Windenergie

 

Inhalt:

Bei der folgende Darstellung wurde auf technische Details bewusst verzichtet, die Entwicklungen werden aber im gesellschaftlichen Zusammenhang dargestellt und es wird auf zukünftige Entwicklungen eingegangen.

Sehr detaillierte Ausführungen findet man beim

 

Windentstehung

Wind entsteht auf der Basis der Sonneneinstrahlung. Diese führt zu unterschiedlicher Erwärmung der Erde. Es ergeben sich Luftdruckunterschiede, die sich dann durch Windströmungen ausgleichen. Die Windstärke hängt weiterhin stark vom Wetter ab, die pro Jahr erzeugte Elektrizitätsmenge kann deshalb um +/- 20 % schwanken. Eine der Anlagen im EuroWindPark erzeugt pro Jahr etwa 3  000 000 kWh. Damit kann man etwa 900 Haushalte versorgen.

 

Windstärke

Die Windstärke hängt natürlich sehr vom Standort der Windenergieanlage (WEA) ab. Auf Bergrücken und an der Küste bzw. auf See (offshore WEA) weht der Wind stärker. Bei doppelter Windgeschwindigkeit ist die im Wind enthaltene Leistung achtmal so groß. Die richtige Auswahl des Standortes ist deshalb sehr wichtig. Im Allgemeinen nimmt die Windstärke mit der Höhe über dem Erdboden zu. Die innerhalb des Aachener Stadtgebiets durchgeführten Untersuchungen haben ergeben, dass es in Aachen mehrere Flächen gibt, die ausreichende bis sehr gute Voraussetzungen für die Errichtung von Windanalgen bieten.

 

Anlagengröße


© Agentur für Erneuerbare Energien

Heute gibt es Anlagen bis 6  MW (Megawatt) installierter Leistung. Damit könnte man bei starkem Wind 3 000 Wasserkocher gleichzeitig betreiben. 1995 betrug die Maximalleistung noch etwa 500 kW. Die maximale Turmhöhe ist inzwischen auf über 150 m gewachsen. Als Faustregel gilt: jeder zusätzliche Meter an Nabenhöhe bringt 0,5 – 1% zusätzlichen Energie-Ertrag. Um die Windstromerzeugung in Aachen um 50% zu steigern, könnte man entweder fünf weitere Windanlagen errichten, oder aber die Höhe der vorhandenen Anlagen im EuroWindPark durch die Verwendung höherer Türme von 100 m auf 150-160 m vergrößern. Anders gesagt: um dieselbe Windstrommenge zu gewinnen, kann man entweder viele niedrige Anlagen, oder aber (bei sonst gleicher Anlagentechnik) wenige hohe Anlagen bauen. Zur effektiven Nutzung von Ressourcen und zur Minimierung der Beeinträchtigungen von Natur und Anwohnern sind in aller Regel möglichst große Turmhöhen vorteilhaft.
Bei doppeltem Rotordurchmesser vervierfacht sich außerdem die Leistung eines Windrads. Allerdings müssen bei größeren Rotoren auch größere Abstände zwischen den Windanlagen und zur Wohnbebauung eingehalten werden, so dass aus einer vorgegebenen Fläche mit leistungsstärkeren Windanlagen (größere Rotoren) nicht unbedingt mehr Windstrom geerntet werden kann. Ob ein „Repowering“ sich energetisch lohnt, hängt vom Einzelfall ab, insbesondere vom Zuschnitt der Windparkfläche und von der Art der vorhandenen Windanlagen. Beispiel: würde man die 80-kW-Windanlage am Schlangenweg durch eine moderne 3-MW-Anlage ersetzen, so ließe sich auf diesem Einzelstandort die fünfzigfache Strommenge gewinnen. Wollte man dagegen den EuroWindPark am Vetschauer Berg mit Großanlagen von 6 MW repowern, so würde sich die Stromernte sogar verringern, da auf der vorhandenen Fläche nur 1 – 2 dieser Großanlagen errichtet werden können.
Im EuroWindPark sind 4 der 9 Anlagen 1,8 MW Anlagen vom Typ ENERCON E-66 1.8 mit einer Nabenhöhe von 65 m und einem Rotordurchmesser von 70 m, die anderen haben 1,5 MW Leistung.

