20 THEMENHEFT FORSCHUNG ERNEUERBARE ENERGIEN …€¦ · ßen Stückzahlen hergestellte...

12
Der Mensch nutzt die Kraft des Windes seit etwa 4000 Jahren. In Mesopotamien, Afghanistan und China wurden schon früh neben dem Schiffsantrieb windbetrie- bene Schöpf- und Mahlwerke entwickelt. Die ersten Formen von Windmühlen ver- wendeten ein Windrad mit vertikaler Ach- se, das durch die vom Wind auf die Rotor- blätter ausgeübte Widerstandskraft ange- trieben wurde. Diese als Widerstandsläufer bezeichnete Bauform erreichen nur einen geringen Wirkungsgrad von maximal etwa einem Viertel der im Folgenden beschrie- benen Auftriebsläufer [2]. Heute werden sie deshalb nur noch in Form der verbrei- teten Schalenstern-Anemometer zur Windmessung eingesetzt. In Nordeuropa wurden ab etwa dem 12. Jahrhundert andere Windmühlentypen wie die Bockwindmühle und die Hollän- derwindmühle als wichtige Ergänzung zum Antrieb durch menschliche und tieri- sche Muskelkraft entwickelt. Der entschei- dende Fortschritt dieser historischen abendländischen Windmühlen besteht nicht in der meist horizontalen Orientie- rung der Rotorachse, sondern in der hö- heren Strömungsgeschwindigkeit an den Rotorblättern und dem Antrieb durch die aerodynamische Auftriebskraft senkrecht zur Strömungsrichtung. Bei einem in der Strömung gewissermaßen mitschwim- menden Widerstandsläufer ist die Relativ- geschwindigkeit am Rotorblatt, die letzt- endlich die Antriebskraft bewirkt, stets kleiner als die Windgeschwindigkeit. Auf- triebsläufer können hingegen durch die Überlagerung von Windgeschwindigkeit und Umfangsgeschwindigkeit höhere Anströmgeschwindigkeiten realisieren. Nur so lassen sich die für eine optimale Abbremsung des Windes erforderlichen THEMENHEFT FORSCHUNG ERNEUERBARE ENERGIEN 20 Windenergie Auf dem Weg zur konventionellen Energie? In Deutschland drehen sich inzwischen mehr als 20.000 Windräder, die im Mittel pro Jahr 7,25 Prozent des Strombruttoverbrauchs er- zeugen. Damit übertreffen sie hierzulande jede andere erneuerbare Energieform [1]. Das Bundesumweltministerium hält bis zum Jahre 2030 sogar einen Anteil von 25 Prozent für möglich. Welches Poten- tial steckt noch in der Windenergie? Welche technologischen, wirt- schaftlichen und politischen Entwicklungen haben dies ermöglicht? 01

Transcript of 20 THEMENHEFT FORSCHUNG ERNEUERBARE ENERGIEN …€¦ · ßen Stückzahlen hergestellte...

Page 1: 20 THEMENHEFT FORSCHUNG ERNEUERBARE ENERGIEN …€¦ · ßen Stückzahlen hergestellte Windkraft-anlage, die zudem für den automatischen Betrieb ohne menschliche Bedienung durch

Der Mensch nutzt die Kraft des Windes seitetwa 4000 Jahren. In Mesopotamien,Afghanistan und China wurden schonfrüh neben dem Schiffsantrieb windbetrie-bene Schöpf- und Mahlwerke entwickelt.Die ersten Formen von Windmühlen ver-wendeten ein Windrad mit vertikaler Ach-se, das durch die vom Wind auf die Rotor-

blätter ausgeübte Widerstandskraft ange-trieben wurde. Diese als Widerstandsläuferbezeichnete Bauform erreichen nur einengeringen Wirkungsgrad von maximal etwaeinem Viertel der im Folgenden beschrie-benen Auftriebsläufer [2]. Heute werdensie deshalb nur noch in Form der verbrei-teten Schalenstern-Anemometer zurWindmessung eingesetzt.

In Nordeuropa wurden ab etwa dem 12.Jahrhundert andere Windmühlentypenwie die Bockwindmühle und die Hollän-derwindmühle als wichtige Ergänzungzum Antrieb durch menschliche und tieri-sche Muskelkraft entwickelt. Der entschei-dende Fortschritt dieser historischenabendländischen Windmühlen bestehtnicht in der meist horizontalen Orientie-rung der Rotorachse, sondern in der hö-heren Strömungsgeschwindigkeit an denRotorblättern und dem Antrieb durch dieaerodynamische Auftriebskraft senkrechtzur Strömungsrichtung. Bei einem in derStrömung gewissermaßen mitschwim-menden Widerstandsläufer ist die Relativ-geschwindigkeit am Rotorblatt, die letzt-endlich die Antriebskraft bewirkt, stetskleiner als die Windgeschwindigkeit. Auf-triebsläufer können hingegen durch dieÜberlagerung von Windgeschwindigkeitund Umfangsgeschwindigkeit höhereAnströmgeschwindigkeiten realisieren.Nur so lassen sich die für eine optimaleAbbremsung des Windes erforderlichen

TH E M E N H E FT FORSCH U NG E R N E U E R BAR E E N E RG I E N20

WindenergieAuf dem Weg zur konvent ionel len Energ ie?

In Deutschland drehen sich inzwischen mehr als 20.000 Windräder,

die im Mittel pro Jahr 7,25 Prozent des Strombruttoverbrauchs er-

zeugen. Damit übertreffen sie hierzulande jede andere erneuerbare

Energieform [1]. Das Bundesumweltministerium hält bis zum Jahre

2030 sogar einen Anteil von 25 Prozent für möglich. Welches Poten-

tial steckt noch in der Windenergie? Welche technologischen, wirt-

schaftlichen und politischen Entwicklungen haben dies ermöglicht?

01

20-31__kuehn.qxd 18.02.2010 15:35 Uhr Seite 20

Page 2: 20 THEMENHEFT FORSCHUNG ERNEUERBARE ENERGIEN …€¦ · ßen Stückzahlen hergestellte Windkraft-anlage, die zudem für den automatischen Betrieb ohne menschliche Bedienung durch

WI N DE N E RG I E 21

Kräfte erzeugen, und der Anteil der demWind entzogenen Leistung nähert sichdem theoretischen Maximum von 59 Pro-zent an [2].

Die bekanntesten Formen dieser Arbeits-maschinen waren die vierblättrige Hollän-der-Windmühle und die zum Pumpen von Wasser eingesetzte langsam laufende„Westernmill“ mit zwanzig und mehr Ro-torblättern – die erste industriell in gro-ßen Stückzahlen hergestellte Windkraft-anlage, die zudem für den automatischenBetrieb ohne menschliche Bedienungdurch einen Müller auskam. Ein robustesRegelungssystem mit zwei Windfahnenermöglichte es, das Windrad in den Windzu drehen und es auch wieder herauszu-drehen, um die Leistung bei Starkwind zubegrenzen.

1. Dreiblättrige Schnellläufer

Das Aufkommen der Dampfmaschine undspäter der Elektromotoren resultierte zurZeit der industriellen Revolution in einemNiedergang der Windmühle als Arbeits-maschine. Nur die Westernmill wird teil-weise noch als dezentrale Wasserpumpeeingesetzt. Die erste zur Erzeugung vonElektrizität eingesetzte Windmühle ent-wickelte 1891 der Däne Paul La Cour. Ererkannte, dass es neben einer Erhöhungdes aerodynamischen Wirkungsgradesauch konstruktiv günstig ist, wenn dieUmfangsgeschwindigkeit ein Vielfachesder Windgeschwindigkeit beträgt. Bei die-sen sogenannten Schnellläufern sind nurwenige, sehr schlanke Blätter erforderlich,und der Generator wird mit einer relativhohen Drehzahl und entsprechend klei-nem Drehmoment angetrieben. AlbertBetz, Frederick W. Lancaster und Nikolai J.

