Hintergrund / SH-Exkursion der Uni-Lüneburg
Sandra Dragendorf
Fragestellung: Warum nahm die Nutzung der Windenergie so stark ab?
Die Windenergienutzung hat wie viele andere alternative Technologien eine lange Entwicklungsgeschichte. Die Nutzung erfolgt schon seit einigen Jahrtausenden, z.B. für Segelschiffantrieb und für Windmühlen. In Europa fanden Windräder im 12. bis 16. Jahrhundert Verbreitung. Sie wurden vorwiegend dort eingesetzt, wo es keine Wasserkraft gab, da Windkraftanlagen technisch aufwendiger sind als Wasserkraftanlagen gleicher Leistung. Sie dienten zum Mahlen von Getreide, zum Pumpen von Wasser, zum Sägen von Holz und zum Antrieb handwerklicher Maschinen. In Holland, wo die Mühlenbaukunst ihren Höhepunkt erreichte, wurden große Landstriche mit von Windmühlen angetriebenen Pumpen trockengelegt und somit Land gewonnen. In den USA diente Windkraft jahrzehntelang zur Stromversorgung abgelegener Farmen. Ende des 19. Jahrhunderts gab es in Deutschland noch ca. 20.000 Windmühlen, seit Beginn des 20. Jahrhunderts ging die Zahl rapide zurück. Die Gründe waren schwere Schäden und ein erheblicher und kostspieliger Reparatur- und Wartungsaufwand. Außerdem war die Windenergie oft unberechenbar. Als leichter beherrschbare Energietechnologien, wie Dampfmaschine, Verbrennungs- und Elektromotoren, entwickelt wurden, legte man die meisten Windmühlen still. Fossile Energieträger, vor allem das billige, leicht zu handhabende und immer einsetzbare Erdöl drängte stark in den Energiemarkt. Der Arbeitsrhythmus (Mahlen, wenn Wind da ist) paßte nicht zur neuzeitlichen Trennung und Festlegung von Arbeitszeit und Freizeit. Der zunehmende Energiebedarf der Industrialisierung war von den damaligen Windmühlen nicht zu decken. Im 19. und 20. Jahrhundert wurden die Windmühlen technisch kaum mehr weiterentwickelt. Erst nach der ersten Ölkrise 1973 und der folgenden Preisexplosion setzten weltweit wieder verstärkte Bemühungen um die Förderung und Weiterentwicklung der Windenergie ein.
Fossile Energieträger sind nicht unendlich verfügbar. Diese Erkenntnis und die offensichtlichen Folgen der konventionellen Energienutzung wie Smog in Ballungsgebieten, saurer Regen, Tankerunfälle, die Risiken der Radioaktivität und der globale Temperaturanstieg haben ein neues Nachdenken über regenerative Energiequellen und somit auch über Windenergie ausgelöst. Diese sind wenigstens weitgehend frei von umweltschädlichen Wirkungen.
Windenergie = natürliche Energie der Luftströmung, kinetische Energie bewegter Luft. Windenergie treibt über Rotoren z.B. Pumpen zur Wassergewinnung an, Generatoren zur Stromerzeugung oder Mahlwerke.
Die Rauhigkeit der Erdoberfläche verdrängt besonders die großen Windgeschwindigkeiten in höhere Lagen, demzufolge nimmt das natürliche Windangebot mit der Höhe zu und ist räumlich stark unterschiedlich. Die vorherrschende Windrichtung bei uns ist SW bis W. Die Windgeschwindigkeiten betragen im Jahresmittel 1m/sec (Oberstdorf ) bis 7,4m/sec (Hallig Hooge). Die mittleren Windgeschwindigkeiten über dem Meer sind mit 9 bis 10 m/sec relativ hoch, während sie über dem Land mit fortschreitendem Abstand vom Meer abnehmen.
