Windenergie

Bei der Windenergie handelt es sich um die kinetische Energie der bewegten Luftmassen der Atmosphäre. Da sie nach menschlichem Ermessen unerschöpflich ist, zählt sie zu den erneuerbaren Energien. Die Windenergie-Nutzung mittels Windmühlen – heute zur Stromerzeugung mit Windkraftanlagen – ist eine seit dem Altertum bekannte Möglichkeit, um Energie aus der Umwelt für technische Zwecke verfügbar zu machen.

Inhaltsverzeichnis

Entstehung der Windenergie

Verteilung der Windgeschwindigkeiten
Segelschiff

Die Sonnenenergie strahlt ungleichmäßig auf die Erdoberfläche (EO) ein:

  • je nach Winkel, in dem sie auf die EO scheint (die solare Einstrahlung in Äquatornähe größer als an den Polen)
  • je nachdem, ob die Luft klar, diesig oder wolkig ist (oder durch andere Faktoren wie Luftverschmutzung, hochgewirbelten Staub etc. weniger durchsichtig)
  • anders als vielfach angenommen erwärmt sich Luft nicht oder kaum, wenn sie von Sonnenstrahlen durchdrungen wird. Vielmehr erwärmen die Sonnenstrahlen die Gegenstände bzw. Flächen, auf die sie treffen; diese wiederum geben Wärmestrahlung ab und erwärmen dadurch die Luftschicht über ihnen.
  • Wasserflächen erwärmen sich kaum (am ehesten erwärmt mooriges 'schwarzes' Wasser bzw. flache Gewässer)

Aus diesen und anderen Gründen erwärmen die Sonnenstrahlen die Wasser- und Landmassen bzw. die Atmosphäre unterschiedlich. Eine Seite der Erde, die Nachtseite, ist der Sonne abgewandt. Die zwischen den beiden entstehenden Temperatur- und damit auch Druckunterschiede halten - neben anderen Faktoren - die Luftmassen in Bewegung; zum einen zwischen der Äquatorzone und den Polen, zum anderen zwischen der Tag- und der Nachtseite der Erde. 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 bzw. verstärken oder abschwächen. 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 ("Seewind"). Nachts kühlen die Landmassen schneller ab als das Wasser, und der Effekt kehrt sich um. Zusätzlich kann der Wind über dem Wasser nahezu ungebremst wehen, so dass es besonders in Küstengebieten zu regelmäßigen und starken Winden kommt. Auch durch Bergformationen und andere lokale Ausprägungen (beispielsweise Städte) kann es zu Windströmungen kommen. An Verengungen oder anderen die Strömungsintensität veränderndern Gelände- oder Bauformationen kann es mit strömungsverstärkender Wirkung zu Düsen- oder Kap-Effekten kommen.

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. Dies verringert die 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 m bis 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, so ist die Windgeschwindigkeit dort stärker, gleichmäßiger und weniger durch Turbulente Strömungen 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 nimmt die Windgeschwindigkeit so zu, dass es zu Stürmen oder Orkanen kommt, die zu großen Zerstörungen an der Natur und an menschengeschaffenen Bauwerken führen können. 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. Besonders zerstörerisch sind aufgrund der Rotation in ihrem Kern Tornados bzw. Wirbelstürme, je nach Gegend Taifun, Hurrikan oder Zyklon genannt.

Angebot an Windenergie

Windenergie ist kinetische Energie der Luftteilchen, welche sich mit der Geschwindigkeit v bewegen. Eine Querschnittsfläche A senkrecht zur Windrichtung wird dabei in der Zeit t von folgender Masse m durchströmt:

m = \rho\,V = \rho\,A\,v\,t\, .

Die kinetische Energie dieser Masse beträgt

E_{kin} = \frac{m}{2}v^2 = \frac{\rho}{2}\,A\,v^3 t\, ,

nimmt also mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zu, welche daher der wichtigste Faktor bei der technischen Nutzung der Windenergie ist.

Die Häufigkeitsverteilung der erzeugten Windleistung kann mit der Log-Normalverteilung gut angenähert werden. Dieselbe Verteilungsart beschreibt auch die Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit. (Hinweis: Auch die erzeugte Leistung aus der Photovoltaik lässt sich mit der Log-Normalverteilung beschreiben.)