Joukowski verallgemeinerten zeitlich pa-rallel diese Erkenntnisse und leiteten denmaximalen aerodynamischen Wirkungs-grad von 59 Prozent ab.

Alle Windenergieanlagen erfordern ein Ver-fahren zur Begrenzung der aufgenomme-nen Leistung und der Belastungen, da dieim Wind enthaltene Leistung mit der drit-ten Potenz der Windgeschwindigkeit an-steigt. Hierzu haben sich ausgehend vonLa Cour und fortgesetzt durch Wind-energiepioniere in Dänemark, Frankreich,USA und Deutschlandzwei Konzepte durch-gesetzt: Stall und Pitch.

In der einfachsten Bauart(Stall) sind die Rotorblät-ter fest mit der Nabe ver-bunden (01). Die Dreh-zahl hält ein direkt an dasNetz gekoppelter Asyn-chrongenerator praktischkonstant. Dabei handelt essich um einen generato-risch betriebenen, üblichenDrehstrommotor. Bei stär-kerem Wind kommt es zu einer Verände-rung der Anströmrichtung, die aus dervektoriellen Addition von Windgeschwin-digkeit und Umfangsgeschwindigkeit

Der rasante Ausbau der Windenergie innerhalb der letzten fünfzehn Jahre wurde maßgeblichdurch die technologische Entwicklung und günstige politische Rahmenbedingungen gefördert.Neben der weiteren Verbesserung der Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Windenergie-anlagen gewinnen nun politische Fragen an Bedeutung. Hierzu zählen die Integration insVerbundnetz und in die internationale Energiewirtschaft sowie ein gesellschaftlicher Konsens in Energiefragen. Damit befindet sich die Windenergie auf dem Weg von einer alternativenzu einer konventionellen Energiequelle. Diese kann zukünftig entscheidend zu einer klima-verträglichen und bezahlbaren Stromversorgung beitragen.

ZUSAM M ENFASSUNG

01

Stall-geregelte Anlage • Aufbau einerstall-geregelten Windenergieanlage mitGetriebe und konstanter Drehzahl derFirma NEG-Micon (Grafik: Bundes-verband Windenergie)

Stall-Konzept • links: Leistungsbegrenzung bei Windzunahme durch Strömungs-abriss (engl. stall); rechts: Leistungskurve durch den Strömungsabriss begrenzt.

Pitch-Konzept • Links: Leistungsbegrenzung bei Windzunahme durch Abregelnmit Blattwinkelverstellung (engl. pitch); rechts: Leistungskurve.

0302

20-31__kuehn.qxd 18.02.2010 15:35 Uhr Seite 21

Page 3: 20 THEMENHEFT FORSCHUNG ERNEUERBARE ENERGIEN …€¦ · ßen Stückzahlen hergestellte Windkraft-anlage, die zudem für den automatischen Betrieb ohne menschliche Bedienung durch

TH E M E N H E FT FORSCH U NG E R N E U E R BAR E E N E RG I E N22

resultiert. Diese Vergrößerung des Anstell-winkels zwischen der Anströmrichtungund der Profilsehne führt an der Saugseiteder Blätter zur Strömungsablösung (engl.

stall). Das bewahrt die Wind-turbine vor überhöhter Leis-tung, da sich der Auftriebvermindert und der Wider-stand erhöht (02).Dieses einfache und robusteSystem führte 1957 JohannesJuul ein, es ist nach seinemUrsprungsland als „dänischesKonzept“ bekannt. Es er-möglichte Mitte der 1980er-Jahre den erstmaligen Ein-satz Strom erzeugenderWindenergieanlagen in gro-ßer Zahl mit 15 bis 20 MeterRotordurchmesser und einerLeistung von 50 bis 100 kW.In den folgenden zehn Jah-ren wurde das Konzept zumAktiv-Stall-Konzept weiter-entwickelt. Dazu müssen dieRotorblätter um ihre Längs-achse drehbar in der Nabegelagert sein. Durch ein Ver-stellen der Rotorblätter um

wenige Grad hin zu größeren Anstellwin-keln (Hinterkante in den Wind gedreht)lässt sich dabei der Strömungsabriss aktiv beeinflussen und zuverlässig diegewünschte Nennleistung einstellen.

Das zweite Konzept zur Leistungsbegren-zung basiert auf einer stärkeren Verstel-lung des Blattwinkels (engl. pitch). Nimmtdie Windgeschwindigkeit nach Erreichender Nennleistung zu, so wird das Blatt mit der Vorderkante in den Wind gedreht(03). Die Verringerung des Anstellwinkelsbegrenzt Leistung und Belastungen.

Maßgebend für diese am Leichtbau orientier-te Konzeptlinie war unter anderem derStuttgarter Windenergiepionier UlrichHütter, Ordinarius für Flugzeugbau zwi-schen 1965 und 1980. Er hatte 1942 über dieAuslegung von Windenergieanlagen pro-moviert und setzte diese Arbeiten in denNachkriegsjahren, als zunächst die Luft-fahrtforschung stark reglementiert war,bei den Allgaier-Werken in Uhingen fort.Ab 1950 wurde die WE-10 in Serie produ-ziert, die deutschlandweit erste Wind-energieanlage mit aerodynamisch opti-mierten Blättern. Ein von Studierendenrestauriertes Exemplar mit 10 Meter Ro-tordurchmesser wurde auf dem Campus

der Universität Stuttgart vor dem Institutfür Flugzeugbau wiederaufgebaut (04).Die technologisch als Urmodell modernerWindenergieanlagen geltende AnlageStGW34 der Studiengruppe Windenergie(StGW) mit 34 Meter Durchmesser und100 kW Leistung wurde 1957 auf demTestfeld Schnittlingen bei Stötten auf derSchwäbischen Alb errichtet.

Diese pitch-geregelte Zweiblattanlage mitPendelnabe verwendete erstmals Blätteraus glasfaserverstärktem Kunststoff, eineBauweise, die sich ab den 1980er-Jahren alsStandard etablierte. Damals war es die ers-te Anwendung eines völlig neuen Werk-stoffs für ein so großes Konstruktionsbau-teil; erst später folgten Anwendungen inder Luftfahrt und anderen Industrieberei-chen. Ende der 1960er-Jahre – die kurzeZeitspanne des billigen Öls und derEuphorie über die friedliche Nutzung derKernenergie war angebrochen – kamendie Forschung und die industriellenAktivitäten in der Windenergie zum Er-liegen. Erst 1974 nach der Ölpreiskrisewurde wieder nach Alternativen gesucht.In Deutschland, Schweden, England undden USA entstanden große Experimental-anlagen, die sich an den Prinzipien derHütter’schen Anlagen orientierten, wäh-rend in Dänemark an der Konzeptlinieeinfacherer, robusterer und meist kleine-rer Stall-Anlagen gearbeitet wurde. AmInstitut für Aero- und Gasdynamik derUniversität Stuttgart (IAG) wurden vonFranz Xaver Wortmann spezielle Profilefür Windrotoren entwickelt, eine Traditiondie sich bis heute in der aeroakustischenErforschung von besonders geräusch-armen und leistungsfähigen Profilformenfortsetzt. Das Stuttgarter Institut fürComputeranwendungen führte numeri-sche und experimentelle Untersuchungenzur Aeroelastik, Regelung und Belastungs-reduktion von Windturbinen durch. Umdie durch diese Universitätsinstitute unddie Deutsche Forschungs- und Versuchs-anstalt für Luft- und Raumfahrt (DFVLR),das heutige Deutsche Zentrum für Luft-und Raumfahrt (DLR), etablierte „Stutt-garter Schule“ entstand in den 1980er-Jahren ein erstes industrielles Umfeld. Die süddeutschen Firmen Dornier, MAN,MBB und Voith bauten Windenergieanla-gen mit mehreren hundert kW bis zu dreiMW Leistung und 100 Meter Durchmesser.Leider blieben dies jedoch meist nur Proto-typen. Die böige Kraft des Windes war

