Windenergie
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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
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.
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:
Somit ergibt sich die kinetische Energie des Windes zu:
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
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:
- Antrieb von Segelschiffen durch den Wind gehört, neben Zugtieren, zu den ältesten Antriebssystemen von Verkehrsmitteln für Menschen. Im Jahre 2007 soll das erste Containerschiff mit einem Lenkdrachen der Firma Skysails ausgerüstet werden. Das Windsurfen, Kitesailing und Strandsegeln beruhen auf dem gleichen Prinzip. Historisch vor der Entwicklung von Automobilen bewegten sich Menschen mit Windwagen erstmals schneller als mit "Pferdegeschwindigkeit" über dafür geeignete Landflächen.
- Ballons
- Drachen, inklusive verschiedener Sportarten wie Kitesailing, Kite-Surfen, Kitebuggyfahren etc.
- Segelflugzeuge nutzen die Thermik, die nur indirekt mit den Windströmungen zusammenhängt.
Stromerzeugung
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.
International
International gehört Deutschland vor Spanien, den USA und Indien zu den größten Nutzern von Windenergie zur Erzeugung von elektrischem Strom. Österreich lag Ende 2006 auf Platz 14. 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.
2007 wurden 20073 MW neu installiert, davon 5244 MW in den Vereinigten Staaten, 3522 MW in Spanien, 3449 MW in China, 1730 MW in Indien und 1667 MW in Deutschland.[4] Insgesamt sind damit weltweit 94.112 MW installiert. 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.
| Lfd. Nr. | Land | Leistung in MW |
|---|---|---|
| 01 | Deutschland | 22.247 |
| 02 | USA | 16.818 |
| 03 | Spanien | 15.145 |
| 04 | Indien | 8.000 |
| 05 | China | 6.050 |
| 06 | Dänemark | 3.125 |
| 07 | Italien | 2.726 |
| 08 | Frankreich | 2.454 |
| 09 | Großbritannien | 2.389 |
| 10 | Portugal | 2.150 |
| 11 | Kanada | 1.846 |
| 12 | Niederlande | 1.746 |
| 13 | Japan | 1.538 |
| 14 | Österreich | 982 |
| 15 | Griechenland | 871 |
| 16 | Australien | 824 |
| 17 | Irland | 805 |
| 18 | Schweden | 788 |
| 19 | Norwegen | 333 |
| 20 | Neuseeland | 322 |
| Rest | 2.953 | |
| Weltweit | 94.112 |
Deutschland
Installierte Nennleistung:
Weitere Statistiken: Windenergieanlagenhersteller und Windenergieanlage (WEA)
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| Bundesländer alphabetisch | Anzahl WEA1 | Leistung in MW1 | Anteil am Nettostrom- verbrauch in %2 |
|---|---|---|---|
| Baden-Württemberg | 350 | 411 | 0,47 |
| Bayern | 311 | 368 | 0,64 |
| Berlin | 0 | 0 | 0 |
| Brandenburg | 2448 | 3390 | 29,14 |
| Bremen | 52 | 68 | 2,12 |
| Hamburg | 59 | 35 | 0,40 |
| Hessen | 552 | 473 | 1,90 |
| Mecklenburg-Vorpommern | 1226 | 1326 | 34,67 |
| Niedersachsen | 4872 | 5657 | 19,72 |
| Nordrhein-Westfalen | 2535 | 2541 | 3,23 |
| Rheinland-Pfalz | 964 | 1169 | 6,10 |
| Saarland | 60 | 68 | 1,29 |
| Sachsen | 760 | 840 | 7,12 |
| Sachsen-Anhalt | 2009 | 2846 | 38,97 |
| Schleswig-Holstein | 2628 | 2463 | 36,22 |
| Thüringen | 537 | 668 | 10,51 |
| Deutschland gesamt | 19.363 | 22.323 | 7,27 |
Durchschnittliche Leistung / Windrad: 1,15 MW
129. April 2008 [6]
22005
Anteil der Windenergie an der Stromproduktion:
2006 wurden in Deutschland real 30.500 GWh Strom aus Windenergie produziert, was etwa 5,0 % des Nettostromverbrauchs im Jahr 2006 entsprach. Damit ist Windenergie vor der Wasserkraft (2006: 21.636 GWh bei 4.700 MW installierter Leistung) [7] die wichtigste 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. Dabei werden jedoch keine Angaben zur Genauigkeit der Abschätzung gemacht, daher lassen sich diese Zahlen nicht ohne weiteres mit den gemessenen eingespeisten Energiemengen vergleichen [8].