Die starke Wetterabhängigkeit der Windkraft kann aus dem zweiten Diagramm abgeleitet werden.

Der 'Potenzialatlas Deutschland' (erstellt von der Agentur für Erneuerbare Energien) ermittelte, dass Windräder auf 0,75 % der Landfläche 20 % des deutschen Strombedarfs 2020 decken könnten.[1]

Nutzung der Windenergie

Anwendungen

Kite-Surfen

Hauptartikel zur Geschichte: Geschichte der Windenergienutzung

Die Windenergie wird seit Jahrtausenden vom Menschen für seine Zwecke genutzt. Es kam zum einen zur Nutzung des Windes zur Fortbewegung mit Segelschiffen (siehe auch: Segeln) 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. Seit den Ölkrisen in den 1970er Jahren wird weltweit verstärkt nach Alternativen zur Energieerzeugung geforscht und damit wurde auch die Entwicklung moderner Windkraftanlagen vorangetrieben.

Stromerzeugung

Allgemeines

Windenergieanlage am linken Niederrhein
Kleiner Windpark in der Schweiz
Hauptartikel: Windkraftanlage und Windpark

Windenergieanlagen können in allen Klimazonen, auf See und in allen Landformen (Küste, Binnenland, Gebirge) zur Stromerzeugung eingesetzt werden. 2009 kommt eine Studie der renommierten Harvard-Universität zu dem Schluss, dass die global erzielbare Windenergie bei weitem ausreicht, um den gesamten Weltenergiebedarf zu decken. So kann nach sehr konservativen Berechnungen bis zum 40-fachen des weltweiten gegenwärtigen Bedarfs an elektrischer Energie und bis zum 5-fachen des globalen Gesamtenergiebedarfs durch Windenergie gedeckt werden.[2] Eine aktuelle Studie des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie kommt zu dem Ergebnis, dass zwischen 17 TW und 38 TW mechanische Energie dem Wind entnommen werden können, ohne dass es zu einer signifikanten Klimabeeinflussung kommt. Die angegebenen Werte entsprechen zwar mindestens dem 85-fachen der derzeit installierten Kapazität von Windparks, liegen jedoch in der Größenordnung des Weltenergiebedarfs. Die Autoren weisen daher auf die fundamentalen Grenzen der Entnahme von Windenergie und auf mögliche Einflüsse auf das globale Klima hin.[3]

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 moderaten Ausbau der Netzinfrastruktur aus. Weitere Möglichkeiten, zukünftig die Windstrompenetration über einen solchen Wert hinaus zu erhöhen, wären:

In zahlreichen, zumeist dieselgestützten 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, die in der Frühphase der Windenergienutzung zum Einsatz kam, haben zum Teil 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 beispielsweise durch Schadstoffausstoß) einbezogen werden, neben der Wasserkraft eine der billigsten Energiequellen.[5] Da die Messung externer Kosten und Nutzen jedoch nicht eindeutig möglich ist, kommen andere Studien zu anderen Ergebnissen.[6] Moderne Windenergieanlagen besitzen eine kurze energetische Amortisationszeit von nur wenigen Monaten.[7]

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

Strompreis

Die Windenergie trägt als erneuerbare Energie zum Merit-Order-Effekt bei und senkt zumindest kurzfristig durch die Verdrängung konventioneller Kraftwerke die Strompreise. Der Merit-Order-Effekt berücksichtigt allerdings nicht die langfristigen Veränderungen in der Zusammensetzung der Kraftwerke, so dass nachhaltige Auswirkungen in Bezug auf den Strompreis durch den besagten Effekt nicht zweifelsfrei geklärt werden können.

