Windkraftanlagen: Größer, höher, leistungsfähiger
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Erschienen im Mittelhessen-Bote am Mittwoch, 30. Januar 2013
In der vergangenen Ausgabe wurde allgemein über die Bedeutung und Erzeugung von Strom in Deutschland aus fossilen und regenerativen Quellen berichtet. Diese Ausgabe beschäftigt sich mit der Entwicklung der Technik von Windkraftanlagen (WKA).
Schon im Altertum wusste man die Windkraft als Energiequelle und Antriebskraft einzusetzen. Ein wirklicher Aufschwung ihrer Nutzung zur Stromerzeugung hat in Deutschland erst mit dem Stromeinspeisungsgesetz von 1991 richtig begonnen und setzte sich mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz fort. Diese politischen Rahmenbedingungen trugen zu einem rasanten Aufstieg seit den 90er Jahren bei.
Was bestimmt die Leistung einer Windkraftanlage?
Grundsätzlich bestimmen der Rotordurchmesser und die Windgeschwindigkeit die Leistung einer WKA. Der Rotordurchmesser gibt die Fläche und damit den Anteil des Windes vor, der zur Umwandlung der Windenergie in elektrische Energie genutzt werden kann. Bei doppeltem Rotordurchmesser ergibt sich bereits die vierfache Fläche. Die Energie des Windes hängt stark von der Windgeschwindigkeit ab. Sie steigt mit der dritten Potenz, das heißt, bei doppelter Windgeschwindigkeit steht bereits die achtfache Energie zur Umwandlung in Strom zur Verfügung. Generell nimmt die Windgeschwindigkeit mit der Höhe über dem Grund zu. Das liegt auch daran, dass störende Verwirbelungen und der Einfluss durch die Rauigkeit der Oberfläche – insbesondere über Wald – mit der Höhe abnehmen. Dies führt in der Summe zu immer größeren Rotordurchmessern und höheren Anlagen.
Entwicklung der Anlagengröße
1990, zu Beginn des Ausbaus der Windkraft in Deutschland, hatten die WKA im Schnitt eine Nabenhöhe von etwa 30 Metern, die bis heute stufenweise auf über 140 Meter gewachsen ist. Die Rotordurchmesser sind ebenfalls beträchtlich gewachsen, von etwa 20 Meter im Jahr 1990 auf aktuell über 120 Meter. Insbesondere im Binnenland und über Wald führt dies heute zu üblichen Anlagengrößen von bis zu 200 Metern Höhe, die damit die Höhe des Maintower in Frankfurt erreichen. Ursprünglich waren diese großen Anlagen für den Off-Shore-Ausbau, das heißt für die Nutzung auf dem Meer, gedacht. Verzögerungen beim Netzanschluss dieser Anlagen führten zusammen mit den anspruchsvollen Zielen bei Umsetzung der Energiewende dazu, diese Anlagen auch an Land zu installieren. Mit der Anlagengröße ist auch die Nennleistung von anfänglich unter 500 Kilowatt auf aktuell über 3 000 Kilowatt angestiegen. Diese Nennleistung wird allerdings erst bei sehr hoher Windgeschwindigkeit erreicht, die an Standorten im Binnenland so gut wie nie auftritt. Dies führt wiederum dazu, dass eine WKA nur etwa 20 bis 30 Prozent der theoretisch möglichen Stromausbeute erreicht. Eine 3-Megawatt-Anlage erreicht an den in Hessen üblichen Standorten nur etwa 5 bis 6 Millionen Kilowattstunden pro Jahr anstelle der theoretisch möglichen 26,5 Millionen Kilowattstunden pro Jahr. Dadurch müssen an Binnenstandorten wesentlich mehr Anlagen aufgestellt werden, um den gleichen Stromertrag zu erzielen wie an guten Standorten an der Küste beziehungsweise off-shore.
Künftige Entwicklungen
Der Trend zu immer höheren Anlagen mit immer größeren Rotordurchmessern wird sich weiter fortsetzen, da diese Anlagen auch in den Schwachwindgebieten des Binnenlandes eher einen wirtschaftlichen Betrieb ermöglichen. Hier kommt auch der Aspekt des „Repowering“ von Standorten ins Spiel. Darunter versteht man den Abriss älterer und kleinerer Anlagen und deren Ersatz durch größere und leistungsstärkere WKA. Problematisch kann dabei sein, dass die bestehenden Genehmigungen die Anlagenhöhe nicht einschränken und damit in Zukunft bei Repowering-Maßnahmen auch unverhältnismäßig hohe Anlagen an diesen Standorten errichtet werden können. Die Abstände zu Wohnorten würden sich dabei nicht verändern.