Hütter-Modell • Das Urmodell allermodernen Windanlagen, 1949 vonProfessor Hütter entwickelt, steht seit2003 auf dem Vaihinger Campus.Foto: Eppler

04

20-31__kuehn.qxd 18.02.2010 15:35 Uhr Seite 22

Page 4: 20 THEMENHEFT FORSCHUNG ERNEUERBARE ENERGIEN …€¦ · ßen Stückzahlen hergestellte Windkraft-anlage, die zudem für den automatischen Betrieb ohne menschliche Bedienung durch

WI N DE N E RG I E 23

damals noch nicht mit Großanlagen zubezähmen. Durch das 250-MW-Förder-programm der Bundesregierung und vorallem das so genannte Stromeinspeise-gesetz entwickelte sich ab 1991 eine neueBranche, da nun Windstrom zu einemerhöhtem Preis durch die Energieversor-gungsunternehmen abgenommen werdenmusste. In Wilhelmshaven wurde dasDeutsche Windenergieinstitut (DEWI) vonehemaligen Mitarbeitern des DLR, das sichinzwischen aus der Windenergie verab-schiedet hatte, gegründet. Kleinere Unter-nehmen in den windreicheren norddeut-schen Küstenländern, die das StuttgarterKnow-how zunächst mit der robustenBauweise der dänischen Anlagen kombi-nierten, bauten erfolgreich Windenergie-anlagen. Ausgehend von Rotordurch-messern von 15 bis 20 Meter wuchsen dieAnlagen evolutionär in ihrer Größe undtechnischen Komplexität. Dabei setzte sichdie Verwendung von drei Rotorblätternaus strukturdynamischen, akustischenund ästhetischen Gründen durch.

2. Von netzgebundenen zu netz-stützenden Windenergieanlagen

Auch wenn sich die äußere Form von Wind-energieanlagen in den letzten 15 bis 20Jahren nicht mehr verändert hat, so voll-zog sich im Innern doch eine rasante tech-nische Entwicklung: Stets größere undeffizientere Turbinen speisen den elektri-schen Strom in immer besserer Qualitätund zu geringeren Kosten ins Verbundnetzein. Entscheidend hierfür war die Einfüh-rung des drehzahlvariablen Betriebs, dernun als Windturbinen bezeichneten An-lagen.

Schon bald zeigte sich, dass Anlagen mitkonstanter Drehzahl die Böigkeit desWindes selbst bei sehr schneller Blatt-winkelverstellung nicht vollständig aus-regeln konnten und größeren, kurz-zeitigen Leistungsschwankungen sowieentsprechenden Strukturbelastungen undNetzrückwirkungen ausgesetzt waren. DieVorteile des Pitch-Konzepts – konstanteNennleistung sowie gutes Anlauf- undSturmverhalten – lassen sich nur in Kom-bination mit einer gewissen Drehzahl-variabilität realisieren. Dies erfordertjedoch zusätzlichen Aufwand im elektri-schen System. Hierzu haben sich vonanfänglich drei nun zwei Bauarten eta-bliert.

Zunächst setzte vor allem die dänischeFirma Vestas ein Verfahren ein, das eine biszu zehnprozentige Drehzahlvariabilitäterreicht. Dies gelingt mit einer schnellenRegelung der Drehzahlnachgiebigkeit(Schlupf) des netzgekoppelten Asynchron-generators. Durch das Zusammenspiel des

nun als Schwungrad fungierenden Rotorsmit der etwas langsameren Pitch-Rege-lung lassen sich Windschwankungen ober-halb der Nennwindgeschwindigkeit rechtbefriedigend ausregeln.

Besonders in Deutschland wurde durch dieoben genannten Experimentalanlagen abden 1980er Jahren, kommerziell ab 1995,ein Konzept mit vollständiger Drehzahl-variabilität entwickelt, das heute in mehrals der Hälfte aller neuen Anlagen ver-wendet wird. Während der Ständer desAsynchrongenerators nach wie vor direktans Netz gekoppelt ist, wird dem Genera-torläufer durch einen Umrichter genaudiejenige Stromfrequenz aufgeprägt oderentnommen, die zum Einstellen dergewünschten Drehzahl erforderlich ist.Durch einen derartigen doppelt-gespeistenAsynchrongenerator lässt sich die Dreh-zahl zwischen der Einschaltwindgeschwin-digkeit bei etwa 3,5 m/s und dem Errei-chen der Nennwindgeschwindigkeit beietwa 11 bis 13 m/s annähernd verdoppeln.Der Rotor arbeitet nahe an seinem aero-dynamischen Optimum, aerodynamischeGeräusche sind effektiv reduziert. Ober-halb der Nennwindgeschwindigkeit pen-delt die Drehzahl dann noch um circa

05

Pitch-geregelte Anlage • Aufbau einerDrehzahl-variablen, Pitch-geregeltenWindenergieanlage ohne Getriebe der Firma Enercon (Grafik: Bundes-verband Windenergie)

20-31__kuehn.qxd 18.02.2010 15:35 Uhr Seite 23

Page 5: 20 THEMENHEFT FORSCHUNG ERNEUERBARE ENERGIEN …€¦ · ßen Stückzahlen hergestellte Windkraft-anlage, die zudem für den automatischen Betrieb ohne menschliche Bedienung durch

TH E M E N H E FT FORSCH U NG E R N E U E R BAR E E N E RG I E N24

±10 Prozent, um wiederum in Arbeits-teilung mit der Pitch-Verstellung dieBöigkeit des Windes auszuregeln.

Der naheliegendste, wenn auch aufwendigs-te Weg zu einer vollständigen Drehzahl-variabilität liegt in einer elektrischen Ent-koppelung des Generators durch einenUmrichter mit einem Gleichstrom-zwischenkreis. Bei diesem, in der Regelmit einem Synchrongenerator realisiertenKonzept wird die gesamte Leistung durchden Frequenzumrichter geführt. DurchSteuerung der Erregung im Läufer lässtsich die Drehzahl bis zum dreifachen Wertder Anlaufdrehzahl variieren. Die FirmaEnercon, Marktführer in Deutschland,praktiziert dieses Konzept sehr erfolgreichbei getriebelosen Anlagen mit einem spe-ziell entwickelten, direkt angetriebenen,vielpoligen Synchrongenerator (05). Mitt-lerweile wird das Prinzip wegen exzellen-ter Netzverträglichkeit und Unabhängig-keit von der lokalen Netzfrequenz auchvereinzelt in getriebebasierten Maschinenverwendet, die immer noch circa 85 Pro-zent des Weltmarktes abdecken.

Inzwischen haben sich die beiden letzt-genannten Konzepte pitch-geregelter,drehzahlvariabler Anlagen am Marktdurchgesetzt und die einfachen, robustenStall-Anlagen praktisch verdrängt. Dieteilweise oder vollkommene Entkopplungdes Generators vom Netz bewirkt einesehr viel bessere Netzverträglichkeit undermöglicht es unter Umständen sogar, daselektrische Verbundnetz zu stützen. DerPhasenwinkel zwischen Strom und Span-nung (Leistungsfaktor) kann variabel ein-gestellt werden. Negative Netzrückwir-kungen, wie Schaltströme, Spannungs-und Leistungsschwankungen sowie Ober-wellen, lassen sich vermeiden oder starkreduzieren. Außerdem verhalten sich dieAnlagen nun unempfindlich gegenüberNetzstörungen, wie kurzzeitigen Span-nungseinbrüchen.