Wird an windstarken Tagen viel aus Windenenergie erzeugter Strom eingespeist, sinkt der Großhandelspreis an der Strombörse. Ist wenig Windenergie vorhanden, steigt der Preis an der Strombörse. Die Strompreissenkung 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.[8][9][10][11] Ein weiterer Grund liegt in der Strompreisexplosion. Im 2. Quartal 2008 kostet Strom an der Leipziger Strombörse im Mittel 8,495 ct/kWh. Der Einspeisetarif für Windkraft in Österreich liegt bei 7,8 ct/kWh.[12] 2011 betrug die Anfangsvergütung für Windenergie in Deutschland (nach Erneuerbare-Energien-Gesetz#Zahlen zum EEG ) 9,2 ct/kWh.

Stromerzeugung nach Ländern

Installierte Leistung Windenergie weltweit nach Staat (2010)[13]
Platz Staat Leistung in MW
0 EU[14] 84.278
01 China 44.733
02 USA 40.180
03 Deutschland 27.214
04 Spanien 20.676
05 Indien 13.065
06 Italien 5.797
07 Frankreich 5.660
08 Großbritannien 5.204
09 Kanada 4.008
10 Dänemark 3.734
11 Portugal 3.702
12 Japan 2.304
13 Niederlande 2.237
14 Schweden 2.052
15 Australien 1.880
16 Irland 1.428
17 Türkei 1.274
18 Griechenland 1.208
19 Polen 1.107
20 Österreich 1.011
Weltweit 196.630

International gehören die Volksrepublik China, vor den USA, Deutschland und Spanien zu den größten Erzeugern von Windstrom. Österreich lag Ende 2010 auf Platz 20, die Schweiz mit 42 MW installierter Leistung auf Platz 46. Die Staaten mit den höchsten Anteilen der Windenergie am nationalen Stromverbrauch (bezogen auf ein durchschnittliches Windjahr) sind Dänemark mit 24 %, Portugal mit 14,8 %, Spanien mit 14,4 %, Irland mit 10,1 % und Deutschland mit 9,4 %[14] Die Ende 2010 weltweit installierte Leistung von 197 GW hat ein Stromerzeugungspotenzial von 430 TWh/a, was 2,5 % des Weltstromverbrauchs und 25 % der installierten Leistung entspricht.[13]

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 Staaten geführt.

2010 wurden weltweit 37.642 MW neu installiert, davon 18.928 MW in der Volksrepublik China, 5600 MW in den Vereinigten Staaten, 1527 in Spanien, 1551 MW in Deutschland und 1259 MW in Indien.[13]

Installierte Leistung Windenergie weltweit in 1000 MW[13]'
Deutschland
Entwicklung der Windenergie in Deutschland seit 1990 (blau: erzeugter Strom, rot: installierte Leistung
Windenergieleistung in EU/DE/ES (1990-2009) sowie Zubau 2009 in einzelnen Ländern (Quelle: BMU Erneuerbare Energie in Zahlen, Jun 2010)
Statistik Windenergie Deutschland, Europäische Union und weltweit (2000-2008) (Quelle: Global Wind Energy Council)
Windkraftanlagen in Deutschland (2007)

Beim weltweiten Ausbau der Windenergie nimmt die deutsche Windindustrie eine Spitzenstellung ein.[15] Deutschland ist einer der Hauptexportere von Windkraftanlagen. Im Jahr 2010 betrug der Exportanteil der Branche 66%.[16] Mit Enercon, Siemens, REpower, Nordex, der Bard Holding und Fuhrländer haben mehrere Windenergieanlagenhersteller ihren Sitz in Deutschland, weitere in der Windbranche tätige Unternehmen wie Vestas und General Electric betreiben Werke in Deutschland. Daneben existieren noch mehrere kleinere Hersteller von Windkraftanlagen sowie auf Windenergie spezialisierte Projektionierer und Betreiber.