 

Transport, Montage

Die meisten in Deutschland aufgestellten Windanlagen stammen aus deutscher Fertigung. Die Einzelteile (Turmteile, Maschinenhaus, Rotorblätter) werden dann mit Spezialtransportern zum Aufstellort gebracht und mit Hilfe eines großen Krans aufgebaut und zusammengesetzt. Dies dauert nur wenige Tage.

 

Technik der Anlagen



© Agentur für Erneuerbare Energien
Die Anlagen bestehen aus Fundament, Turm, Maschinenhaus, Rotor, Generator sowie Regelungs- und Schaltelektronik. Bei vielen Anlagen befindet sich zwischen Rotor und Generator ein Getriebe zur Drehzahlerhöhung. Die Windanlagen in Aachen sind allerdings überwiegend getriebelos, der große Ringgenerator dreht mit der gleichen Drehzahl wie der Rotor. Die getriebelosen Anlagen sind am wulstigen Maschinenhaus leicht zu erkennen. Bei tragfähigem Untergrund reicht eine Flachgründung aus. Das Fundament der meisten Anlagen am Vetschauer Berg ist eine flache Scheibe von ca. 2 m Tiefe und 12 m Durchmesser. Der Turm der Anlagen wird meistens als Rohrturm aus Stahl oder Beton ausgeführt, kann aber auch ein Gitterrohrmast sein (siehe Anlage an der AB-Raststätte Aachener Land). Die Flügel des Rotors haben ein Profil wie Flugzeugflügel und sind meistens aus GfK (glasfaserverstärkter Kunststoff) hergestellt. Sie werden durch Drehen am Ansatz (Blattwinkelverstellung) an die verschiedenen Windstärken angepasst. Je größer der Rotor ist, desto langsamer muss er bei gegebener Windgeschwindigkeit drehen, um den optimalen Wirkungsgrad zu erzielen. Die kleine Windanlage am Schlangenweg dreht mehr als doppelt so schnell wie die Anlagen am Vetschauer Berg. Windräder drehen sich, je nach Typ, ab einer Windgeschwindigkeit von 2-5 m/s (Windstärke 2-3), bei Sturm ab Windstärke 10-11 werden sie aus Sicherheitsgründen abgestellt. Dies geschieht bei größeren Windanlagen, indem die einzelnen Blätter des Rotors so gedreht werden, dass sie kaum noch Luftwiderstand bieten („Fahnenstellung“). Der Generator erzeugt eine Spannung von mehreren Hundert Volt, die dann in der Regel durch einen Trafo im Kopf oder am Fuß der Anlage auf 10 bis 110 kV transformiert wird.

 

Netzanbindung

Da die Anlagen meistens nicht direkt in Gebieten größeren Energieverbrauchs liegen, muss normalerweise ein Kabel zur Netzeinbindung bis zum nächsten Umspannwerk des örtlichen Netzbetreibers gebaut werden. Der Eurowindpark ist an das Umspannwerk in der Schurzelter Straße (an der Bahnunterführung) angebunden. Der Netzbetreiber ist verpflichtet, den Strom abzunehmen. Die Vergütungssätze werden nach dem Wikipedia Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) geregelt. Sie betragen im Eurowindpark derzeit ca. 9  Ct/kWh. Soweit durch diese Stromvergütung Zusatzkosten entstehen, werden diese bundesweit auf alle Stromverbraucher umgelegt. Auf ihren Stromabrechnungen geben die Stromversorger gern angebliche EEG-Zusatzkosten an, für 2008 z. B. 1,28 Ct/kWh. Das heißt, für einen durchschnittlichen Haushalt fielen dadurch etwa 3,73€ pro Monat an. Tatsächlich aber senkt die Windstromeinspeisung den Strompreis durch den sogenannten Wikipedia Merit-Order-Effekt. Allein die STAWAG spart dadurch beim Stromeinkauf etwa fünf Millionen Euro pro Jahr. Ob und in welcher Höhe diese Einsparung an die Stromkunden weitergegeben wird, ist aus den Verbrauchsabrechnungen nicht zu entnehmen.  
Manche Netzbetreiber behindern die Netzeinbindung von WEAs, da es für sie lukrativer ist, den selbst erzeugten Strom zu verkaufen.