3. Leichtbau, Anlagenintelligenzund Zuverlässigkeit

Heutige Windenergieanlagen gehören mitbis zu 127 Meter Rotordurchmesser undeiner Nennleistung von 6 MW zu dengrößten rotierenden Maschinen. Sie trot-zen den äußerst rauen Umgebungsbedin-gungen in der bodennahen atmosphäri-schen Grenzschicht durch den Einsatzaufwendiger Regelungstechnik, beispiels-

weise durch Überwachung einer Vielzahlvon Betriebsparametern oder laser-opti-scher Fasersensoren zur Messung derBelastungen in den Blättern. Außerdemkommen moderne Werkstoffe, wie Kohle-faserverbund oder dynamisch hochfesteGuss- und Schmiedelegierungen, zumEinsatz.

Durch die zeitliche und räumliche Strukturvon Böen wirkt jeder lokale Windstoßmehrfach auf die umlaufenden Blätter.Innerhalb der Auslegungsdauer von zwan-zig Jahren treten daher bis zu eine Milliar-de Lastwechsel auf – eine in anderenBereichen unbekannte Größenordnung.Gleichzeitig erfordern die immer größerwerdenden Anlagen leichtere Bauweisen.Andernfalls würden wegen der ständigenWechselbiegung durch das Eigengewichtder Blätter problematische Materialspan-nungen auftreten. Aktuelle Forschungs-projekte setzen daher unter anderem aufdie Verbesserung der experimentellen undnumerischen Verfahren zur Ermittlungder Auslegungslasten für Rotorblätter,Triebstrang, Pitch- und Giersystem sowieTurm. Außerdem sollen durch individuel-le Pitchverstellung und passive Mechanis-men, die auf Faserverbundtechnologienbasieren, Lasten reduziert und zugleich dieErträge erhöht werden. Großes Potentialverspricht die Regelung von Windenergie-anlagen unter Zuhilfenahme einer laser-optischen Böenprognose mittels LiDAR(Light Detecting and Ranging).

Die Wettbewerbsfähigkeit gegenüber kon-ventionellen Kraftwerken erfordert Kos-teneinsparungen, die sich nicht nur durchgrößere Stückzahlen, sondern vor allemdurch effizientere Anlagen realisieren las-sen. Da häufig der maximale aerodynami-sche Leistungsbeiwert recht gut angenä-hert wird, versucht man vor allem die In-vestitionskosten pro produzierter Kilo-wattstunde zu reduzieren, beispielsweisedurch aktive und passive Schwingungs-dämpfung, Ausregeln von Belastungensowie die Umsetzung von Leichtbau-konzepten. Darüber hinaus lassen sich dieBetriebskosten zum Beispiel durch eineweitere Steigerung der Anlagenzuverläs-sigkeit senken. Die technische Verfügbar-keit von Anlagen, das heißt der Zeitanteil,in dem die Turbine betriebsbereit ist, liegtinzwischen bei 98 bis 99 Prozent [4].Trotzdem sind weitere Verbesserungen inder Haltbarkeit der teuren KomponentenRotorblatt und Getriebe sowie in der

20-31__kuehn.qxd 18.02.2010 15:35 Uhr Seite 24

Page 6: 20 THEMENHEFT FORSCHUNG ERNEUERBARE ENERGIEN …€¦ · ßen Stückzahlen hergestellte Windkraft-anlage, die zudem für den automatischen Betrieb ohne menschliche Bedienung durch

WI N DE N E RG I E 25

Zuverlässigkeit der elektrischen Kompo-nenten und Sensoren notwendig. Dies be-trifft insbesondere Anlagen der Megawatt-klasse, die seit Ende der 1990er Jahre undzu Beginn dieses Jahrzehnts, oft nach zukurzer Erprobungszeit, in größeren Stück-zahlen installiert wurden.

4. Windenergie im Aufwind –Offshore-Anlagen

Seit einigen Jahren erlebt die Windenergie-nutzung einen weltweiten Boom. Bis Ende2008 wurden weltweit insgesamt etwa121.000 MW installiert, davon allein etwa27.000 MW im Jahr 2008. Der Weltmarkt,an dem die deutschen Hersteller von An-lagen und Komponenten einen Anteil vonknapp 29 Prozent der Wertschöpfungbesitzen (2008), wächst jährlich im Durch-schnitt mit über 20 Prozent (06) [5, 6].

Bei einem Umsatz von knapp acht Milliar-den Euro beträgt der Exportanteil derdeutschen Anlagen- und Komponenten-hersteller mittlerweile 82 Prozent. Wenn-gleich Deutschland inzwischen nichtmehr der wichtigste Markt ist, findet einweiterer Ausbau in anderen europäischenLändern, den USA und den aufstrebendenasiatischen Schwellenländern, insbesonde-re in der Volksrepublik China und Indien,statt. Windenergie entwickelt sich zueinem nicht mehr zu vernachlässigendenTeil des globalen Energiesystems, in demdie deutsche Industrie eine führende Rollebehaupten kann. Mit zunehmendemWachstum dieser Märkte gewinnen mehrund mehr Fragen der Erschließung derenormen Windressourcen auf dem Meer,der Integration in das internationaleEnergiesystem, der Wirtschaftlichkeit unddes Natur- und Umweltschutzes sowienicht zuletzt der sozialen Akzeptanz anBedeutung.

Die küstennahen Meeresgebiete bieten fürdie Windenergie enormes Potenzial. Nebeneinem Mehrertrag von 40 bis 50 Prozentgegenüber guten Küstenstandorten stehenauch größere Flächen als an Land zurVerfügung. Das Bundesumweltministeri-um rechnet innerhalb der nächsten fünf-zehn Jahre offshore mit der Installationvon 15 GW gegenüber einer weiterenInstallation von 10 GW an Land.

Nach den ersten Ideen für Offshore-Wind-projekte in den 1970er Jahren wurden inden 1990er Jahren kleinere europäischeDemonstrationsprojekte gebaut. Ab 2000begann man dann erstmals mit der Re-alisierung kommerzieller Windparks mitbis zu 160 MW Leistung unter Verwen-dung von Windenergieanlagen der 1,5- bis 2-MW-Klasse. Bis zum Jahresende 2008betrug die installierte Leistung offshoreknapp 1500 MW. Das entspricht etwa 1,2 Prozent der weltweiten Windenergie-leistung. Die Betriebserfahrungen sind bis-her überwiegend positiv und unterstützendie weitere Entwicklung, die derzeit vorallem in Großbritannien, Dänemark, denNiederlanden und Schwe-den stattfindet. Wie beijeder neuen Technik, gabes auch hier Rückschläge.So mussten Mitte 2004 imersten großen dänischenOffshore-Windpark HornsRev, zwei Jahre nach des-sen Errichtung, alle 80 An-lagen abgebaut und kost-spielig an Land instand-gesetzt werden – dieTransformatoren und Ge-neratoren waren der Belas-tung durch das Salzwassernicht gewachsen. Hierzeigte sich die Branche ge-reift genug, um derartigeBelastungen zu bewälti-gen: Bis Mitte Dezemberdesselben Jahres waren alleAnlagen wieder am Netz.

