffe, wie Schwefeldioxid oder Stickoxide, und keine direkten Kohlendioxidemissionen, die zur Klimaerwärmung beitragen, entstehen. Ein weiteres Argument der Befürworter ist die weltweite Verfügbarkeit von Wind. Von einer Förderung der Windenergie versprechen sie sich mehr Gerechtigkeit, da auf diese Weise auch Staaten ohne Rohstoffvorkommen Autarkie in der Energieversorgung erreichen könnten. Zudem bestehen bei der Windenergie keine Risiken von großen oder extrem großen Umweltschädigungen wie bei der Kernenergie.

Förderung der Windenergienutzung

Bei modernen Windenergieanlagen handelt es sich um eine sehr junge Technologie. Die Verbesserungspotentiale werden erst durch die industrielle Forschung und Fertigung erschlossen. Die dadurch momentan noch entstehenden Zusatzkosten schlagen sich in den Anlagenpreisen nieder. Bezogen auf die erzielbaren Einnahmen durch Verkauf des erzeugten Stroms, benötigt eine Windenergieanlage deshalb relativ hohe Investitionen. Zwar sind die reinen Investitionskosten pro Kilowatt installierter Leistung bei Windenergieanlagen mit denen bei Kohlekraftwerken vergleichbar und liegen bei etwa 800 € (Das 2008 zu bauen begonnene 750-Megawatt-Kohlekraftwerk Trianel kostet 1,4 Milliarden Euro und damit 1867 Euro pro Kilowatt.[19]), allerdings erzeugen Windkraftanlagen pro Jahr daraus wesentlich weniger Strom, so dass selbst unter der Beachtung der für das Kohlekraftwerk nötigen Betriebskosten, dieses den Strom preisgünstiger anbieten kann. Um trotzdem die erwünschten Investitionen in Windenergie zu erleichtern, wird diese 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, insbesondere weil es mehr installierte Leistung erzielt.

Ganz entscheidend für den Boom der Windenergie in der Bundesrepublik Deutschland war das Stromeinspeisungsgesetz von 1991, das die Stromnetzbetreiber und damit auch die Endverbraucher zur Abnahme des erzeugten Stroms verpflichtete. Diese Förderung des Technologieeinstiegs in erneuerbare Energien wurde von der seit 1998 bestehenden rot-grünen Bundesregierung im Jahr 2000 im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) mit Einschränkungen fortgeschrieben. Das Gesetz sichert den Betreibern von Windenergieanlagen feste Vergütungen des eingespeisten Stroms (durchschnittlich knapp unter 9 Cent/kWh) zu, die derzeit also über dem durchschnittlichen Strombörsenwert des Stroms an der Strombörse (bis zu 7 Cent/kWh) liegen. Die Vergütung für den Windstrom sinkt um 2 %/Jahr (Degression) für später aufgestellte WEA: Bsp. Wenn 2006 eine WEA aufgestellt wird, erhält der Betreiber aktuell 20 Jahre lang eine gesetzlich gesicherte Vergütung von 8,35 ct/kWh. Wird dasselbe Windrad erst im nächsten Jahr errichtet, erhält er 20 Jahre lang lediglich 8,18 ct/kWh usw.

Im Jahr 2005 wurden 26,5 Mrd. kWh (2004: 25,5 Mrd. kWh, [20]) Windstrom in das deutsche Stromnetz eingespeist. Bei konservativer Gegenrechnung mit Grundlaststrom 2005 zu 4,6 ct/kWh[21], also einer Kostendifferenz von 4,4 zu 9 ct/kWh entstanden 2005 Mehrkosten (bei Nichtberücksichtigung externer Kosten) von 1,166 Mrd. Euro bei einem Anteil von 4,3 % am Bruttostromverbrauch. Im Vergleich zu 2004 sanken damit die Mehrkosten um rund 500 Mio. Euro, da die Durchschnittsvergütung des Windstroms sank und gleichzeitig der Preis für konventionellen Strom stark anzog.

