Windenergie

Windsack

Bei der Windenergie handelt es sich um die kinetische Energie der bewegten Luftmassen der Atmosphäre. Da sie kurzfristig durch die Einwirkung der Sonne nachgeliefert wird, 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.

Entstehung der Windenergie

Verteilung der Windgeschwindigkeiten

Segelschiff

Winde entstehen sowohl durch thermische Effekte mit der unterschiedlichen Sonneneinstrahlung als auch durch die Erdrotation. Lokale Einflüsse können lokal Winde entstehen lassen bzw. durch dort vorhandene Landschaftselemente in Abhängigkeit von der Höhe über dem Boden verstärken oder abschwächen: Wasser, Wiese, Wald oder Bebauung werden als verschiedene Rauigkeiten abgebildet, die die Reibung der Luft an der Erdoberfläche beschreibt. Auch an Bergformationen und andere lokale Ausprägungen (beispielsweise Städte) kann es zu Windströmungen kommen. An Verengungen oder anderen Hindernissen kann es zu Düsen- oder Kapeffekten kommen.

Anteil Sonne

Wasserflächen erwärmen sich nur sehr langsam mit Ausnahme von moorigem, 'schwarzen' Wasser oder flachen Gewässern. Aufgrund der verschiedenen Wärmekapazitäten von Wasser und Land erwärmt sich das Land tagsüber schneller als das Wasser, und es weht tageszeitlich ein durch die entstehenden Druckunterschiede unterschiedlich wehender Wind zwischen Wasser und Land ("Seewind"). Zusätzlich kann der Wind über dem Wasser nahezu ungebremst wehen, so dass es besonders in Küstengebieten zu regelmäßigen und starken Winden kommt.

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. Die Sonnenenergie strahlt zudem ungleichmäßig auf die Erdoberfläche (EO) ein, es ändert sich dabei:

• der Winkel, in welchem sie auf die Oberfläche scheint - bezüglich Lage (die solare Einstrahlung in Äquatornähe größer als an den Polen) als auch Topografie (Bergwind-System).
• die Klarheit der Luft (Wolkenanteil, Luftverschmutzung, hochgewirbelten Staub etc.)

Somit erwärmen die Sonnenstrahlen die Wasser- und Landmassen bzw. die Atmosphäre unterschiedlich. Eine Seite der Erde, die Nachtseite, ist der Sonne abgewandt. Die entstehenden Temperatur- und damit auch Druckunterschiede halten die Luftmassen in Bewegung.

Anteil Rotation

Durch die aus der Rotation der Erde resultierende Corioliskraft strömen Luftmassen zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten nicht auf dem kürzesten Weg sondern bilden auf der Nord- und Südhalbkugel Wirbel mit jeweils anderer Drehrichtung.

Die Schiefstellung der Rotationsachse der Erde zur Ebene, die die Erdbahn durch das Umkreisen der Sonne bildet, (ekliptikale Ebene) führt zu jahreszeitlichen Luftströmungen.

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.

Höhenwinde sind dabei vorläufig zur Nutzung der Windenergie nicht von Interesse. Von besonderer Wichtigkeit zur Nutzung der Windenergie ist die Höhe, in welcher der Übergang von der Prandtl-Schicht (bis 20 m bis 60 m) zur Ekman-Schicht verläuft. In der Ekmanschicht verschwindet der Einfluss der Rauigkeit praktisch vollständig, sodass die Windgeschwindigkeit dort stärker, gleichmäßiger und weniger durch Turbulente Strömungen geprägt ist. Aus diesem Grund sind im topographisch rauen Binnenland Windenergieanlagen mit großen Höhen wirtschaftlicher zu betreiben als solche mit geringer Turmhöhe.

Auswirkungen des Windes auf die Umwelt

Erreicht die Windgeschwindigkeit Sturm- oder Orkanstärke, führt dies zu Zerstörungen an Natur und Bauwerken, 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 und Wirbelstürme.