Da das jährliche Windaufkommen schwankt, wird von der Windindustrie ein sogenannter potenzieller Jahresenergieertrag aus Windenergieanlagen angegeben. Diese Zahl lässt sich nicht ohne weiteres mit der gemessenen eingespeisten Energiemenge vergleichen. Auf dieser Basis werden vom Deutschen Windenergie-Institut DEWI auf ein durchschnittliches Windjahr bezogene Windenergieanteile nach Bundesländern berechnet:

Installierte Leistung und Anteil des potenziellen Jahresenergieeintrags aus Windenergieanlagen am Nettostromverbrauch in Deutschland nach Bundesländern (Stand: Ende 2010) [17]
Bundesland Anzahl WEA Leistung in MW Anteil am
Nettostromverbrauch
in %
Baden-Württemberg 368 467 0,9
Bayern 412 521 1,0
Berlin 1 2 0,0
Brandenburg 2952 4401 42,8
Bremen 67 121 4,1
Hamburg 61 51 0,6
Hessen 613 588 2,5
Mecklenburg-Vorpommern 1356 1549 45,4
Niedersachsen 5365 6664 25,1
Nordrhein-Westfalen 2820 2928 4,0
Rheinland-Pfalz 1086 1421 8,6
Saarland 80 111 2,4
Sachsen 821 943 8,5
Sachsen-Anhalt 2304 3509 52,1
Schleswig-Holstein 2675 3015 44,1
Thüringen 581 754 12,3
Nordsee 24 120 -
Ostsee 21 48 -
Deutschland gesamt 21.607 27.214 9,4

Durchschnittliche installierte Leistung pro Windrad: 1,26 MW

Das Bundesland Schleswig-Holstein plant ab 2020 den gesamten Stromverbrauch seiner Einwohner durch Windenergie zu decken.[18]

Anteil der Windenergie an der Stromerzeugung
Einige statistische Angaben zur Windenergie in Deutschland für die Jahre 2001 bis 2010
  2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010[19]
Stromverbrauch gesamt (TWh) 580,5 581,7 588,0 600,6a) 610,0 615,8e) 616,2e) 617,5e) 582,5[20] 607,8
Windstromerzeugung (TWh)e) 10,5 15,8 18,9 25,5 27,2 30,5 39,5 40,4 38,6[21] 37,8
Anteil an der Gesamtstromerzeugung (%) 1,8 2,8 3,2 4,2a) 4,3 5,0e) 6,4e) 7,0e) 6,6 6,2
installierte Anlagenleistung am Jahresende (GW) 8,7 11,8 14,6d) 16,6d) 18,4 d) 20,6d) 22,2d) 23,9d) 25,77d) 27,2
Anlagenzahl am Jahresended) 11.438 13.759 15.387d) 16.543d) 17.574d) 18.685d) 19.460d) 20.301d) 21.164d) 21.585
durchschnittliche Nennleistung pro Anlage (kW) 763 864 949d) 1.005d) 1.049 d) 1.103d) 1.143d) 1.177d) 1.218d) 1.259
durchschnittliche Auslastung (Prozent der Nennleistung) 14,0 16,0 14,5 17,1 16,6 17,3 20,27 20,54 17,1
IWES Windindex (Windangebot in Prozent des langjährigen Mittelsf) 94 98 86 98 89 90 106 99 86[22] 74
Quellen: VDN/VdEW, DEWI, a):Schätzung AGEE-Stat, b):VDEW d):DEWI e):BMU, Seite 8 f) IWES Fraunhofer

Die in der Tabelle aufgeführte Auslastung ist geringer als in der Realität. Sie berücksichtigt nicht, dass die in einem Jahr neu installierten Windkraftanlagen nicht ein volles Jahr zum gesamten Jahresgesamtenergieertrag beitragen konnten. Rund zwei Drittel der neuen Anlagen werden in der Regel während der zweiten Jahreshälfte installiert. Damit geht die Nennleistung der Neuanlagen in die Jahresstatistik ein, ohne dass diese ein volles Jahr Energie erzeugen konnten.

Der Windindex im Jahr 2010 betrug in Deutschland lediglich 74 % des langjährigen klimatologischen Mittelwertes. Deshalb wurden real 37,8 TWh Strom aus Windenergie produziert, was etwa 6,2 % des Bruttostromverbrauchs im Jahr 2010 entsprach, statt der 50,5 TWh, die für ein normales Windjahr zu erwarten gewesen wären[23]. Damit ist Windenergie vor der Biomasse (2009: 5,2%, 26,0 TWh bei 4.520 MW installierter Leistung)[24] die bedeutendste erneuerbare Energiequelle in der Stromerzeugung.