Im tieferen Binnenland weisen nur noch einzelne hochgelegene Orte gute mittlere Windgeschwindig-keiten von 5 bis 6m/sec auf. Das zeitliche Spektrum zeigt kurz- und mittelfristige Fluktuationen; allg. Höhepunkte im November, Spätwinter und Frühling; Flauten in den Sommermonaten sowie im Januar.
Zone 1: Windgeschwindigkeit an mindestens 50% aller Jahresstunden 5m/sec und größer: Küstenregionen Schleswig-Holsteins und des nördlichen Niedersachens und Höhenlagen einiger Mittelgebirge und Gipfelregionen der Alpen; günstig für Nutzung
Zone 2: mittlere Windgeschwindigkeiten von 3,3 - 5,7m/sec: weite Teile der norddeutschen Tiefebene, Niederrhein, Mittelgebirgsraum, Bayrischer Wald und Voralpen; bedingt geeignet
Zone 3: Windgeschwindigkeit Durchschnittlich unter 3,3m/sec und Zahl der Flautenstunden über 20%: restliche Gebiete; ungünstig
Innerhalb von Deutschland sind die Anlagen recht ungleichmäßig verteilt. Allein in Schleswig-Holstein steht fast die Hälfte der Windräder. Niedersachsen folgt auf dem zweiten Platz. Zusammen stellen die beiden Küstenländer 3/4 der in Deutschland installierten Leistung. Hintergrund dieser Konzentration am Meer ist ein physikalisches Gesetz.
Die Leistung des Windes steigt mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit:
Bsp.: Windgeschwindigkeit von 3 m/s auf 6 m/s, d.h.Verdopplung der Windgeschwindigkeit bedeutet Verachtfachung der Leistung
Windräder lohnen sich daher vor allem an Stellen, an denen es am stärksten bläst, d.h. das Windangebot des Standortes ist die wichtigste Voraussetzung für eine hohe Energie-Produktion von Windkraftanlagen. Solche Orte finden wir bei uns vor allem an der Küste, daher drängen sich dort die Windräder. An Schleswig-Holsteins Küsten betragen die Windgeschwindigkeiten teilweise immer noch 7 oder sogar 7,5m/sec. An mindestens 50% der Jahresstunden beträgt sie 5m/sec und mehr. Das Windangebot ist demnach sehr gut und das Land das "Windland Nr.1".
Die Anstömung zur Anlage sollte zumindest aus den Hauptwindrichtungen frei sein, da Bäume, Gebäude, Knicks etc. Turbulenzen verursachen, die auch mehrere 100 m später negativ auf die Anlage wirken können. Deshalb befinden sich die meisten Anlagen mit gutem Grund sogar mitten im Watt, denn hier ist die Oberflächenrauhigkeit sehr gering. Es herrschen dort Windgeschwindigkeiten von durchschnittlich 21 km/h vor. Gleich hinter dem Deich sinken sie auf 18 km/h, und in der hohen Geest haben Büsche und Bäume den Wind auf 14 km/h reduziert. Für die Leistung eines Windrades bedeutet das, daß sie im Watt dreimal so hoch ist wie wenige Kilometer weiter auf der Geest.
Diese sind wohl die üblichsten und am weitesten entwickelten Windenergiekonverter.
4.1.1 Langsamläufer
Windräder mit vielen Schaufeln (Amerikanische Windmühle) drehen schon bei schwachen Winden an, aber erreichen bei starkem Wind keine sehr große Geschwindigkeit. Hier wirkt vor dem Andrehen an jeder Schaufel die Auftriebskraft und übt ein Drehmoment auf das Windrad aus. Alle diese Drehmomente addieren sich und ermöglichen ein leichtes Andrehen des Rades. Zunächst steigt die Geschwindigkeit, aber wenn die Schaufeln so schnell geworden sind, daß sie in die abgebremste Luft der vorangehenden Schaufel eintauchen, ist die größte Geschwindigkeit erreicht.