Entwicklung • Internationale Entwick-lung der jährlich neu installiertenWindenergieleistung seit 1990 undPrognose bis 2013 (Grafik: BTMConsult ApS)

06

Aufbau • Installation einer 5-MW-Offshore-Windenergieanlage mit 126 Meter Rotordurchmesser vor derschottischen Küste im August 2006(Grafik: REpower Systems AG)

07

20-31__kuehn.qxd 18.02.2010 15:35 Uhr Seite 25

Page 7: 20 THEMENHEFT FORSCHUNG ERNEUERBARE ENERGIEN …€¦ · ßen Stückzahlen hergestellte Windkraft-anlage, die zudem für den automatischen Betrieb ohne menschliche Bedienung durch

In Deutschland stellen die großen Wasser-tiefen von 25 bis 40 Meter und Küsten-entfernungen von 30 bis über 100 Kilo-meter vor allem eine finanzielle Hürde fürerste Projekte dar. Das erste „echte“ Off-shore-Projekt in Deutschland ist das Test-feld „alpha ventus“ 45 Kilometer nördlichder Insel Borkum, das seit August 2009 inBetrieb ist. Zwölf Windenergieanlagen derzur Zeit leistungsstärksten 5-MW-Klassekommen dort zum Einsatz, wie sie aktuellnur von vier deutschen Herstellern an-geboten werden. 2006 wurde eine derartigeAnlage auf einem Fundament in 44 MeterWassertiefe vor der schottischen Küste auf-gebaut (07). Der Stiftungslehrstuhl Wind-energie der Universität Stuttgart koordi-niert zwei Projekte der wissenschaftlichenBegleitforschung im Windpark „alphaventus“. Hierbei wird einerseits die laser-optische Windmessung mittels LiDARweiterentwickelt, andererseits werden dieEntwurfsannahmen der Offshore-Wind-energieanlagen in Kooperation mit zehnanderen Partnern verifiziert. Von besonde-rer Bedeutung sind dabei die Beschreibungder Einflüsse der maritimen atmosphäri-schen Grenzschicht auf die Leistungsabga-be, die Strömungsbedingungen in großenWindparks, die auftretenden aero- undhydrodynamischen Lasten sowie die Über-wachung der Windenergieanlagen. WeitereProjekte befassen sich mit der Entwicklungvon Tragstrukturen und Fundamenten,dem Netzanschluss sowie der Ökologie.Hieraus werden sich weitreichende Er-kenntnisse für die Planung und die Errich-tung der bereits genehmigten und zukün-ftiger deutscher und internationaler Off-shore-Parks ergeben.

Für die zukünftige Entwicklung der Wind-energie existieren unterschiedliche Vor-hersagen. Eine Marktstudie der Euro-päischen Windenergieagentur (EWEA)vom Dezember 2007 [7] beschreibt folgendeSzenarien: Es wird ein Wachstum des jähr-lichen Marktes von derzeit etwa 500 MWauf 1000 bis 1500 MW in 2010 und 1700 bis3000 MW im Jahre 2015 erwartet. Kumu-liert bedeutet dies eine Steigerung derGesamtkapazität in Europa von 1,1 GWEnde 2007 auf 3 bis 4 GW Ende 2010 und 20bis 40 GW im Jahre 2020. Die wichtigstenMärkte werden voraussichtlich Groß-britannien und Deutschland sein. Dasdänische Büro BTM Consult prognosti-ziert für das Jahr 2013 eine weltweiteGesamtleistung offshore von 11,7 GW,

davon 10,8 GW in Europa. Der größte Zu-wachs wird auch in absehbarer Zukunft anLand stattfinden, weswegen der Anteil derOffshore-Windenergie an der installiertenGesamtleistung im Jahre 2013 auf nichtmehr als drei Prozent geschätzt wird [8].

5. Netzintegration trotz schwan-kender Leistung

Allgemein wird angenommen, dass sich Er-neuerbare Energieträger wie Wind undSonne bis zu einem Anteil von 20 Prozentohne größere Probleme in ein Verbund-netz integrieren lassen. Obwohl eine sol-che Situation im Jahres- und Landesmittelin Deutschland erst in etwa fünfzehnJahren zu erwarten ist [9], stellt die Inte-gration neuer Anlagen schon heute einetechnische und wirtschaftliche Heraus-forderung dar. Dies liegt an der regionalenKonzentration in den nord- und ostdeut-schen Küstenländern sowie den täglichenund saisonalen Windschwankungen.Zeitweise übersteigt die Windenergie-einspeisung dort die Netzlast, während zuanderen Zeiten kaum Windenergie in derRegion zur Verfügung steht.

Eine dezentrale Einspeisung in die schwacheNetzperipherie, neue Erzeugungs- undVerbrauchsstrukturen und die Markt-liberalisierung erfordern eine Umgestal-tung der Jahrzehnte alten Struktur deseuropäischen Versorgungsnetzes in einTransportnetz für große Handelsströme.Eine von der Deutschen Energie Agentur(dena) im Konsens mit der Energiewirt-schaft und der Windenergiebranchedurchgeführte Studie untersuchte im Jah-re 2005 die Konsequenzen einer Erhöhungdes Windstromanteils auf 15 Prozent biszum Jahre 2015. Demnach bestehen keinewesentlichen technischen Hindernisse undes werden nur moderate Mehrkosten auf-treten. Rund 400 Kilometer des vorhande-nen 380-kV-Verbundnetzes müssen ver-stärkt und rund 850 Kilometer neu gebautwerden. Das entspricht fünf Prozent desderzeitigen Übertragungsnetzes. In zehnJahren werden die Mehrkosten je nachSzenario zwischen 0,39 und 0,49 ct/kWhfür private Haushalte und 0,15 ct/kWh für die Industrie betragen. Hierbei sindneben dem Netzausbau auch die erhöhteEinspeisevergütung und die Regel- undReservehaltungskosten abzüglich vermie-dener Kosten konventioneller Erzeugung,enthalten [10].

TH E M E N H E FT FORSCH U NG E R N E U E R BAR E E N E RG I E N26

20-31__kuehn.qxd 18.02.2010 15:35 Uhr Seite 26

Page 8: 20 THEMENHEFT FORSCHUNG ERNEUERBARE ENERGIEN …€¦ · ßen Stückzahlen hergestellte Windkraft-anlage, die zudem für den automatischen Betrieb ohne menschliche Bedienung durch

WI N DE N E RG I E 27

Seit 2003 wird bei Neuanlagen in Gebietenmit hohem Windstromanteil ein Erzeu-gungsmanagement angewendet, das demÜbertragungsnetzbetreiber die Drosselungoder Abschaltung bei zu geringer Netzlastoder Netzengpässen erlaubt. Bei konven-tionellen Kraftwerken führt ein solchesVerfahren zu einer Brennstoff- undKosteneinsparung. Dagegen kann es fürWindenergieerzeuger einen empfindlichenEinnahmeverlust bedeuten, weil hier dieBetriebs- und Finanzierungskosten nahezugleich bleiben.

Neue Anlagen benötigen zusätzliche Kapazi-täten im Netz, aber Akzeptanzproblemeund langwierige Verfahren erschweren diePlanung neuer Freileitungen. Neue Lö-sungsansätze wie konventionelle Erdkabeloder neue bipolare Kabelkonzepte mithoher Kapazität verfolgt die Energiewirt-schaft teils zögerlich. Jedoch schlummernauch im derzeitigen Verbundnetz noch er-hebliche Kapazitätsreserven, wenn bei käl-terer Witterung oder stärkerem Wind dietatsächliche thermische Übertragungs-leistung ausgenutzt wird. Durch Messungvon Wetterdaten können 30 Prozent, miteinem Monitoring der Leitungstemperatursogar bis zu 100 Prozent höhere Strömeübertragen werden [11]. In Deutschlandwurde 2006 erstmalig ein solches Monito-ring durchgeführt, das in anderen EU-Ländern schon länger verwendet wird.