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. Im Jahr 2010 betrug der Anteil aufgrund der schlechten Windbedingungen (s.o.) 0,9% nach der Wirkungsgradmethode. Es wurden 131 PJ aus Windenergie bereitgestellt.[25] Für weitere Daten siehe auch Erneuerbare Energien.

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 zum Beispiel der durch Kernenergie produzierten Strommenge eine 3,2-fach höhere Menge Primärenergie gegenüber steht, die in Form von Wärme nicht genutzt wird. Bei Kohlekraftwerken (Wirkungsgrad ohne Kraft-Wärme-Kopplung: ca. 30% bis maximal 46%) steht der erzeugten elektrischen Energie etwa die doppelte bis dreifache Primärenergiemenge gegenüber.

Österreich
Installierte Leistung in Österreich nach Bundesländern (Stand: Ende 2010)[26]
Bundesland Anzahl WEA Leistung
Burgenland 206 369,2 MW
Kärnten 1 0,5 MW
Niederösterreich 353 557,3 MW
Oberösterreich 23 26,4 MW
Salzburg - -
Steiermark 33 49,8 MW
Tirol - -
Vorarlberg - 0 MW
Wien 9 7,4 MW
Österreich gesamt 625 1010,6 MW

In Österreich waren Ende 2010 625 Windenergieanlagen mit einer Leistung von 1010,6 MW am Netz. Ihr Regelarbeitsvermögen beträgt etwa 2,1 TWh/a, dies entspricht etwa 4 % der Stromerzeugung in Österreich oder dem Verbrauch von 550.000 Durchschnittshaushalten.

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

Vereinigte Staaten

2007 hat die Windkraftindustrie in den Vereinigten Staaten mehr als 5200 MW installiert. Dies ist ein Wachstum von 45 % gegenüber dem Vorjahr. Ende 2010 waren in den USA 40,2 GW installiert, wobei die jährliche Zubaurate 2010 angesichts der Finanzkrise jedoch von 9,9 GW 2009 auf 5,6 GW nachließ. Für 2011 werden wieder rund 10 GW Zubau prognostiziert.[27] Damit waren die USA nach China mit einer installierten Leistung von 44,7 GW der zweitgrößte Markt für Windkraftanlagen.

Volksrepublik China

Seit Mitte des vergangenen Jahrzehnts wird die Windenergienutzung in der China massiv ausgebaut. Waren Ende 2006 erst 2,6 GW installiert, so verdoppelte sich die Kapazität bis 2009 jährlich, sodass Ende des Jahres 25,8 GW installiert waren. 2010 wurden 18,9 GW zugebaut, womit in diesem Jahr rund die Hälfte der weltweit zugebauten Leistung auf China entfiel.[28] Im ersten Halbjahr 2011 wurden ca. 8 GW installiert, womit die kumulierte Leistung der chinesischen Windkraftanlagen Ende Juni rund 52 GW betrug. Dies entspricht knapp einem Viertel der weltweit installierten Leistung von 215 GW.[29] Weiteres Wachstum wird erwartet. So ist ein Ausbau auf 200 GW bis zum Jahr 2020 vorgesehen.[30]

Schweiz
installierte Windenergieleistung der Schweiz

1996 entstand mit dem Windkraftwerk Mont Crosin im Jura der erste leistungsstarke Windpark in der Schweiz. Europas höchstgelegener Windpark (Gütsch bei Andermatt) steht auf 2332 m.ü.M. und hat seit 2010 drei Anlagen mit total 2.4 MW Leistung. Europas höchst gelegene Windenergieanlage steht auf 2465 m.ü.M. beim Gries-Stausee im Kanton Wallis. Es ist eine Enercon E-70 mit 2.3 MW Leistung.

2010 wurden in der Schweiz 36.6 GWh Windstrom erzeugt.[31] Mit Einführung der kostendeckenden Einspeisevergütung (KEV) 2009 sind einige Erweiterungen und neue Windparks geplant und entstanden.