In elektrische Leistung umgesetzter Wind

Häufigkeitsdichte der erzeugten Leistung aus der Windkraft

Jahres- und Tagesgang der erzeugten Leistung aus der Windkraft

Die in elektrischen Leistung P umsetzbare Leistung aus dem Windangebot lässt sich aus dem kinetischen Leistungsangebot des Massenstroms $\dot m$ der Luft errechnen, multipliziert mit dem Wirkungsgrad nach Betz $\eta_{Betz}$, aus den Strömungsverlusten $\eta_{Reibung}$ (Reibungsanteil in den Navier-Stockes-Gleichungen) sowie dem mechanischen (Reibungsverluste im Getriebe und den Lagern des Konverters) und elektrischen Wirkungsgrad des Systems $\eta_{mech.} \cdot \eta_{elekt.}$  :

$P = \eta_{Betz} \cdot \eta_{Reibung} \cdot \eta_{mech.} \cdot \eta_{elekt.} \cdot \frac{1}{2} \cdot \dot m \cdot v^2 = \eta_{Betz} \cdot \eta_{Reibung} \cdot \eta_{mech.} \cdot \eta_{elekt.} \cdot \frac{1}{2}\cdot \rho \cdot A \cdot v^3$

Die Formelzeichen bedeuten:

$\eta_{xxx}$: Wirkungsgrade, Beschreibung siehe oben

A: Querschnittfläche des Rotors

$\rho$: Dichte der Luft in kg/m³

$\dot m$: Massenstrom der Luft in kg/s

v: mittlere Geschwindigkeit der Luft in m/s

P: Leistung des Konverters in Watt

Die erzielbare Leistung nimmt also mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zu. Die Windgeschwindigkeit ist daher wichtig für ihre Nutzung sowie ein Schlüsselfaktor für die Wirtschaftlichkeit.

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 aus Windkraft erzeugten elektrischen Energie kann aus dem zweiten Diagramm abgeleitet werden. Wegen der hohen Variabilität ist eine möglichst genaue Prognose der erwarteten Einspeisung aus Windkraftquellen für eine großmaßstäbliche Nutzung der Windenergie unerlässlich (siehe auch Artikel Windleistungsvorhersage).

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.

Nutzung der Windenergie

Anwendungen

Windmühle

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

Windenergieanlagen in Dänemark

Moderne Windkraftanlage in Bayern

→ Hauptartikel: Windkraftanlage und Windpark

Der Wind weht 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.

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. 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.

Aufgrund der Unstetigkeit des Windes kann die mit Windenergieanlagen gewonnene elektrische Energie nur im Verbund mit anderen Energiequellen oder mit Speichern (Windgas) für eine kontinuierliche Energiebereitstellung genutzt werden. (Siehe auch Regelenergie) Durch Prognose der Einspeisung und Austausch in und zwischen den Übertragungsnetzen (Regelzonen) muss die schwankende Stromerzeugung im Zusammenspiel mit anderen Kraftwerken wie die normalen Verbrauchsschwankungen ausgeglichen werden. Für Deutschland geht man laut einer Studie der DENA derzeit von 20 bis 25 % maximalem Anteil beim nur moderaten Ausbau der Netzinfrastruktur aus. Weitere Möglichkeiten, zukünftig die Windstrompenetration über einen solchen Wert hinaus zu erhöhen, sind:

• Verstärkung und Vermaschung des Hochspannungsübertragungsnetzes mit benachbarten Regelzonen über moderaten Ausbau hinaus
• Demand Side Management (zeitweiliges Abschalten oder verzögerter Betrieb nicht zwingend notwendiger Verbraucher)
• Energiespeicherung, zum Beispiel durch Pumpspeicherkraftwerke und Druckluftspeicherkraftwerk oder durch Speicherung nach Umwandlung als Windgas.

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.

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 kamen, 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. Da die Messung externer Kosten und Nutzen jedoch nicht eindeutig möglich ist, kamen ältere Studien mit Daten nicht neuer als 2004 zu anderen Ergebnissen. Moderne Windenergieanlagen besitzen eine kurze energetische Amortisationszeit von nur wenigen Monaten.

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. 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. 2011 betrug die Anfangsvergütung für Windenergie in Deutschland nach EEG 9,2 ct/kWh.

Stromerzeugung nach Ländern

Installierte Leistung Windenergie weltweit nach Staat (2011)

Platz	Staat	Leistung in MW
0–	EU	93.957
01	China	62.733
02	USA	46.919
03	Deutschland	29.060
04	Spanien	21.674
05	Indien	16.084
06	Frankreich	6.800
07	Italien	6.747
08	Großbritannien	6.540
09	Kanada	5.265
10	Portugal	4.083
11	Dänemark	3.871
12	Schweden	2.970
13	Japan	2.501
14	Niederlande	2.328
15	Australien	2.224
16	Türkei	1.799
17	Irland	1.631
18	Griechenland	1.629
19	Polen	1.616
20	Brasilien	1.509
	Weltweit	238.251

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 % 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.

