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

Heute gibt es Anlagen bis 8 MW (Megawatt) installierter Leistung. Damit könnte man bei starkem Wind 4 000 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.


© Agentur für Erneuerbare Energien

 

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.


© Bundesverband Wind-Energie

 

Technik der Anlagen

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. 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.


© Agentur für Erneuerbare Energien

 

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.  
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, werden in Deutschland viele Anlagen in 20 - 40 m Wassertiefe gebaut. Die Anlagen stehen weit in der Nordsee (Karte) und sind von Land aus kaum zu sehen. 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 ist der Offshore-Strom etwa doppelt so teuer, wie der Strom aus Windanlagen an Land. Man rechnet aber damit, dass Offshore-Anlagen in Zukunft 15 % des Strombedarfs decken können.

 

Erzeugte Energiemengen

Im Folgenden sind die Anteile der Bruttostromerzeugung dargestellt, sind beinhaltet den Eigenstromverbrauch der Kraftwerke und die Eigenstromerzeugung der Industrie. Sie enthält auch die Stromexporte in andere Länder. (Details hier)
© Tkarcher, Wikimedia Commons, lizenziert unter GNU-Lizenz für freie Dokumentation

 

Erstattungen für Anlagenbetreiber

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.

Seit 2017 gibt es keine feste Erstattung pro Kilowattstunde mehr, dieses ist nur noch bei kleinen PV-Anlagen vorgesehen. Statt dessen gibt es ein staatliches Ausschreibungsverfahren, im Jahr 2020 wurden z.B. Anlagen mit einer Gesamtleistung von 2900MW ausgeschrieben. Zur Teilnahme an den Ausschreibungen muss eine fertig genehmigte Planung für einen Windpark vorgelegt werden, die Kosten dafür sind vorzufinanzieren. In der Ausschreibung ist der gewünschte Preis pro KWh ("anzulegender Preis")anzugeben. Die günstigsten Anbieter erhalten den Zuschlag, der Preis ist für 20 Jahre fest. Der gewünschte Preis bezieht sich immer auf eine Referenzanlage an einem Standort definierter Güte. Für bessere/ schlechtere Standorte gibt es fest vorgegebene Abschläge/ Zuschläge.

Andererseits müssen heute alle Windparkbetreiber ihren Strom an der Strombörse verkaufen, womit in der Regel ein zwischengeschalteter Direktvermarkter (z.B. Quadra) beauftragt wird. Der Börsenpreis ist je nach Tag, Uhrzeit, Nachfrage, Angebot von PV- und Windstrom stark schwankend, siehe z.B. hier.

Der Windparkbetreiber erhält dann vom Direktvermarkter den Börsenpreis und vom Netzbetreiber die Differenz zwischen dem in der Ausschreibung ermittelten anzulegenden Preis und dem Monatsmittelwert des Börsenpreises. Wenn der Händler geschickt handelt und die Anlagen geschickt regelt (z. B. bei negativem Börsenpreis abschaltet) kann in der Summe einige Zehntel Cent mehr als der "anzulegende Preis erlöst werden.

Inzwischen gibt es auch sogenannte "technologieneutrale" Ausschreibungen, bei denen Windparks mit Freiflächen-PV-Anlagen konkurrieren. Hier haben zuletzt nur PV-Anlagen gewonnen, da sie geringeren Preisen anbieten können.

In den letzten Jahren fanden sich bei den Ausschreibungen für Windenergieanlagen mehrfach nicht genug Anbieter. Das Problem ist, dass es bei Projekten viele Einsprüche durch Anwohner aus naturschutzrechtlichen Belangen gibt. Rechtsstreitigkeiten können hier Jahre dauern, oder sogar einen bereits genehmigten Windpark beeinträchtigen. Solche Unsicherheiten erhöhen auch die Finanzierungskosten. Vielfach werden von den Behörden Betriebsbeschränkungen (z.B. schallreduzierter Nachtbetrieb) ausgesprochen, die zu Ertragseinbußen führen oder ein Konzept unwirtschaftlich machen.

Nur gut geplante Windparks mit geringen Nebenkosten können unter diesen Randbedingungen mit Gewinn betrieben werden. Ein erheblicher Anteil der Windparks erfüllt diese Bedingungen nicht.

Genaueres hier über:

 

 

Kosten für Strombezieher

Soweit durch die Stromvergütung der Anlagenbetreiber Zusatzkosten gegenüber den Vermarktungseinkünften an der Strombörse EEX entstehen, werden diese bundesweit auf alle Stromverbraucher umgelegt. Dieses wird ebenso nach dem Wikipedia Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) geregelt. Auf ihren Stromabrechnungen geben die Stromversorger gern die EEG-Umlage an, für 2019 z. B. 6,405 Ct/kWh. Das heißt, für einen durchschnittlichen Haushalt fielen dadurch etwa 20€ pro Monat an. Die EEG-Umlage wird jährlich neu berechnet. Die Einnahmen werden aber auch zur Entlastung oder Befreiung vieler Industriezweige von den Zusatzkosten verwendet. Weiterhin senkt die Windstromeinspeisung den Strompreis an der Strombörse durch den sogenannten Wikipedia Merit-Order-Effekt. Allein die STAWAG spart dadurch beim Stromeinkauf mehrere Millionen Euro pro Jahr. Ob und in welcher Höhe diese Einsparung an die Stromkunden weitergegeben wird, ist aus den Verbrauchsabrechnungen nicht zu entnehmen. Die Zusatzkosten sind also geringer, als es die EEG-Umlage suggeriert.

 

© WW, www.Aachen-hat-Energie.de , 4/2020