Die Betriebsführung des Verbundnetzesdurch die vier deutschen Netzbetreiberbesteht vor allem aus einer permanentenAnpassung der eingespeisten Erzeugungs-leistung an die schwankende Last. Leis-tungserzeugung und Stromeinkäufe wer-den jeweils 24 Stunden im Voraus geplant.Durch Zu- und Abschalten von unter-schiedlich schnell regelbaren Kraftwerkenund die kurzzeitige Pufferung über dieRotationsenergie der Generatoren undTurbinen erreicht man ein Gleichgewicht.Während bisher nur die Lastschwankun-gen und mögliche Kraftwerksstörungenauszugleichen waren, wird nun das Aus-regeln durch die Schwankungen der vorrangig abzunehmenden Windenergieerschwert. Windenergie-Prognosepro-gramme werden eingesetzt, um die er-forderliche Kapazität an konventionellenKraftwerken und von zusätzlicher Regel-energie zu minimieren. Inzwischen liegtdie durchschnittliche Abweichung von 24-Stunden-Vorhersagen bei etwa 6,5 Prozent(ausgedrückt als quadratischer Mittelwert

des Fehlers normiert auf die installierteLeistung) [12].

Erhebliche Prognoseabweichungen tretenvor allem durch Zeitverschiebungen beimDurchzug von Wetterfronten und damitkorrespondierenden großen Leistungs-gradienten auf. Unter solch ungünstigenBedingungen kann die Windeinspeisung ineiner Regelzone um mehrere Gigawattinnerhalb einiger Stunden abnehmen.Weitere Prognoseverbesserungen und eineReduktion von Reserveleistung sind durchEinsatz neuer Kommunikationstechniken,eine flexiblere Kraftwerksplanung undeinen kurzfristigen Ausgleich zwischenden Netzbetreibern möglich. SinnvolleMaßnahmen umfassen die Kurzzeitkorrek-tur der 24-Stunden-Prognose, die Messungder tatsächlich erzeugten Windleistungund die Einführung von kürzerenHandelszeiträumen an den Strombörsen(Intraday-Handel). Aktuelle Forschungs-projekte, die unter anderem vom Zen-trum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW)und dem Stiftungslehrstuhl Windenergieverfolgt werden, setzen hier beispielsweisedarauf, den Prognosefehler für den Ertragvon Windenergieanlagen mit einem An-satz basierend auf rekurrenten neuronalenNetzen zu minimieren. Eine auf dieserMethode beruhende verbesserte Vorher-sage von Sturmabschaltungen kann zueiner Verringerung des Vorhaltebedarfs fürReserveleistung führen. Zusätzliche Kraft-werke sind dabei nach der Dena-Studie biszum Jahr 2015 zur Bereitstellung vonRegel- und Reserveleistung in keinem Fallerforderlich: Im Mittel reicht eine Stun-den- und Minutenreserve konventionellerKraftwerke in Höhe von acht bis neunProzent der installierten Windenergieleis-tung aus.

Um die traditionell sehr hohe Netzstabilitätund Versorgungssicherheit in Deutschlandaufrecht zu erhalten, wurden 2003 neueNetzanschlussregeln für Windenergie-anlagen eingeführt, die nun bestimmteKraftwerkseigenschaften einhalten müs-sen. Zuvor installierte Windenergieanla-gen müssen entsprechend den früherenBedingungen bei Netzfehlern augenblick-lich abgeschaltet werden. Das könnte imungünstigen Falle zu einem schlagartigenAusfall von mehreren Gigawatt an Leis-tung und Instabilitäten im europäischenStromverbund führen. Mit modernenWindenergieanlagen mit Umrichter-

20-31__kuehn.qxd 18.02.2010 15:35 Uhr Seite 27

Page 9: 20 THEMENHEFT FORSCHUNG ERNEUERBARE ENERGIEN …€¦ · ßen Stückzahlen hergestellte Windkraft-anlage, die zudem für den automatischen Betrieb ohne menschliche Bedienung durch

TH E M E N H E FT FORSCH U NG E R N E U E R BAR E E N E RG I E N28

technologie, Nachrüstungen und eineohnehin notwendige Netzmodernisierunglassen sich diese Risiken jedoch minimie-ren. So kann die Netzsicherheit auch beieinem weiteren Windenergiezuwachs ge-währleistet werden.

Ein steigender Anteil von täglich schwan-kender Windenergieleistung wird mittel-fristig Energiespeicher im Kraftwerksmaß-stab erfordern, da neue Pumpspeicher-Wasserkraftwerke in Deutschland nicht zu erwarten sind. Die Speicherung durchelektrolytisch erzeugten Wasserstoff alsAlternative besitzt einen sehr geringenSystemwirkungsgrad. Auf absehbare Zeit

wird es sinnvoller sein, durch den Einsatzvon Windenergie fossile Brennstoffe einzu-sparen und Windschwankungen gegebe-nenfalls mit konventionellen Kraftwerkenzu überbrücken [13]. Relativ gute Zu-kunftsaussichten besitzen unterirdischeadiabate Druckluftspeicher, die durchWärmerückgewinnung Wirkungsgradeum 70 Prozent erreichen könnten. Aller-dings werden erste Anwendungen diesernoch völlig neuen Technologie nicht vor2015 erwartet. Langfristig können durchden Einstieg in die Elektromobilität auchdie Energiespeicher von FahrzeugenSchwankungen aus Wind- und Sonnen-energie auffangen und so das Netz stabi-lisieren.

6. Wirtschaftlichkeit

Das Stromeinspeisegesetz (1991 bis 2000) unddas Erneuerbare Energien Gesetz (ab April2000) haben den Ausbau der Windenergiein Deutschland maßgeblich stimuliert,

weil sie eine Mindestvergütung für Wind-strom und die damit verbundene Pla-nungssicherheit erreicht haben. Techno-logische Weiterentwicklung und der Baugroßer Stückzahlen haben die Anlagen-kosten weiter sinken lassen. Derzeit kosteteine Anlage mit 2 MW Leistung, 90 MeterRotordurchmesser und 105 Meter Naben-höhe circa 2,3 Millionen Euro ab Werk,zuzüglich 25–30 Prozent Infrastruktur-kosten im Windpark. An einem küsten-nahen Referenzstandort (5,5 m/s mittlereJahreswindgeschwindigkeit in 30 MeternHöhe) können etwa 6,1 GWh pro Jahrerzeugt und damit 1750 Haushalte mitjeweils vier Personen versorgt werden.

Wichtiger als die reinen Investitionskostensind die spezifischen Kosten pro produzier-ter Kilowattstunde. (08) zeigt eine infla-tionsbereinigte Reduktion der Anlagen-kosten pro jährlich erzeugter kWh amReferenzstandort von deutlich über 50Prozent zwischen 1990 und 2007. Aus die-ser Entwicklung ergibt sich eine Lernkurvemit einem Fortschrittsgrad von 91 Pro-zent, seit 1997 von 93 Prozent. Das heißt,bei jeder Verdoppelung der Leistung fielendie Kosten um neun Prozent (sieben Pro-zent) (08).

Während 1991 die Einspeisevergütung nochmaximal 18,31 ct/kWh betrug, verringertesie sich bis zum Jahre 2006 um 59 Prozentauf einen mittleren Wert von 7,44 ct/kWh.Diese historische Entwicklung wird imaktuellen Erneuerbare Energien Gesetz(EEG) extrapoliert und regelmäßig über-prüft. Die Mindestvergütung für neu inBetrieb genommene Anlagen an Land ver-ringert sich von einem Jahr zum nächstenum nominal ein Prozent. Unter Berück-sichtigung der Inflation müssen also neueAnlagen pro Jahr um circa drei Prozentkosteneffektiver werden.