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.

2011 wurden weltweit 41.236 MW neu installiert, davon 18.000 MW in der Volksrepublik China, 6.810 MW in den Vereinigten Staaten, 3.019 MW in Indien, 2.086 MW in Deutschland und 1551 MW 1.293 MW in Großbritannien.

Quelle der Diagrammdaten

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. Deutschland ist einer der Hauptexportere von Windkraftanlagen. Im Jahr 2010 betrug der Exportanteil der Branche 66%. 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. Da das jährliche Windaufkommen schwankt, wird ein sogenannter Windindex als Mittelwert verwendet. Auf dieser Grundlage wurden vom Deutschen Windenergie-Institut DEWI die Windenergieanteile nach Bundesländern berechnet:

Installierte Leistung und Anteil des potenziellen Jahresenergieeintrags aus Windenergieanlagen am Nettostromverbrauch in Deutschland nach Bundesländern (Stand: Ende 2011)

Bundesland	Anzahl WEA	Leistung in MW	Anteil am Nettostromverbrauch in %
Baden-Württemberg	378	486	0,9
Bayern	486	683	1,3
Berlin	1	2	0,0
Brandenburg	3053	4600	47,7
Bremen	73	140	4,7
Hamburg	60	53	0,7
Hessen	665	687	2,8
Mecklenburg-Vorpommern	1385	1627	46,1
Niedersachsen	5501	7039	25,0
Nordrhein-Westfalen	2881	3070	3,9
Rheinland-Pfalz	1177	1662	9,4
Saarland	89	127	2,5
Sachsen	838	975	8,0
Sachsen-Anhalt	2352	3642	48,1
Schleswig-Holstein	2705	3271	46,5
Thüringen	601	801	12,0
Nordsee	31	155	-
Ostsee	21	48	-
Deutschland gesamt	22.297	29.075	9,9

Durchschnittliche installierte Leistung pro Windrad: 1,30 MW

Das Bundesland Schleswig-Holstein plant ab 2020 den gesamten Stromverbrauch seiner Einwohner durch Windenergie zu decken, Niedersachsen plant bis 2020 90 % des Stromes aus erneuerbaren Quellen zu beziehen, wovon der größte Teil von der Onshore-Windenergie gedeckt werden soll.

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
Stromverbrauch gesamt (TWh)	580,5	581,7	588,0	600,6a)	610,0	615,8e)	616,2e)	617,5e)	582,5	607,8
Windstromerzeugung (TWh)e)	10,5	15,8	18,9	25,5	27,2	30,5	39,5	40,4	38,6	37,8
Anteil am Bruttostromverbrauch (%)	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 (aus den Ertragsdaten laut Betreiberdatenbank in Prozent des Mittels seit 2003f)	94	98	86	98	89	90	106	99	86	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. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die in einem Jahr neu installierten Windkraftanlagen nicht ein volles Jahr zum gesamten Jahresgesamtenergieertrag beitragen können, weil rund zwei Drittel der neuen Anlagen in der Regel während der zweiten Jahreshälfte installiert werden.

Der IWET-Windindex betrug im Jahr 2010 lediglich 74 %, denn es wurden statt der erwarteten 50,5 TWh nur 37,8 TWh Strom aus Windenergie produziert. Das entsprach etwa 6,2 % des Bruttostromverbrauchs. Die Windenergie ist vor der Biomasse (2009: 5,2%, 26,0 TWh bei 4.520 MW installierter Leistung) die bedeutendste erneuerbare Energiequelle in der Stromerzeugung.

Die höchste in einem Monat in Deutschland durch Windkraft eingespeiste Leistung wurde im Dezember 2011 mit 8 Mrd. kWh erreicht.