Die Festpreisvergütung im Rahmen des EEG hat zu einem starken Ausbau der Windenergienutzung in der Bundesrepublik Deutschland geführt. Ende 2003 war rund die Hälfte der gesamten europäischen Windenergieleistung (28.700 MW) in Deutschland installiert, zehn Monate später bereits zwei Drittel. Anfang April 2004 verabschiedete der Deutsche Bundestag eine Novellierung des EEG. Diese sieht für 2004 eine um 0,1 Cent/kWh reduzierte Vergütung des Windstroms sowie eine Erhöhung der Degression der Einspeisevergütung von 1,5 % auf 2 % ohne Inflationsausgleich in den kommenden Jahren vor (1. Hälfte 2004: 8,8 ct/kWh; 2. Hälfte 2004 (nach der Novellierung): 8,7 ct/kWh; 2005: 8,53 ct/kWh; 2006: 8,35 ct/kWh; usw.). Real sinkt damit die Neuvergütung zukünftig errichteter Windenergieanlagen um jährlich 3,5 bis 4 % (bei 1,5 bis 2 % Inflation). Auf diese Weise soll der durchschnittliche Windstrompreis bis etwa 2015 den durch Kraftwerksneubauten und Brennstoffkosten steigenden Marktpreis für Strom erreichen und dann unterschreiten.

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 Beihilfen im Sinne des EG-Vertrages handelt, wurde vom Europäischen Gerichtshof (EuGH) mit Entscheidung v. 13. März 2001 - C-379/98 bestätigt[22]. Auch der Subventionsbegriff laut § 12 des Stabilitäts- und Wachstumsgesetzes wird vom EEG nicht erfüllt. Jedoch sind die ökonomischen Wirkungen des EEG und von Subventionen vergleichbar.

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 Jahre 2004)
  • Kreditverbilligungen der KfW-Bankengruppe. Günstige Kredite für Investitionen werden z. B. auch mittelständischen Betrieben oder Privathaushalten für Gebäudesanierungen gewährt. Auch Betreiber von Windenergieanlagen 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 gegenzurechnen 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 Neunzigerjahre nicht mehr gewährt. Steuerlich gibt es keine Sonderregelungen für den Betrieb von Windenergieanlagen, die von anderen beweglichen Wirtschaftsgütern abweichen.

Bereitstellungssicherheit

Quelle: VGB Power Tech e. V.: Zahlen und Fakten zur Stromerzeugung 2003 (pdf)

Windenergie ist nur Teil eines Energiemixes und bildet nur eine Säule der erneuerbaren Energien. Als ihr Hauptnachteil gilt die unregelmäßige, mit dem Wind schwankende Leistungsabgabe einer Anlage. Bei sehr starkem Wind kann in einigen wenigen Stunden eine Auslastung der Windanlagen in einem Windpark von bis zu 100 % der Nennleistung erreicht werden, die in ebensolcher Zeit wieder abfällt. Diese Schwankungen nivellieren sich jedoch zunehmend, sobald die Summe der eingespeisten Energie über größere Gebiete gebildet wird, und die ausgleichende Wirkung anderer erneuerbaren Energien mit ihrem gegenläufigen Angebotsverhalten einbezogen wird. Dennoch kann auch in einer ganzen Regelzone über einige Tage hinweg die produzierte Windenergie sehr hoch werden und auch bei fast Null liegen. Mit der Novellierung des Gesetzes für den Vorrang erneuerbarer Energien (EEG) zum 1. Juli 2004 sind jedoch die Regelzonenbetreiber zum sofortigen horizontalen Ausgleich der Windenergieeinspeisung verpflichtet. Wird daher die Summenleistung von rund 18.000 Windenergieanlagen im deutschen Stromnetz betrachtet, so ergibt sich eine sehr langsame Summenganglinie. Die große Mittlung aus vielen Anlagen, räumlicher Verteilung und unterschiedlichem Anlagenverhalten führt bereits in einzelnen Regelzonen dazu (Ausnahme sind extreme Wetterlagen), dass die Schwankung der Windstromeinspeisung mit Mittellastkraftwerken ausgeglichen werden kann. Teure Regelenergie (Primär- und Sekundärregelung) wird in der Regel nicht benötigt. Dies belegen zum Beispiel Untersuchungen für das im Auftrag mehrerer Stadtwerke erstellte „Regelmarkt-Gutachten“ (31. Oktober 2003, BET Aachen). Für einen marktrelevanten Zusammenhang zwischen Windstromeinspeisung und Regelenergiemenge und -preis gibt es keine Belege.