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 fossilen Energieträgern wie 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 den 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 Euro (der 2008 begonnene Bau des 750-Megawatt-Kohlekraftwerks Trianel kostet 1,4 Milliarden Euro und damit 1867 Euro pro Kilowatt[32]), 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, werden diese in vielen Staaten unabhängig von politischer Ausrichtung gefördert, beispielsweise durch Steuergutschriften (PTC in den USA), Quoten- oder Ausschreibungsmodelle (beispielsweise Großbritannien, Italien) oder Mindestpreissysteme (zum Beispiel 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,[33]) Windstrom in das deutsche Stromnetz eingespeist. Bei konservativer Gegenrechnung mit Grundlaststrom 2005 zu 4,6 ct/kWh[34], 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[35]. 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 zum Beispiel 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

Windenergie ist nur Teil eines Energiemix 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. Auch die Umwandlung in Windgas ist denkbar, um so Windenergie über Monate zu speichern. 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-Stunden-Vorhersage bereits mehr als 95 % und so werden zur Aufrechterhaltung eines störungsfreien Stromangebotes keine zusätzlichen teuren regelenergieliefernden 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.

Arbeitsmarkt-Effekte

Weltweit waren im Jahr 2010 ca. 670.000 Menschen in der Windenergie-Branche beschäftigt, knapp dreimal so viele wie noch 2005 (ca. 235.000).[13] In Deutschland bot die Branche 2009 95.600 Menschen Arbeit (nur Windenergie an Land). Die Arbeitsplätze entfallen dabei sowohl auf die Produktion als auch auf den Betrieb der Anlagen. Nicht nur die Produktionsstandorte profitieren, sondern auch die Städte und Gemeinden, in denen Dienstleister und Zulieferbetriebe angesiedelt sind. Eine Studie der Gesellschaft für Wirtschaftliche Strukturforschung (GWS) zeigt, dass alle Bundesländer - nicht nur der windreiche Norden - von den Beschäftigungseffekten profitieren. Im Jahr 2030 werden demnach über 165.000 Menschen in der Onshore-Windenergie arbeiten.[36]

Gesellschaftliche Akzeptanz

(siehe auch: Erneuerbare Energien sowie Windkraftanlage)

Grundsätzlich befürwortet ein großer Teil der Bevölkerung die Windenergienutzung, wie eine Reihe repräsentativer Umfragen ergeben hat.[37][38][39] Dies ist auch dann der Fall, wenn konkrete Anlagen in der Nähe der befragten Personen aufgestellt werden sollen. Insbesondere liegt die Zustimmung zur Windenergienutzung in Regionen, wo bereits Windkraftanlagen vorhanden sind, höher, als dort, wo die Bevölkerung noch nicht mit der Windenergienutzung vertraut ist.[40][41] Trotz der allgemein breiten Zustimmung ist die Windenergienutzung jedoch nicht unumstritten, weshalb es immer wieder u.a. zur Gründung von Bürgerinitiativen gegen geplante Projekte kommt.

Siehe auch

Literatur

  • Albert 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.
  • D. Pohl, S. Reccia, D. v.d. Osten: CleanTech Studienreihe – Band 2: Windenergie. 1.Auflage. Deutsches CleanTech Institut, Bonn 2009.