Anteil der Windenergie am Primärenergieverbrauch

Zur Erfüllung des Kyoto-Protokolls ist der Anteil der regenerativen Energie am Gesamtenergieverbrauch eine wichtige Größe. Hier erreichte im Jahr 2007 der Anteil der Windenergie am Primärenergieverbrauch in Deutschland 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. 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. Diese Methode ist darauf zurückzuführen, dass Kraftwerke unterschiedliche Wirkungsgrade haben. So steht der durch Kernenergie produzierten Strommenge eine 3,2-fach höhere Menge Primärenergie gegenüber. Bei Kohlekraftwerken (Wirkungsgrad ohne Kraft-Wärme-Kopplung: ca. 30% bis maximal 46%) steht der erzeugten elektrischen Energie etwa die doppelte bis dreifache Primärenergiemenge gegenüber.

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. Beispiel: 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.

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. 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.

Österreich

Installierte Leistung in Österreich nach Bundesländern (Stand: Ende 2010)

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

Ende 2010 waren in Österreich 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 Bedarf von rund 550.000 Durchschnittshaushalten.

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

Siehe auch: Liste der Windkraftwerke

Schweiz

installierte Windenergieleistung der Schweiz

Ab 1996 entstand mit dem Windkraftwerk Mont Crosin im Kanton Jura der erste leistungsstarke Windpark in der Schweiz; er wurde bis 2010 auf eine Leistung von 23 MW ausgebaut. Europas höchstgelegener Windpark in Gütsch bei Andermatt steht seit 2004 auf 2332 m über dem Meeresspiegel und hat seit 2010 drei Anlagen mit insgesamt 2,4 MW Leistung. Europas höchstgelegene Windenergieanlage steht auf 2465 m über dem Meeresspiegel beim Gries-Stausee im Kanton Wallis; es handelt sich um eine Enercon E-70 mit 2,3 MW Leistung, die bei günstigem Betrieb durch weitere Anlagen ergänzt werden soll.

2010 wurden in der Schweiz 36,6 GWh Windstrom erzeugt. Mit Einführung der kostendeckenden Einspeisevergütung (KEV) 2009 sind einige Erweiterungen und neue Windparks geplant und entstanden.

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. 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. 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. Weiteres Wachstum wird erwartet. So ist ein Ausbau auf 200 GW bis zum Jahr 2020 vorgesehen.

Politische und wirtschaftliche Aspekte heutiger Nutzung

Windparklandschaft in Mecklenburg

Zukunftssicherheit

Umweltschützer betonen, dass diese Energieform besonders zukunftssicher sei, da Wind dauerhaft zur Verfügung steht. 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

Windpark

Bei modernen Windenergieanlagen handelt es sich um eine 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), 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 wie Einspeisevergütungen (zum Beispiel Deutschland, Spanien, Österreich, Frankreich, Portugal, Griechenland). Das Mindestpreissystem verbreitet sich immer mehr, insbesondere weil es mehr installierte Leistung erzielt.

Im Jahr 2005 wurden 26,5 Mrd. kWh (2004: 25,5 Mrd. kWh,) Windstrom in das deutsche Stromnetz eingespeist. Bei konservativer Gegenrechnung mit Grundlaststrom 2005 zu 4,6 ct/kWh, 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.

Bereitstellungssicherheit

Windenergie ist 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 über 22.000 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). 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.

Gesellschaftliche Akzeptanz

Siehe auch: Erneuerbare Energien und Windkraftanlage

Grundsätzlich befürwortet ein großer Teil der Bevölkerung die Windenergienutzung, wie eine Reihe repräsentativer Umfragen ergeben hat. 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. 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

• Repowering
• Liste der Offshore-Windparks

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. Deutsches CleanTech Institut, Bonn 2009.

Weblinks

• Portal „Windenergie“ bei der Agentur für Erneuerbare Energien
• wind-energie.de, Bundesverband Windenergie
• Informationen zur Windenergie beim Bundesumweltministerium
• Deutschlandkarte „Kraftwerke und Windleistung in Deutschland“ Umweltbundesamt (PDF-Datei; 2,40 MB)
• Das Lexikon zur Windtechnologie
• World Wind Energy Report 2008 World Wind Energy Association (Report in deutscher Sprache; PDF-Datei; 1,10 MB)
• Windenergiedatenbank mit Windparks, Bereichen, Herstellern, Bildern und vielen anderen Informationen
• Windenergie Basisinfo von BINE Informationsdienst
• Tatsächliche Produktion Wind, stündlich aktualisierte Ertragsdaten deutscher Anlagen der European Energy Exchange
• Manfred Kriener: Geschichte der Windenergie: Die Kraft aus der Luft. In: Die Zeit. Nr. 6, 2011

Einzelnachweise

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