Die durchschnittliche Kurve der Einspeiseleistung von Windenergieanlagen zeigt in Westeuropa im Durchschnitt tagsüber höhere Werte als nachts und im Winter höhere als im Sommer, sie folgt somit über den Tagesverlauf wie auch jahreszeitlich dem jeweils benötigten Strombedarf. Die tatsächliche Schwankung der eingespeisten Energie muss durch ein sinnvolles Kraftwerksmanagement ausgeglichen werden. Meteorologische Prognosesysteme ermöglichen es zunehmend, die von Windparks in das Stromnetz eingespeiste Leistung im Bereich von Stunden bis zu Tagen im Voraus abzuschätzen (Windleistungsvorhersage). Bei einem Vorhersagezeitraum von 48 h bis 72 h beträgt die Genauigkeit 90 %, bei einer 6 h Vorhersage bereits mehr als 95 % und so werden zur Aufrechterhaltung eines störungsfreien Stromangebotes keine zusätzlichen teuren Regelenergie-liefernden Kraftwerke benötigt. Bei einem starken Ausbau der Windenergiegewinnung, wie es in der dena-Netzstudie untersucht wurde, wird der Bedarf an Regel- und Reservekapazität (Mittellastkraftwerke) zwar steigen, kann aber laut Studie ohne Neubau von Kraftwerken, nur über den bestehenden Kraftwerkspark, gedeckt werden. Allerdings führt ein Zubau von Windenergieanlagen auch nicht automatisch zu einem Abbau der dann schlechter ausgelasteten, nach Bedarf steuerbaren, Kraftwerkskapazitäten.

Siehe auch

  • Portal:Energie

Literatur

  • A. Betz: Windenergie und ihre Ausnutzung durch Windmühlen. Ökobuch, Kassel 1982 (unv. Reprint der Ausgabe Vandenhoeck & Ruprecht, Göttingen 1926)
  • Horst Crome: Handbuch Windenergie-Technik. Ökobuch Verlag, ISBN 3-922964-78-8
  • R. Gasch, J. Twele: Windkraftanlagen. Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb. 5. Auflage. Teubner, Wiesbaden 2007, ISBN 3-8351-0136-6
  • S. Geitmann: Erneuerbare Energien und alternative Kraftstoffe. 2. Auflage. Hydrogeit, Kremmen 2005, ISBN 3-937863-05-2
  • Siegfried Heier: Windkraftanlagen: Systemauslegung, Netzintegration und Regelung. 4. Auflage. Teubner, Stuttgart 2005, ISBN 3-519-36171-X
  • Jens-Peter Molly: Windenergie: Theorie, Anwendung, Messung. 2. vollst. überarb. u. erw. Auflage. Verlag C.F. Müller, Karlsruhe 1990, ISBN 3-7880-7269-5

Weblinks

Einzelnachweise

  1. von ExternE –Ein Forschungsprojekt der Europäischen Kommission (engl.)
  2. Wolfram Krewitt, Barbara Schlomann: Externe Kosten der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien im Vergleich zur Stromerzeugung aus fossilen Energieträgern. DLR und Fraunhofer-Gesellschaft, 2006.
  3. Volker Quaschning: Energetische Amortisation und Erntefaktoren regenerativer Energien. TU Berlin, 1999.
  4. pressetext.de: Windenergie: Milliarden-Entlastung für Stromkunden
  5. wind-energie.de: Einfluss der Windenergie auf den Strompreise
  6. tagesspiegel.de: Windkraft macht Strom billiger
  7. iwr.de: Studie: dänische Windenergieanlagen drücken Strompreis
  8. wirtschaftsblatt.at: Strompreisexplosion bläst Windkraft ins betriebswirtschaftliche Plus
  9. World Wind Energy Association Internet: [1] Stand: Ende 2008
  10. Rudolf Rechsteiner: Wind Power in Context – A clean Revolution in the Energy Sector. 2008, Energy Watch Group (PDF-Version)
  11. World Wind Energy Association (Hrsg.): Global installed wind power capacity. Stand: Ende 2008
  12. J. P. Molly: Status der Windenergienutzung in Deutschland - Stand 31. Dezember 2008. DEWI GmbH (PDF)
  13. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (2007): Erneuerbare Energien in Zahlen - nationale und internationale Entwicklung, online (PDF, 2,5 MB)
  14. Windenergienutzung in Deutschland. DEWI Magazin Nr. 28. Februar 2006
  15. NDR:Schleswig-Holstein will Energieverbrauch von 2020 an mit Wind decken
  16. IG Windkraft Österreich
  17. suivi eolien, Stand 31. März 2006
  18. Andreas Karius : Globaler Wettbewerb beflügelt deutsche Windkraft-Branche Erneuerbare Energien. In: Produktion, Wirtschaftszeitung für die deutsche Industrie 36, 2008.
  19. Kommunalversorger bauen eigenes Kohlekraftwerk
  20. Bundesumweltministerium: Grafiken und Tabellen zur Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland, Mai 2006 (pdf-Datei)
  21. EEX Leipzig
  22. [2]


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