Zwischen 2006 und 2008 sind jedoch wegender steigenden Rohstoffpreise für Kupferund Stahl sowie die weltweit stark zuneh-mende Nachfrage die Verkaufpreise vonWindenergieanlagen in Deutschland umfast 30 Prozent gestiegen. In der Novellie-rung des EEG zum 1.1.2009 wurde demRechnung getragen. Onshore steigen dieGrundvergütung von 4,97 ct/kWh auf 5,02 ct/kWh und die erhöhte Anfangsver-gütung von 7,87 ct/kWh auf 9,2 ct/kWh,bei einer von zwei auf ein Prozent redu-zierten Degression. Erstmals wird ein Sys-temdienstleistungsbonus von 0,5 ct/kWhfür moderne Anlagen eingeführt, die die

08

Anlagenkosten • Entwicklung der An-lagenkosten bezogen auf den Jahres-energieertrag am Referenzstandort inAbhängigkeit der insgesamt installier-ten Leistung (Grafik: ISET)

20-31__kuehn.qxd 18.02.2010 15:35 Uhr Seite 28

Page 10: 20 THEMENHEFT FORSCHUNG ERNEUERBARE ENERGIEN …€¦ · ßen Stückzahlen hergestellte Windkraft-anlage, die zudem für den automatischen Betrieb ohne menschliche Bedienung durch

WI N DE N E RG I E 29

Stabilität des Verbundnetzes stützen kön-nen. Offshore sinkt die Grundvergütungvon 5,95 ct/kWh auf 3,5 ct/kWh bei einer von 8,74 ct/kWh auf 15 ct/kWh (13 ct/kWh bei Inbetriebnahme nach 2015) erhöhten Anfangsvergütung. Ab2015 wird zudem für Offshore-Anlageneine jährliche Degression von fünf Prozenteingeführt. Bei dem so genannten Re-powering (Ersetzen alter Anlagen durchneue Anlagen mit höherem Ertrag) wurdedie Anfangsvergütung um 0,5 ct/kWherhöht.

Eine andere Regelung des EEG berücksich-tigt die große Bedeutung der lokalenWindbedingungen für die Wirtschaftlich-keit. Hierdurch bestimmt sich die Höheund die zeitliche Staffelung der unter-schiedlichen Vergütungsstufen währenddes zwanzigjährigen Vergütungszeitraums.Offensichtlich unwirtschaftliche Projektesind inzwischen von einer Förderung aus-geschlossen. Besonders günstige Bedin-gungen gelten hingegen für Offshore-Standorte und das Repowering.

Die starke weltweite Nachfrage nach Wind-energieanlagen wird nicht nur durch denUmwelt- und Klimaschutz, sondern durchdie inzwischen an sehr guten Landstand-orten erreichte Wirtschaftlichkeit gegen-über neu zu bauenden konventionellenKraftwerken vorangetrieben. Ein aktuellerinternationaler Kostenvergleich (09), derdie Preissteigerungen im Kraftwerks- undWindenergiemarkt berücksichtigt, ver-deutlicht dies.

7. Naturschutz und Akzeptanz

Mit dem Aufkommen größerer Windparkshat diese Form der Erneuerbaren Energiezunehmend Akzeptanzprobleme bekom-men. Windkraftanlagen wirken sich abernur lokal und in vergleichsweise geringemMaße negativ aus. Dies muss man ver-gleichen mit anderen Natureingriffen, wieder Anreicherung der Atmosphäre mitCO2- und Schadstoffemissionen, Verkehr,Freileitungen und vielem mehr. An-gesichts der direkt spürbaren Konsequen-zen der traditionellen Energieversorgungist nach wie vor eine deutliche Mehrheitder Bundesbürger für einen weiteren Aus-bau der Windkraft. Trotzdem tritt häufigein paradoxes Verhalten auf, englisch tref-fend als „Not in my backyard!“-Phänomen(NIMBY) charakterisiert: Windkraft ja,aber nicht vor meiner Haustür.

Für konkrete Windparkprojekte ist dahereine sozial- und umweltverträglichen Pla-nung unverzichtbar. Sie muss die Interes-sen der lokalen Bevölkerung einbeziehenund anerkannte Mindeststandards desNatur- und Landschaftsschutzes berück-sichtigen [14]. Hierdurch wird eine häufigbeobachtete politische Voreingenommen-heit und Polarisierung auf allen Seitenvermieden, die kaum mit wissenschaft-lichen Fakten oder technischen Lösungenzu beseitigen ist.

8. Ökologie und Wirtschaft

Vor dem Hintergrund der Klimaproblematikbefindet sich die Elektrizitätswirtschaft ineinem Dilemma. In den nächsten Jahr-zehnten steht ein Großteil der Kraftwerks-kapazität zur Erneuerung an. Mit etwa 596Gramm emittiertem CO2 pro produzierterKilowattstunde liegt die Bundesrepublikzur Zeit deutlich über dem europäischenDurchschnitt [15, 16]. Eine Fortsetzung desderzeitigen Erzeugungsmixes bei einemnur moderat ansteigenden Anteil Erneuer-barer Energie scheint wenig aussichtsreich,insbesondere auch angesichts der Selbst-verpflichtung der Bundesregierung, dieCO2-Emissionen gegenüber den Wertenvon 1990 um 40 Prozent zu senken.

Ein gesellschaftlicher Konsens über denNeubau von Kernkraftwerken ist nicht zuerwarten; auch die Entsorgung verbrauch-ter Brennelemente ist nicht geklärt. Dieverbleibenden Optionen der CO2-armenStromerzeugung aus fossilen Energie-quellen sind wenig überzeugend: Die nochreichlich vorhandenen Kohlereservenkönnen weiter ausgebeutet und in Kraft-werken mit technologisch unausgereifterCO2-Abscheidung und -Sequestrierung(CCS) mit hohen Infrastrukturkosten und

09

Energiegestehungskosten • Vergleichder Energiegestehungskosten für On-und Offshore-Windparks mit verschie-denen konventionellen Energieträgern(Grafik: Windpower Monthly 1/2008)

20-31__kuehn.qxd 18.02.2010 15:35 Uhr Seite 29

Page 11: 20 THEMENHEFT FORSCHUNG ERNEUERBARE ENERGIEN …€¦ · ßen Stückzahlen hergestellte Windkraft-anlage, die zudem für den automatischen Betrieb ohne menschliche Bedienung durch

TH E M E N H E FT FORSCH U NG E R N E U E R BAR E E N E RG I E N30

Effizienzverlusten von bis zu 40 Prozentverstromt werden [17]. Auch eine politischriskante, mittelfristig teure und lediglichCO2-reduzierte Verstromung von impor-tiertem Erdgas erscheint problematisch.

Zu den steigenden Rohstoffpreisen kommenso bei der Verwendung fossiler Energie-träger die ökologischen und politischenKosten hinzu, die sich auf der einen Seiteaus dem Vermeiden und Bewältigen vonUmweltschäden und auf der anderen Seiteaus entstehenden einseitigen Abhängig-keiten von Rohstofflieferanten aus oft po-litisch instabilen Regionen ergeben. Kurz-fristig können diese Ansätze sicherlich zueiner Reduktion der CO2-Emissionen bei-tragen, langfristig tragfähig im Sinne einernachhaltigen Energieversorgung bei über-schaubarer Kostenentwicklung sind sie je-doch nicht.

