Kurs: Grundlagen und Perspektiven der Energiewende | OnCourse UB

  • Lektion 3

    • Potentiale der Windkraft und derzeitige Bedeutung

      Ein entscheidender Grundbegriff für die Nutzbarkeit der Windkraft ist die Windgeschwindigkeit. Sie wird in den USA als Wind Power Density Class in sieben Stufen angegeben (Diese Einteilung unterscheidet sich von der Beaufort-Skala, die sie aus dem Wetterbericht kennen). Bei derselben Windstärke ist die Windgeschwindigkeit unterschiedlich in verschiedenen Höhen. Die Windgeschwindigkeit steht in direktem Verhältnis zu der im Wind enthaltenen Energie.

      (Grafik: Ibrahim, Mohd Zamri & Yong, Kim Hwang & Ismail, Marzuki & Albani, Aliashim. (2015). Spatial Analysis of Wind Potential for Malaysia. INTERNATIONAL JOURNAL OF RENEWABLE ENERGY RESEARCH. 5. 201-209)

      Wind ist nicht überall gleich verteilt. Die Regionen unterscheiden sich teils drastisch in ihren mittleren Windgeschwindigkeiten.


      (Grafik: Bhutta, Muhammad & Hayat, Nasir & Farooq, Ahmed Uzair & Ali, Zain & Jamil, Sh & Hussain, Zahid. (2012). Vertical axis wind turbine - A review of various configurations and design techniques. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 16. 10.1016/j.rser.2011.12.004)

      „Der globale Mittelwert der Windgeschwindigkeit in 80 m Höhe wird mit 4‚6 m/s angegeben. Aus diesem Wert wird das weltweite Windenergiepotential abgeleitet, wobei nur die Windgeschwindigkeitsklassen 3 und höher berücksichtigt werden. Der berechnete Wert beträgt 72 Terrawatt (TW). Wenn davon nur 20 % genutzt werden könnten, würde der Weltenergiebedarf gedeckt werden. Im Hinblick auf die Erzeugung von elektrischer Energie bedeutet das den siebenfachen Wert.“ Zitat nach (Hau, 2016)

    • Bedingungen in Europa und Deutschland

      Europa hat gerade in den Regionen um Nordsee und Atlantik sehr günstige Windbedingungen. Die Bedingungen in Deutschland sind dementsprechend im Norden Niedersachsens und in Schleswig-Holstein besonders günstig. Prinzipiell sind aber in weiten Teilen Deutschlands die Windbedingungen für die Gewinnung von Windenergie geeignet. Allerdings hängen die Windgeschwindigkeiten auch von topographischen Gegebenheiten ab. Auf dem offenen Meer, an der Küste und auf landschaftlichen Erhöhungen sind die Windstärken logischerweise größer als in Tälern, Städten oder Wäldern. Die durchschnittlichen Windstärken je nach Gebiet in Teilen Europas sind in der folgenden Abbildung dargestellt:

      (Grafik: © Björn Witha, Frauenhofer IWES (2019): Neuer Windatlas für Europa fertiggestellt)

      Die Wirtschaftlichkeit einer Windkraftanlage ist von vielen Faktoren abhängig, u.a. von den Kosten für die Herstellung und Installation, der geernteten Windmenge und dem Preis der für den Strom erzielt werden kann. Derzeit werden WEA an Standorten gebaut, wo durchschnittlich mehr als 6,5 m/s Wind in 150 m Höhe vorhanden sind (vgl. Pape et al. (2022)). Abgesehen von der Notwendigkeit, dass ein Standort genug Wind haben muss, gibt es auch zahlreiche weitere Faktoren, die beeinflussen, ob ein Windkraftwerk gebaut werden kann oder nicht. Hier kann allgemein zwischen abiotischen, biotischen und anthropogenen Schutzgütern unterschieden werden.


      Eine Studie von 2022 kommt zu dem Ergebnis, dass 5,6% der Fläche Deutschlands unter Berücksichtigung verschiedener Ausschlusskriterien prinzipiell für die Gewinnung von Windenergie in Frage kommt. Hierbei muss angemerkt werden, dass bei detaillierteren Untersuchungen diese Fläche noch kleiner werden könnte (vgl. Pape et al. (2022)). Die entsprechende Studie benennt den potentiellen jährlichen Energieertrag mit 970 bis 1700 TWh (Zum Vergleich lag der Gesamtstromverbrauch in Deutschlandlaut Statista in 2023 bei 467 MWh und der Gesamtenergieverbrauch bei 3327 TWh). Theoretisch ließe sich also ein großer Teil des Energiebedarfs aus Windkraft decken.
    • Beschränkungen von Windenergieanlagen
      Ein Problem der Windkraft ist, dass sie relativ inkonsistent ist. Innerhalb weniger Stunden kann durch das Nachlassen des Windes die Leistung eines Windparks einbrechen.

      Zur Veranschaulichung

      Deutschland ist in vier sogenannte Regelzonen eingeteilt, innerhalb derer bestimmte Betreiber für die Stabilität des bereitgestellten Stroms verantwortlich sind und die Strombereitstellung koordinieren. Die Regelzonen sind zum einen untereinander und zum anderen mit dem europäischen Ausland verbunden. Innerhalb der Regelzonen gibt es Schwankungen der bereitgestellten Windenergie, auf die reagiert werden muss. Auch wenn Schwankungen in der Windstärke kurzfristig durch technische Modifikationen, wie die Veränderung der Stellung der Rotoren, ausgeglichen werden können oder das Zu- und Abschalten von WEA möglich ist: In der Summe stehen Phasen mit sehr hohen produzierten Strommengen, solchen mit geringen Strommengen gegenüber. (Quelle: Hau (2016))

      Für das Jahr 2022 sahen die Schwankungen der On-Shore, Off-Shore und Gesamtenergie durch Windkraft in Deutschland folgendermaßen aus:


      (Grafik: Schüle (2023): Stromproduktion und Stromverbrauch im Jahre 2022 in der Bundesrepublik Deutschland, URL: https://nablaenergy.de/images/Downloads/20230110_Auswertung_Wind_SonnenDaten2022_V5.pdf)

      Die starken Schwankungen der bereitgestellten Windenergie sind eine enorme Herausforderung für die Stromversorgung, da diese und der Strombedarf im Tagesverlauf kontinuierlich gewährleistet sein muss. Hierfür ist die Ergänzung mit anderen Technologien zur Strombereitstellung oder Energiespeicherung notwendig, die wir in späteren Kapiteln diskutieren werden.

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