 

Wartung, Demontage

Die heutigen Anlagen sind in der Regel sehr zuverlässig, so dass in den ersten Jahren mit einer 98%igen technischen Verfügbarkeit gerechnet werden kann; die Anlagen stehen also nur etwa zwei Prozent der Zeit aufgrund technischer Probleme still. Bei Störungen wird automatisch der Wartungsdienst informiert. Die Anlagen sind normalerweise auf eine Lebensdauer von 20 Jahren ausgelegt, wobei aber im zweiten Jahrzehnt mit erheblichen Ausgaben für Reparaturen gerechnet werden muss. Hierfür haben die Betreiber Rückstellungen zu bilden, ebenso wie für den vollständigen Rückbau der Anlagen nach Einstellung des Betriebs. 

 

Offshore-Windanlagen

Windanlagen auf See haben den Vorteil, dass der Wind dort stärker und öfter weht, die Energieausbeute kann um bis zu 40 % höher liegen als an Land. Allerdings ist der technische Aufwand, nicht nur für die Fundamente, erheblich größer und derzeit nur annähernd abzuschätzen. Bisher wurden vor allem in Dänemark und Großbritannien vorwiegend Anlagen im Bereich kleiner Wassertiefe unter 10 m errichtet. Um aus dem ökologisch empfindlichen Wattenmeer herauszukommen, sind in Deutschland viele Anlagen in 20 - 40 m Wassertiefe geplant. Die Anlagen werden weit in der Nordsee stehen (Karte) und von Land aus kaum zu sehen sein. Es sind aufwändige Genehmigungsverfahren erforderlich, der Einfluss der Anlagen auf die Meerestiere und die Vogelwelt ist ebenso zu untersuchen wie die Auswirkung auf bereits vorhandene Nutzungen (Schifffahrt, Kiesabbau, Übungsbetrieb der Bundeswehr u. a.). Aufbau und Wartung sind schwierig, für den Netzanschluss sind Unterwasserkabel zu verlegen. Diese Aufwand lohnt nur für größere Windparks, nicht für Einzelanlagen. In diese Mammutprojekte investieren hauptsächlich die klassischen Großunternehmen der Stromwirtschaft. Deshalb wird der Offshore-Strom etwa doppelt so teuer sein, wie der Strom aus Windanlagen an Land. Man rechnet aber damit, dass Offshore-Anlagen in Zukunft 15 % des Strombedarfs decken können.

 

Erzeugte Energiemengen

In Deutschland lag der Anteil der Erneuerbaren Energien an der Bruttostromerzeugung 2010 bei 16,5 % (1), wobei der Anteil der Windenergie allein etwa 6 % (2) betrug. Bei dieser Zahl ist der Eigenverbrauch der fossilen Kraftwerke noch nicht berücksichtigt. Der Anteil der Erneuerbaren Energien am durch die Kunden verbrauchten Strom liegt deshalb noch etwas höher. Die dadurch erreichte Primärenergieersparnis und damit auch der Anteil der ersparten Kohlendioxidemissionen ist auch größer, da vorwiegend sehr "schmutziger" Steinkohlestrom ersetzt wird. So sparten die Erneurbaren Energien bereits 2005 bei einem 10%igen Anteil an der Stromerzeugung 14% der Kohlendioxidemissionen.


