Die Windenergie ist eine Möglichkeit, alternativ zu herkömmlichen Energien Strom zu erzeugen. Neben der Windenergie zählen auch die Solarenergie, die Wasserkraft, die Bioenergie, die Geothermie sowie die Kraft der Gezeiten zu den sogenannten Erneuerbaren Energien. Strom kann, alternativ zu fossilen Energien (Erdöl, Erdgas, Braunkohle, Steinkohle und Torf sowie die nuklearen Brennstoffe Uran und Plutonium), unter anderem mit folgenden Anlagen produziert werden: Fotovoltaikanlagen und Solarchemie (Solarenergie), Windkraftanlagen und Windmühlen (Windenergie an Land), Segelschiffe und Offshoreparks (Windenergie auf See), Staudämme und Osmosekraftwerke (Wasserkraft), Biogas- und Biowasserstoffanlagen (Bioenergie), Erdwärme (Geothermie) sowie Gezeitenkraftwerke (Gezeiten- und Wellenkraft).
Gründe für den Umstieg auf Erneuerbare Energien
Die Gründe für den Umstieg von fossiler auf regenerative Energie sind vielfältig. Die Nutzung der fossilen Energieträger setzt große Mengen CO2 (Kohlenstoffdioxid) frei. Der durch den Verbrauch von Kohle, Erdöl und Co. verursachte Treibhauseffekt kann durch den Energieumstieg deutlich gebremst werden. Die fossilen und nuklearen Brennstoffe sind zudem nicht unerschöpflich. Die Rohstoffknappheit ist heute schon deutlich zu spüren und wird innerhalb der kommenden Jahrzehnte aufgrund des steigenden Weltenergiebedarfs ein dringlicher Grund für das Ausweichen auf erneuerbare Energien sein. Durch die Nutzung erneuerbarer Energien in Deutschland kann zudem die Importabhängigkeit reduziert und die Versorgungssicherheit erhöht werden. Ein weiterer Grund ist das kräftigere Wirtschaftswachstum, welches das Deutsche Institut für Wirtschaftsforschung (DIW) für den Ausbau der regenerativen Energien belegt hat sowie die steigende Anzahl der benötigten Arbeitskräfte, was ein deutlicher Zugewinn für den Arbeitsmarkt bedeuten würde.
Was ist Onshore Windkraft?
Windkraftanlagen können auf See, mit großer Distanz zur Küste (offshore), direkt an der Küste (nearshore) oder an Land (onshore) gebaut werden. Ab drei Windanlagen spricht man von einem Windpark. Windparks können, auf See, an der Küste oder an Land, mehrere Hundert Windenergieanlagen umfassen. Windenergieanlagen nutzen den Rohstoff Wind, indem der Rotor die Bewegungsenergie des Windes in mechanische Rotationsenergie umformt. Ein hinter dem Rotor befindlicher Generator wandelt die Rotationsenergie dann in elektrische Energie um. Wind ist als Energieträger unbegrenzt verfügbar, kostenlos und hat zudem den großen klimaschutztechnischen Vorteil, dass Windenergieanlagen den niedrigsten CO2-Ausstoß unter den Erneuerbaren Energien vorweisen können. In der Energiewende spielt die Nutzung der Windenergie eine tragende Rolle. Windenergie leistet heute, nach einer raschen Entwicklung in den vergangenen Jahren, einen entscheidenden Beitrag zur Stromversorgung in Deutschland.
Wo liegt der Unterschied zwischen Offshore und Onshore Windkraft?
Zur Gewinnung von Windenergie gibt es zwei verschiedene Märkte: die Offshore und die Onshore Windkraft. Während die Onshore Windkraft bereits seit einigen Jahrzehnten in Deutschland kommerziell genutzt wird, gibt es in der Nordsee erst seit 2009 den ersten Offshorewindpark, der die Windkraft auf See in Energie umsetzt. Generell lässt sich sagen, dass die Windkraftanlagen im Binnenland niedrigere Investitionskosten verursachen, dafür aber auch weniger Strom produzieren und größeren Schwankungen bezüglich des Stromertrages unterliegen. Die Offshoreanlagen bringen höhere Investitionskosten, jedoch auch einen höheren und beständigeren Stromertrag.
Technische Herausforderungen bei Onshore Windkraft
Innerhalb Deutschlands ist die intensive Nutzung der Onshore Windkraft mit einigen technischen Herausforderungen verbunden:
geringe Prognostizierbarkeit
Windkraftanlagen sind in hohem Maße vom Wetter abhängig. Wie auch bei der Solarenergie, die abhängig von der, am besten wolkenfreien, Sonneneinstrahlung ist, müssen die Windräder kontinuierlich vom Wind angetrieben werden, um eine optimale Auslastung zu erreichen. Der Wind weht jedoch nicht immer beziehungsweise nicht immer kräftig genug, um die Rotorblätter in eine Drehbewegung zu versetzen. Neben der Unregelmäßigkeit des Windes ist die Ressource Wind nicht ausreichend planbar.
Ausgleich von Energieengpässen durch Schattenkraftwerke
Zudem ist die Energie des Windes, vor allem auf dem Land, nur begrenzt nutzbar. Bei hohen Flautestunden ist es unerlässlich, dass die benötigte Energiemenge über herkömmliche Kraftwerke ausgeglichen wird. Für die Sicherung des Strombedarfs auf diese Art werden beispielsweise Gasturbinen und mit Wasserkraft angetriebene Pumpspeicherwerke eingesetzt. Diese sogenannten „Schattenkraftwerke“ arbeiten mit reduzierter Leistung und müssen bei auftretenden Energieengpässen sehr schnell an den Bedarf angepasst werden können. Sie müssen also gewährleisten, dass bei Abflauen des Windes oder gar einsetzender Windstille kurzfristig ausreichend Strom produziert werden kann. Lebt der Wind wieder auf, muss umgekehrt eine schnelle Reduzierung der Stromproduktion möglich sein, um Überproduktionen zu vermeiden. Diese Schattenkraftwerke sind jedoch meist ineffizient sagt Rolf Hinrichs, das heißt, dass sie die Umwelt belasten und Kosten verursachen, wenn sie, bei für die Windnutzung guten Wetterbedingungen, im Teillastbetrieb laufen.