4.1.2 Schnelläufer
Bei zweiflügeligen Windrädern wird das erst bei viel höheren Geschwindigkeiten erreicht, darum kann ihre Geschwindigkeit stärker zunehmen. Windräder mit 1-3 Flügeln drehen erst bei höheren Geschwindigkeiten an, weil nur an wenigen Flügeln Kräfte ausgeübt werden, die zusammen nur ein kleines Drehmoment ergeben. Einer der ältesten Schnelläufer ist die Windmühle der Holländer.
Für die Stromgewinnung benötigt man meist hohe Drehzahlen, für den Antrieb von Wasserpumpen genügen Windräder mit niedrigeren Drehzahlen.
4.1.3 Aufstellung und Betrieb
Windräder benötigen eine Wind-Mindestgeschwindigkeit, um die Windenergie nutzen zu können. Bei Schnelläufern ist diese Mindestgeschwindigkeit 4-5 m/sec, bei der Amerikanischen Windmühle liegt sie darunter.
Diese sind unabhängig von der Windrichtung.
4.2.1 Der Savoniusrotor
Er ist ein Langsamläufer, der für kleinere Leistungen ein echtes Billiggerät ist. Er besteht im wesentlichen aus zwei Halbzylinderflächen, die so gegeneinander versetzt sind, das sich in der Draufsicht fast eine S-Form ergibt. Zwischen ihnen bleibt ein schmaler Luftspalt frei. Die senkrecht zum Wind stehenden Flächen lassen zunächst eine Windenergienutzung nach dem Widerstandsprinzip vermuten. Durch die geschwungenen Flächen ergibt sich jedoch eine komplizierte Zirkularströmung.
4.2.2 Der Darrieusrotor
Zwei oder mehrere schmale Flügel, die an beiden Enden an einer vertikalen Achse befestigt sind.
Für die Nutzung entscheidend ist hier nur die Größe des real nutzbaren Potentials, nicht des gesamten Windenergieangebotes, da die energiereicheren Höhenwinde technisch nicht genutzt werden können. Das Potential beschränkt sich also auf die bodennahen Winde, die schätzungsweise nur 3 % der gesamten Windleistung ausmachen. Das Windenergieangebot verläuft im Jahresgang in etwa synchron zur Energienachfrage.
Aber auch auf einzelne Witterungsabläufe bezogen liegt eine Parallelität von Angebot und Nachfrage vor: Mit zunehmender Windgeschwindigkeit in der kalten Jahreszeit steigt der Heizenergiebedarf von Gebäuden. In dem Maße wie die Windenergie zu Zeiten des Spitzenverbrauchs zur Verfügung steht, hat sie auch besonderen Nutzen.
Eine Windkraftanlage entnimmt der strömenden Luft einen Teil der enthaltenden kinetischen Energie (Bewegungsenergie) und wandelt diese in Rotationsenergie um. Mit dieser Rotationsenergie, die an der Windradwelle als Drehbewegung zur Verfügung steht, lassen sich unterschiedliche Maschinen betreiben. Für den Bau moderner WKA zur Stromerzeugung, haben sich vor allem Windräder mit horizontaler Achse durchgesetzt, und zwar die sogenannten Schnelläufer mit 1-3 Flügeln.
Windräder erzeugen mit ihren Generatoren Strom ohne den verlustreichen Umweg über Wärme und Dampf, wie er in den herkömmlichen Kohle-, Öl-, Gas- oder Kernkraftwerken üblich ist. Im Wind ist die Sonnenenergie bereits in mechanische umgewandelt, so daß die weitere Umwandlung in elektrische Energie sehr effizient vonstatten gehen kann. Die Stromerzeugung erfolgt ohne Belastung der Umwelt mit Schadstoffen, Abwärme oder Radioaktivität, und ohne den Verbrauch fossiler Rohstoffe.
In den 80er Jahren wurden weltweit Windkraftanlagen mit einer Leistung von ca. 1.660 Megawatt installiert. Davon allein 85% in Kalifornien. Deutschland ist zu dieser Zeit mit 25 MW noch in den Anfängen.