© Agentur für Erneuerbare Energien

 

Erstattungen nach EEG

Die Erstattungen gemäß EEG haben das Ziel, die Kosten für Errichtung und Betrieb einer Windenergieanlagen zu erbringen. Da es beim Bau keine Investitionszulage gibt, sondern die Erstattung pro erzeugter Kilowattstunde Strom erfolgt, ist die erzielbare Strommenge der wichtigste Faktor für die Wirtschaftlichkeit einer Anlage. Diese Strommenge hängt bezogen auf eine bestimmte Anlagengröße vor allem von der Qualität des Standorts, d.h. von der Windhöffigkeit ab. Da es nicht ausreichen würde, nur die besten Standorte (meist in Küstennähe) zu nutzen, macht man die Höhe der Erstattung von der Qualität des Standorts abhängig. Für die ersten 5 Jahre wird zunächst eine erhöhte Erstattung von 8,84ct/kWh (Stand 2013) gezahlt und der Ertrag der Anlage gemessen. Danach vergleicht man diesen Ertrag mit einem Referenzertrag.
Der Referenzertrag ist die Strommenge, die diese spezielle Anlage unter bestimmten genormten Rahmenbedingungen an einem bestimmten genormten Referenzstandort rechnerisch in fünf Betriebsjahren erbracht hätte. Nur wenn der tatsächliche 5-Jahresertrag 150% des Referenzertrags unterschreitet, wird die erhöhte Anfangsvergütung länger gezahlt, und zwar für jede 0,75% Minderung 2 Monate länger. Danach wird bis zum Ablauf der 20 Jahresfrist nur noch die Grundvergütung von 4,8ct/kWh gezahlt.
Ein Beispiel: Eine Anlage erreichte in den ersten 5 Betriebsjahren 120% ihres Referenzertrags. Dies ist eine Minderung von 30%. Demnach wird die erhöhte Anfangsvergütung für

30 / 0,75 x 2 = 80 Monate = 6 Jahre + 8 Monate

länger gezahlt. Die Erstattung wird hier also nach 11 Jahren und 8 Monaten auf die Grundvergütung von 4,8ct/KWh reduziert. Die mittlere Vergütung über 20 Jahre beträgt damit an diesem Standort 7,52 ct/kWh. Grundsätzlich kann damit die mittlere Vergütung je nach Standort zwischen 5,8ct/kWh und 8,8ct/kWh liegen.
Leider lassen sich bei der beschriebenen Berechnungsweise Anlagen mit einem Ertrag kleiner etwa 80% des Referenzertrags nicht mehr wirtschaftlich betreiben, während an sehr guten Standorten hohe Gewinne erzielt werden. Eine Reform der Berechnungsformel könnte bei gleichen Kosten mehr Windanlagen im Binnenland ermöglichen, was auch den erforderlichen Netzausbau reduzieren würde.
Zusätzlich wird für Anlagen, die bis zum 31.5.2015 in Betrieb gehen, für die Zeit der erhöhten Anfangsvergütung ein "Systemdienstleistungsbonus" von 0,47ct/kWh gezahlt. Diese Anlagen müssen bestimmte elektronische Regeleinrichtungen besitzen, die die Netzspannung stabilisieren.
Weitere spezielle Regelungen gelten für das Repowering (Ersatz vorhandener Anlagen durch neue) und für Kleinwindanlagen unter 50kW Leistung.
Die Erstattungssätze werden jedes Jahr für die Neuanlagen abgesenkt, die Entwicklung kann man hier nachlesen.

Für Offshore-Windanlagen gelten erheblich höhere Sätze. Hier wird die Anfangsvergütung von 15ct/KWh für mindestens 12 Jahre gewährt, Genaueres siehe hier.

© WW, www.Aachen-hat-Energie.de