Weblinks

Einzelnachweise

  1. dort Download des PDFs (34 Seiten)
  2. Lu, X. et al.: Global potential for wind-generated electricity. In: PNAS. 106, Nr. 27, 2009, S. 10933-10938. PMID 19549865.
  3. Miller, L. M. et al.: Estimating maximum global land surface wind power extractability and associated climatic consequences. In: Earth System Dynamics. 2, Nr. 1, 2011, S. 1-12. doi:10.5194/esd-2-1-2011.
  4. Im März 2011 ging in der Morbacher Energielandschaft die erste Windgas-Anlage in Deutschland in Betrieb. (siehe: juwi und SolarFuel testen Verfahren zur Speicherung von Windstrom als Erdgas)
  5. von ExternE –Ein Forschungsprojekt der Europäischen Kommission (engl.)
  6. Wolfram Krewitt, Barbara Schlomann: Externe Kosten der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien im Vergleich zur Stromerzeugung aus fossilen Energieträgern. DLR und Fraunhofer-Gesellschaft, 2006.
  7. Volker Quaschning: Energetische Amortisation und Erntefaktoren regenerativer Energien. TU Berlin, 1999.
  8. pressetext.de: Windenergie: Milliarden-Entlastung für Stromkunden
  9. wind-energie.de: Einfluss der Windenergie auf den Strompreise
  10. tagesspiegel.de: Windkraft macht Strom billiger
  11. iwr.de: Studie: dänische Windenergieanlagen drücken Strompreis
  12. wirtschaftsblatt.at: Strompreisexplosion bläst Windkraft ins betriebswirtschaftliche Plus
  13. a b c d e World Wind Energy Association (Hrsg.): „World Wind Energy Report 2010“ Zugriff am 25. April 2011
  14. a b European Wind Energy Association (Hrsg.): „Wind in power - 2010 European Statistics“, February 2011. Zugriff am 25. April 2011
  15. Weltmarkt: Deutsche Unternehmen liegen vorn, Bundesverband Windenergie e. V., Stand: 2008. Abgerufen am 21. Oktober 2010.
  16. Deutsche Windindustrie – Märkte erholen sich. DEWI. Abgerufen am 10. Oktober 2011.
  17. J. P. Molly: Status der Windenergienutzung in Deutschland (Stand 31. Dezember 2010). DEWI GmbH (PDF)
  18. depublizierter Link: NDR: Schleswig-Holstein will Energieverbrauch von 2020 an mit Wind decken
  19. Entwicklung der Erneuerbaren Energien in Deutschland 2010. Grafiken und Tabellen. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU); Stand: Juli 2011.
  20. http://www.ag-energiebilanzen.de/componenten/download.php?filedata=1268131438.pdf&filename=AGEB_Jahresbericht2009_20100309.pdf&mimetype=application/pdf AG Energiebilanzen
  21. http://www.bdew.de/bdew.nsf/id/DE_EEG-Jahresabrechnungen/$file/2010-07-26_EEG-Jahresabrechnung-2009_Internet.pdf BDEW
  22. Bundesverband Windenergie e.V. - STATISTIK CENTER. Zugriff am 27. Juli 2011
  23. Bundesverband Windenergie e.V. - STATISTIK CENTER. Zugriff am 27. Juli 2011
  24. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (2010): Erneuerbare Energien in Zahlen – nationale und internationale Entwicklung online (PDF; 4,1 MB)
  25. BMWi-Energiestatistiken Abgerufen am 10. Oktober 2011.
  26. IG Windkraft Österreich (PDF; 2,7 MB)
  27. World Wind Energy Report 2010 Abgerufen am 17. September 2011
  28. World Wind Energy Report 2010 Abgerufen am 17. September 2011
  29. Weltweit 18,4 GW Windenergie-Ausbau im ersten Halbjahr. In: Windkraft Journal, 30. August 2011. Abgerufen am 17. September 2011.
  30. China stabilisiert globalen Windmarkt. In: IWR.de, 4. Februar 2011. Abgerufen am 17. September 2011.
  31. Bundesamt für Energie: Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2010 Tabelle 31.
  32. Kommunalversorger bauen eigenes Kohlekraftwerk
  33. Bundesumweltministerium: Grafiken und Tabellen zur Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland, Mai 2006 (PDF-Datei)
  34. EEX Leipzig
  35. EuGH-Entscheidung vom 13. März 2001
  36. Windenergie bringt Beschäftigung - Studiendarstellung bei der Agentur für Erneuerbare Energie
  37. emnid-Umfrage: Deutsche pro Erneuerbare Energien, Energienachricht des Verbraucherportals StromAuskunft.de Abgerufen am 17. September 2011.
  38. Forsa-Umfrage: Große Zustimmung in allen Bundesländern zu erneuerbaren Energien, Pressemitteilung der Agentur für erneuerbare Energie Abgerufen am 17. September 2011.
  39. Ländertrend Brandenburg August 2011. infratest dimap. Abgerufen am 17. September 2011.
  40. Akzeptanz der Erneuerbaren Energien in der deutschen Bevölkerung Abgerufen am 17. September 2011.
  41. Bundesbürger halten Höhe der EEG-Umlage für angemessen in: EUWID Neue Energien. Abgerufen am 17. September 2011.
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