Zum Hauptinhalt springen 
Strom aus Windernergie gewinnen (Bild: pixabay.com)
Regenerative/Alternative Energien | Windkraftanlagen

Strom aus Windenergie

Teil 1: Potential, Topographie und die treibende Kraft des Rotors

15.11.2018

Der Ausbau der Windenergienutzung wird bald nicht mehr durch eine feste Einspeisevergütung gefördert. Stattdessen sollen Ausschreibungen die Höhe der Vergütung ermitteln – und möglichst senken. Es kommt also mehr denn je darauf an, die technischen Möglichkeiten optimal auszunutzen und Windturbinen mit möglichst hohem Wirkungsgrad an den verfügbaren Standorten zu errichten.

Seiten

Die Sonne spendet uns fast alle Energie, die uns für die Nutzung zur Verfügung steht. Das gilt auch für die Windenergie, denn die unterschiedliche Erwärmung der Erdoberfläche durch die Einstrahlung der Sonne hat eine unterschiedliche Erwärmung der Erdatmosphäre zur Folge. Dadurch entstehen regionale Dichte- und Druckunterschiede, die in fluktuierenden Luftströmungen ihren Ausgleich suchen. In den unteren Luftschichten werden die großräumigen Strömungen durch Bodenreibung und Bodenrauigkeit immer wieder durch kleinere turbulente Windfelder überlagert. Im Mittel nimmt die Windgeschwindigkeit von oben nach unten ab und wird direkt am Boden zu Null.

Troposphäre in Bewegung

Für die Nutzung der Windenergie werden deshalb Standorte mit geringer Bodenrauigkeit bevorzugt, also auf dem Meer oder unmittelbar an einer flachen Küste, außerdem ausgedehnte, kahle Ebenen im Flachland. Laminar überströmte, flache Hügel und Bergkuppen sind ebenfalls gut geeignet ebenso wie Gebirgspässe, in denen sich die durchströmende Luft aufgrund der Verengung beschleunigt. In dicht besiedelten Gegenden, insbesondere in Städten, sowie im Hochgebirge ist die Bodenrauigkeit so groß, dass man fast nur stark abgebremste, turbulente Windströmungen vorfindet, die sich für eine wirtschaftliche Nutzung kaum eignen. Standorte, die wegen ihrer Ergiebigkeit berühmt sind, findet man zum Beispiel in der Passatzone, also etwa an der marokkanischen Atlantikküste, oder in den kalifornischen Gebirgspässen. Dort weht der Wind fast immer laminar und stetig, sodass die Windenergie nahezu ununterbrochen Strom liefern kann. Die gesamte Troposphäre ist in Bewegung. Sie ist im Mittel etwa 11 km mächtig. Für den Menschen nutzbar ist nach heutigem Stand der Technik aber nur die Energie der untersten Luftschicht bis in etwa 300 m Höhe. Zur bevorstehenden Windenergiemesse Husum Wind wird eine Windturbine angekündigt, die auf einem 164 m hohen Turm stehen und einen Rotor mit 149 m Durchmesser tragen wird. Die Blattspitze dieser Anlage reicht also bis in knapp 240 m Höhe. Noch größere Windturbinen sind sicherlich realisierbar und werden auch angestrebt, weil die mittlere Windgeschwindigkeit mit der Höhe zunimmt und die Turbulenz abnimmt. Weil aber die Kosten mit wachsender Höhe überproportional steigen, kommt man voraussichtlich schon bald in eine Region, in der die Kosten schneller steigen als der zu erwartende Ertrag. Interessante Vorschläge für die Nutzung der Windenergie bis in 1 000 m Höhe haben bereits zu Modellversuchen geführt. Man könnte zum Beispiel Mini-Windturbinen, die an einem senkrechten Drahtseil wie Perlen an einer Schnur aufgereiht sind, durch einen Zeppelin in große Höhen tragen. Diese Technologien befinden sich aber noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Ob sie jemals wirtschaftlich realisiert werden, ist ungewiss.

Potential der Windenergie

Die Grenzen der Windenergienutzung sind nicht nur durch die Höhe gegeben, sondern auch durch den Mindestabstand der Windturbinen eines Windparks. Stand der Technik sind zurzeit Anlagen mit 4 MW Leistung, die etwa 1 000 m Abstand voneinander brauchen, weil sich hinter den Rotoren lange Wirbelschleppen bilden. Das bedeutet, dass man dem Wind pro Quadratkilometer maximal 4 MW Leistung entziehen kann. Voraussichtlich werden durch technische Weiterentwicklung in absehbarer Zeit auch 5 MW möglich sein. Wenn man 10 % der Fläche Deutschlands für die Windenergienutzung reservieren würde, könnte man 175 GW Leistung installieren und daraus eine jährliche Strommenge von etwa 400 TWh gewinnen, das entspricht rund zwei Dritteln des Bedarfs. Auf dem Meer sind 9-MW-Windturbinen Stand der Technik, aber die Abstände sind noch größer. Ein 1 200-MW-Windpark benötigt eine Fläche von 400 km2, liefert also nur 3 MW/km2.


Seiten