Als neue Herausforderungen treten die be-schriebene Netzintegration ErneuerbarerEnergien und die Anpassung der energie-wirtschaftlichen Strukturen auf. Das Insti-tut für Solare Energieversorgung (ISET) in Kassel zeigte 2005, wie die Stromversor-gung Europas und seiner Nachbarn unterausschließlicher Nutzung ErneuerbarerEnergie mit bereits heute weitgehend ent-wickelten Technologien und zu Strom-gestehungskosten sehr nahe am heuteÜblichen gesichert werden könnte [18].Zentrales Element eines solchen Konzeptsmit sehr hohem Windenergieanteil ist derregionsübergreifende Ausgleich der An-gebotsschwankungen erneuerbarer Ener-gieformen untereinander. Dies kann miteiner Kombination verschiedener Energie-quellen und durch Energietransport ineinem transkontinentalen Verbundnetzauf der Basis von Hochspannungsgleich-stromübertragung (HGÜ) mit geringenVerlusten (10 bis 15 Prozent) erreichtwerden. Eine ähnliche Idee wird im kleine-ren Rahmen mit dem Konzept dezentralerKombikraftwerke verfolgt, bei denenWetterprognosen und Prognosen des Last-verlaufs als Ausgangsdaten für die An-lagensteuerung genutzt werden, die dannje nach realer Erzeugung und Bedarf an-gepasst wird. Biogasanlagen und Pump-speicherwerke gleichen aus Wind undSonne entstehende Lastschwankungenaus. Erste Erfahrungen mit einer Pilot-anlage scheinen erfolgversprechend [19]und stützen und ergänzen die Ergebnisseder ISET-Studie. Mit dem DESERTEC-Projekt schließt die deutsche Industrie an

diese Ideen an und beginnt Strategien inRichtung eines integrierten Kraftwerk-parks auf Basis Erneuerbarer Energien zuentwickeln.

Im Rahmen internationaler Energiesystemeverbessern sich so die technischen undwirtschaftlichen Perspektiven deutlich. Bei weiter steigenden Rohstoffkosten wirdprognostiziert, dass bereits 2015 ein Ener-giemix aus Erneuerbarer Energie (ohnePhotovoltaik) kostengünstiger ist als ausfossiler Strombereitstellung [9]. Damit istder weitere zügige Ausbau ErneuerbarerEnergie mittelfristig ein Garant für eineStabilisierung der Strompreise und damitletztlich auch für die Wettbewerbsfähigkeitder deutschen Industrie. • Martin Kühn,

Tobias Klaus

Literatur

• 1 J. P. Molly, Status der Windenergienutzung inDeutschland, Stand 30.06.2009, DEWI GmbH2009, www.dewi.de/dewi/index.php?id=47&L=1

• 2 R. Gasch, J. Twele (Hrsg.), Windkraftanlagen –Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb, 6. Aufl., Teubner, 2009

• 3 H. Dörner, Drei Welten – ein Leben, Prof. Dr.Ulrich Hütter – Hochschullehrer, Konstrukteur,Künstler, 2. Aufl., Selbstverlag, 2002

• 4 Institut für Solare Energieversorgung (ISET),Windenergie Report Deutschland 2005, reisi.iset.uni-kassel.de

• 5 VDMA, BWE, Die deutsche Windindustrie imWeltmarkt, 2009, www.wind-energie.de/fileadmin/dokumente/statistiken/WE%20Deutschland/090723_PK_BWE_VDMA.pdf

• 6 WWEA, World Wind Energy Report 2008,www.unendlich-viel-energie.de/en/wind/details/article/53/world-wind-energy-report-2008.html

• 7 EWEA, Delivering Offshore Wind Power inEurope, European Wind Energy Association(EWEA), Dezember 2007, www.ewea.org/filead-min/ewea_documents/images/publications/offshore_report/ewea-offshore_report.pdf

• 8 BTM Consult Aps, World Market Update 2008,März 2009

• 9 J. Nitsch, Leitstudie 2008: Weiterentwicklung der„Ausbaustrategie Erneuerbare Energien“ vor demHintergrund der aktuellen KlimaschutzzieleDeutschlands und Europas, Untersuchung im Auf-trag des Bundesministeriums für Umwelt, Natur-schutz und Reaktorsicherheit, Oktober 2008,www.bmu.de/erneuerbare_energien/downloads/doc/42383.php

• 10 Deutsche Energie-Agentur (dena), Energiewirt-schaftliche Planung für die Netzintegration vonWindenergie in Deutschland an Land und Offshore

20-31__kuehn.qxd 18.02.2010 15:35 Uhr Seite 30

Page 12: 20 THEMENHEFT FORSCHUNG ERNEUERBARE ENERGIEN …€¦ · ßen Stückzahlen hergestellte Windkraft-anlage, die zudem für den automatischen Betrieb ohne menschliche Bedienung durch

WI N DE N E RG I E 31

bis zum Jahr 2020 (dena-Netzstudie), 2005,www.dena.de/de/themen/thema-esd/publikationen/publikation/netzstudie/

• 11 Bundesverband Windenergie, Pressemitteilung18.9.2006, www.wind-energie.de

• 12 B. Lange, Wind Power Prediction in Germany –Recent Advances and Future Challenges, EuropeanWind Energy Conference (EWEC), Athen 2006

• 13 G. Eisenbeiß, Physik in unserer Zeit, 2005, 36(3), 135

• 14 Deutscher Naturschutzring (DNR), Umwelt-und naturverträgliche Nutzung der Windenergie anLand, Bonn 2005, www.wind-ist-kraft.de

• 15 Umweltbundesamt, Climate Change 01/07:Entwicklung der spezifischen Kohlendioxid-Emissio-nen des deutschen Strommix, Berlin, April 2007

• 16 Umweltbundesamt, Climate Change 06/03:Anforderungen an die zukünftige Energieversorgung,Berlin, Aug. 2003

• 17 Umweltbundesamt, CCS – Rahmenbedingungendes Umweltschutzes für eine sich entwickelnde Tech-nik, Mai 2009

• 18 G. Czisch, Szenarien zur zukünftigen Strom-versorgung – Kostenoptimierte Variationen zur Ver-sorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom auserneuerbaren Energien, Universität Kassel, Disser-tation, 2005

• 19 H. Emanuel, R. Mackensen, K. Rohrig, Dasregenerative Kombikraftwerk, Abschlussbericht,Kassel, April 2008

Internet• Bundesumweltministerium:

www.erneuerbare-energien.de• European Wind Energy Association:

www.ewea.org• World Wind Energy Report 2008:

www.unendlich-viel-energie.de/en/wind/details/article/53/world-wind-energy-report-2008.html

• Stiftungslehrstuhl WindenergieUniversität Stuttgart:www.uni-stuttgart.de/windenergie

Martin Kühngeb. 1963, Studium der PhysikalischenIngenieurwissenschaften in Hannover,Berlin und Delft, bis 1999 wissenschaft-licher Mitarbeiter der TU Delft, danachbis 2003 Project Manager OffshoreEngineering bei GE Wind EnergyGmbH, 2001 Dissertation TU Delft,seit 2004 Inhaber des ersten deutschenLehrstuhls für Windenergie, UniversitätStuttgart.

Tobias Klausgeb. 1967, Studium der Politikwissen-schaft in Bonn, Frankfurt und Dublin, seit2008 Mitarbeiter am StiftungslehrstuhlWindenergie der Universität Stuttgart.

DIE AUTOREN

KontaktProf. Dr. Dipl.-Ing. Martin KühnStiftungslehrstuhl Windenergie (SWE)Allmandring 5B, 70550 StuttgartTel. 0711/ 685-68258E-Mail: [email protected]: http://www.ifb.uni-stuttgart.de/index.php/institut/41-stiftungslehrstuhl-windenergie-swe

20-31__kuehn.qxd 18.02.2010 15:36 Uhr Seite 31