1983: wird im Kaiser-Wilhelm-Koog die große Windenergieanlage GROWIAN in Betrieb genommen. Es ist ein Versuch in Riesenschritten von 0 in den Megawatt (3MW) einzusteigen. Mit dieser Anlage gelangt das Thema Windenergie erstmals ins Bewußtsein der breiten Öffentlichkeit.
1987: geht der erste Windpark Deutschlands, der von der Schleswag AG betrieben wird, im Kaiser-Wilhelm-Koog mit 1MW Leistung in Betrieb. 1993 sind es 36 Anlagen von sieben Herstellern.
1989: liegt der Anteil der Windenergie am gesamten Stromverbrauch Schleswig-Holsteins noch unter 0,04%; 1993 bei 1,5% und bis 2010 soll er auf 20% gesteigert werden.
1991: entsteht im Friedrich-Wilhelm-Lübke-Koog der `Nordfriesland Windpark` mit 50 Anlagen und 12,5 MW leistung. Er liefert Strom für 10.000 Haushalte.
Mitte 1993: sind über 500 WKAs in Betrieb, seitdem verdoppelt sich jedes Jahr die Leistung der in Deutschland installierten Windkraftwerke.
Seit 1988: hat sich die Zahl der WKAs fast versiebenfacht, und die Leistung stieg um das über Dreißigfache.
Ende 1994: überrundete die Bundesrepublik mit 643 Megawatt Leistung den bisherigen Europameister Dänemark (539 MW).
Diese beiden Länder zusammen beheimaten zwei Drittel der in der EU gebauten Anlagen. Sie werden weltweit nur von der USA mit 1.719 MW übertroffen. Der Energieversorger Schleswig-Holsteins ´Schleswag` produziert knapp 5 % seiner Elektrizität mit Hilfe des Windes. Neuartige Energieformen brauchen gewöhnlich Jahrzehnte bis sie sich am Markt durchsetzen (s. Abb.81). Derzeit (1993) tragen die erneuerbaren Quellen nur mit 1,9% zum Endenergieaufkommen bei.
6.1.1 Das Raumordnungsverfahren(ROV)
ROV für Windenergieanlagen von mehr als 3 Einzelanlagen und einer Leistung größer 300 kW und zwar noch vor dem immissionsschutzrechtlichen Verfahren. Bis einschließlich 1989 wurden ca. 10 ROV durchgeführt, 1990 sind es 16.
6.1.2 Die Regionalpläne
Ausweisung von Sicherungsgebieten für Windenergiefarmen in den Regionalplänen nach folgenden Kriterien:
Die förmliche Ausführung der Regionalpläne erfolgte jedoch bis 1991 noch nicht, da kaum größere Parks geplant wurden, sondern verstärkt Einzelanlagen. Die Ausweisung der über 20 ha großen Flächen ist vorerst unnötig. Jedoch ergeben Anlagen auf mehreren benachbarten Grundstücken windparkähnliche, aber nicht geplante Verhältnisse. Die Kreise beginnen mit eigenen landschaftspflegerischen Überlegungen zur Abgrenzung von Gebieten für oder ohne Windenergieanlagen.
Seit 1991 ist Windenergie rentabel: Der Grund hierfür ist das "Stromeinspeisungsgesetz", das am 01.01.1991 in Kraft tritt. Es verpflichtet E-Werke, elektrischen Strom von privaten Windkraftanlagen zu kaufen und das zu einem guten Preis: 16,5 Pfennig pro Kilowattstunde vom örtlichen Elektrizitätswerk. In den ersten Monaten des Jahres 1991 wurden 150 Anträge auf ROV gestellt, die von nun an nicht mehr allein von der Landesplanung genehmigt werden konnten. Die Gemeinden sollten Flächen für Windenergieanlagen durch die Bauleitplanung ausweisen.
An die Stelle des ROV treten im Einzelfall landesplanerische Überprüfungen der Flächenausweisung und die Abstimmung mit allen beteiligten Trägern öffentlicher Belange. In den Flächennutzungsplänen sollen Flächen für Windenergieanlagen ausgewiesen werden, um einer ungeordneten und nicht steuerbaren Entwicklung zu entgehen, die die Natur, das Landschafts- und Ortsbild sonst belasten würde.