Das Bundesland Schleswig-Holstein plant ab 2020 den gesamten Stromverbrauch seiner Einwohner durch Windenergie zu decken. [9]
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 0,6 %. Die aus Wind gewonnene Energie (2004) von 25.000 GWh entspricht 2,6 Millionen SKE bei einem Primärenergieverbrauch von ungefähr 492,6 Millionen SKE).
Dieser geringe Anteil der Windenergie am Primärenergieverbrauch ergibt sich aus dem Wirkungsgradprinzip bei der Schätzung des Primärenergieverbrauchs. Hierbei wird einem Energieträger, dem kein Heizwert zugeordnet werden kann (u. a. Windenergie, Solarenergie), lediglich der Heizwert der erzeugten elektrischen Energie zugeordnet. Dieses Schätzverfahren hat zur Folge, dass z. B. einer durch Kernenergie produzierten KWh Strom eine 3,2-fach höhere Primärenergie zugeordnet wird als einer durch Windkraft erzeugten KWh Strom.
Schätzt man den Anteil der Windenergie am Primärenergieverbrauch auf der Basis ihrer Bedeutung bei der Stromerzeugung relativ zum Verbrauch fossiler Energieträger, so ergibt sich ein weitaus höherer Anteil der Windenergie am Primärenergieverbrauch in Deutschland von 1,7 %. Dies entspricht einer durch Windenergie eingesparten fossilen Primärenergie von etwa 8,44 Mio. tSKE im Jahre 2004.
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.
| 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
| 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 |
| DOM - TOM | 56,84 |
| Frankreich gesamt | 918,615 |
Politische und wirtschaftliche Aspekte heutiger Nutzung
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 €, 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, [12]) Windstrom in das deutsche Stromnetz eingespeist. Bei konservativer Gegenrechnung mit Grundlaststrom 2005 zu 4,6 Cent/kWh (Quelle: EEX Leipzig), also einer Kostendifferenz von 4,4 Cent zu 9 Cent pro 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 (n.d.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[13]. 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
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. 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
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
- 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
- Bundesverband Windenergie e.V.
- World Wind Energy Association
- MySME.de Information on Wind Farm Development in Germany
- Die Windindustrie in Deutschland
- www.windjournal.de - Artikel und Informationen zu Windenergie / Windkraft und anderen regenerativen Energien
- www.erneuerbare-energien.de - Informations- und Nachrichtenportal des Bundesumweltministeriums der Bundesrepublik Deutschland zu allen Arten erneuerbarer Energie
- www.world-wind.energy.info - Informationen zu Technik und Planung, erstellt von der World Wind Energy Association, deutsch/englisch
- Windpower.org - Portal der dänischen Windindustrie mit umfangreichen deutschsprachigen Informationen. Erläuterung zur Standortdiskussion.
- Fédération pour la promotion de l'énergie éolienne
- Dossier sur les énergies éoliennes
- Umfangreicher Artikel in Geoscience
- Heike Schrader, Viel Wind um Energie (Telepolis, 28.02.2006)
- www.igwindkraft.at - IG Windkraft - Austrian Wind Energy Association
- EEG-Rechner Windenergie
- Offshore-Windenergie
- Akademische Institutionen
- Multimedia
Einzelnachweise
- ↑ von ExternE –Ein Forschungsprojekt der Europäischen Kommission (engl.)
- ↑ Wolfram Krewitt, Barbara Schlomann: Externe Kosten der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien im Vergleich zur Stromerzeugung aus fossilen Energieträgern. DLR und Fraunhofer-Gesellschaft, 2006.
- ↑ Volker Quaschning: Energetische Amortisation und Erntefaktoren regenerativer Energien. TU Berlin, 1999.
- ↑ World Wind Energy Association, Internet: [1] Stand: Ende 2007
- ↑ World Wind Energy Association, Internet: [2] Stand: Ende 2007
- ↑ http://reisi.iset.uni-kassel.de/pls/w3reisiwebdad/www_reisi_page_new.show_page?page_nr=13&lang=ger&owa= ISET
- ↑ Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (2007): Erneuerbare Energien in Zahlen - nationale und internationale Entwicklung, online (PDF, 2,5 MB)
- ↑ Windenergienutzung in Deutschland. DEWI Magazin Nr. 28. Februar 2006
- ↑ NDR:Schleswig-Holstein will Energieverbrauch von 2020 an mit Wind decken
- ↑ IG Windkraft Österreich
- ↑ suivi eolien, Stand 31. März 2006
- ↑ Bundesumweltministerium: Grafiken und Tabellen zur Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland, Mai 2006 (pdf-Datei)
- ↑ [3]