Ein Grundproblem stellte die Stromeinspeisung ins öffentliche Wechselstromnetz dar, dessen Spannung ständig die Polarität wechselt; die Frequenz beträgt 50 Hertz. Windgeneratoren liefern zwar ebenfalls Wechselspannung, aber sie hat oft nicht die richtige Frequenz. Die deutsche Firma Enercon hat eine Lösung mittels Elektronik gefunden. Die Wechselspannung des Generators wird in Gleichspannung umgewandelt, anschließend elektronisch in Wechselspannung von konst. 50 Hertz verwandelt.
Die Planung technischer Anlagen stößt immer auf Widerstand und löst Kritik aus, das trifft oft auch auf die Windkraft zu.
Landschaftsästhetik: Argument der Landschaftsverschandelung, "Vision einer Küstenlandschaft, die einem Wald von Betonspargel mit Rotoren an der Spitze gleichkommt", wird gepflegt (UmweltMagazin 4/93, S. 20). Aber: Einer Umfrage des "Institutes für Raum und Energie, Institut für Wirtschafts-, Regional- und Energieberatung GmbH" zufolge passen die Anlagen in die norddeutsche Küstenlandschaft. Sie werden sogar als Markenzeichen für eine umweltbewußte Entwicklung gesehen und gelten unter Urlaubern als gewisse Attraktion. Mit ihnen sind fast nur positive Assoziationen verknüpft.
Lärmbelästigung: Im allgemeinen übertreffen bei stärkerem Wind die reinen Windgeräusche in Wohngebieten mit normaler Bausubstanz und Bepflanzung die zulässigen Lärmwerte bei weitem, auch wenn dort keine Winkraftanlagen stehen. Das zusätzliche Geräusch führt zu keinem oder nur gering höherem Schallpegel.
Stromversorgung mit Windrädern zu unsicher, manchmal bläst genug Wind, manchmal nicht
Aber: Durch Ankopplung an das öffentliche Netz ist das Problem zu lösen. Oder durch einen Verbundbetrieb vieler in einem größeren Bereich aufgestellter Windräder wird die Windstille in einzelnen Gebieten ausgeglichen.
Natur- und Umweltschützer sehen immer häufiger eine Bedrohung für die Tier- und Pflanzenwelt: Gutachten der NNA (vom Bundesforschungsministerium beauftragt) zeigt, das die Wasserlinie Millionen von Zugvögeln als Orientierungshilfe dient: Empfehlung, die Windräder erst 500 m hinter dem Deich aufzustellen.
GEO, 3/93, S.60f. Wege aus der Krise.
Grauthoff, M./Kuttler, W.: Windenergie in der Bundesrepublik Deutschland. GR 40, 1988, S. 14-22.
Kleemann, M./Meliß, M.: Regenerative Energiequellen. Heidelberg 1988.
Knauer, R.: Energie aus dem Flügelschlag der Windmühlen. Aller-Zeitung, 9.5.95.
Kreß/Mikelskis/Müller-Arnke/Reichenbacher: Energie. Regenerative Energiequellen und alternative Energietechnologien. Frankfurt am Main. 1984, S. 105-123.
Minister für Finanzen und Energie d. Landes Schl.-Holst.: Windkraft. Die neue Energiepolitik 1. Kiel 1993.
Minister f. Natur, Umwelt und Landesentwicklung des Landes Schleswig-Holstein: Raumordnungsbericht 1991. Landesplanung in Schleswig-Holstein 23. Kiel 1992. S. 97- 102.
Oberholz, A.: "Betonspargel" im Gegenwind? Trotz Windkraft-Boom kein Verzicht auf konventionelle Anlagen. UmweltMagazin, 4/93, S. 120-122.
Weinberg, C./Williams, R.: Energie aus regenerativen Quellen. Spektrum der Wissenschaft, 9/90, S. 158-166.