Erschütterungs- und Schallemissionen
Windenergieanlagen erzeugen Schall und Erschütterungen. Anwohner und Tiere, wie zum Beispiel Greifvögel und Nagetiere, können durch die akustischen und seismischen Signale beeinträchtigt werden. Derzeit laufen verschiedene Tests und Studien, um Methoden zu finden, mit denen diese Störungen behoben werden können. Unter anderem gibt es Designvorschläge für veränderte Flügelspitzen, welche die an den Spitzen der Rotorblätter entstehenden Windgeräusche minimieren können. Des Weiteren bestehen Vorschläge, welche den Einsatz anderer Materialien bei der Fertigung der Rotorblätter vorsehen, wie beispielsweise widerstandsfähige Kohlefasern.
Erschließung geeigneter Standorte
Um die Windkraft onshore optimal nutzen und die Windenergieanlagen bestmöglich einsetzen zu können, müssen diese an geeigneten Standorten errichtet werden. Die Standortsuche fokussiert sich in erster Linie auf die Stärke des Windes sowie die Stunden pro Jahr, in denen der Wind weht. Auch die Richtung und die Geschwindigkeit des Windes sind ausschlaggebende Kriterien bei der Standortwahl. Bebaute Gebiete, Brücken und Bäume sind lokale Hindernisse, die sich stark auf die Windgeschwindigkeit und Windrichtung auswirken können. Auf dieser Basis teilt sich Deutschland in drei Zonen ein: Die Zone 1 ist am günstigsten für die Nutzung einer Windenergieanlage; sie umfasst beispielsweise die Schleswig-Holsteinischen Küstenregionen, nördliche Teile Niedersachsens sowie die alpinen Gipfelregionen. Die Zone 2 ist bedingt geeignet für Windanlagen und erstreckt sich über den Niederrhein, das Mittelgebirge und den Bayrischen Wald. Am wenigsten geeignet sind Gebiete, in denen es hohe Flautestunden gibt; diese fallen in die für die Windnutzung ungünstige Zone 3. Ein weiteres Kriterium ist die Bodenbeschaffenheit sagt Rolf Hinrichs. So muss der Boden auf die Stabilität und Anfälligkeit für Erosion untersucht werden. Beim Bau der Anlage muss zudem darauf geachtet werden, dass der vorgeschriebene Mindestabstand zwischen den Rotoren eingehalten wird und dass sich die einzelnen Kraftanlagen nicht gegenseitig abschatten.
Neben vielen anderen bereits genannten Faktoren wirkt sich auch die Luftdichte auf die Effizienz der Windenergieanlagen aus. Im Winter ist die Dichte ein wenig höher als im Sommer. Dies hängt damit zusammen, dass kalte Luft dichter ist als warme. Da die Luftdichte zudem in den tief liegenden Küstenregionen höher ist als im Bergland, richtet sich die Wahl des entsprechenden Standortes auch nach der Höhe des Gebiets über dem Meeresspiegel.
Das infrage kommende Gebiet sollte zudem den Betrieb der Windenergieanlage und die landwirtschaftliche Nutzung gut miteinander vereinen können und wenig interessant für den Tourismus sein. Ist ein geeigneter Standort gefunden, muss für diesen eine sogenannte Standortsicherung vorgenommen werden. Dies kann zum Beispiel in Form eines Nutzungs- oder Gestattungsvertrages geschehen oder durch den Kauf des Grundstücks. Das Grundstück umfasst dabei die Fläche, auf der die Windkraftanlage stehen soll, die sogenannte Abstandsfläche, welche baurechtlich vorgeschrieben ist sowie die Bereiche, welche für die Verlegung der Kabel sowie die Zufahrtswege vorgesehen sind.
Ausbau der Netzinfrastruktur
Für die optimale Nutzung der Windenergie müssen die Windkraftanlagen an ein gutes Stromnetz angeschlossen sein, damit die produzierte Energie gespeichert beziehungsweise direkt ins Netz eingespeist werden und somit optimal genutzt werden kann. Hierfür müssen in windreichen Regionen wie Schleswig-Holstein und dem nördlichen Niedersachsen häufig neue Hochspannungsleitungen oder Erdkabel verlegt werden. Die Entfernung, die sich zwischen der Anlage und dem sogenannten Netzanschlusspunkt befindet, trägt letztendlich für die Beantwortung der Frage bei, ob eine Windkraftanlage wirtschaftlich rentabel sein wird oder nicht.
Abdichtung und Sicherung der Anlagen
Windkraftanlagen bergen zwei weitere Risiken. Zum einen müssen die Fundamente gut abgedichtet sein, damit kein (Grund-)Wasser in die Anlage eintreten kann. Dies kann zu Ausfällen der Anlage sowie zu einer kostspieligen Sanierung und Wiederinkraftsetzung führen und kann zudem Folgeschäden durch Rost etc. nach sich ziehen. Die Sicherung kann zum Beispiel durch eine Wassersperre, den sogenannten Mauerkragen, erfolgen. Zum anderen müssen durch Sicherung und Abdichtung der Kabel und Rohre ein Austritt von Transformatorenölen oder Gasen verhindert werden, um Erdreich und Grundwasser genauso zu schützen, wie die örtliche Tier- und Pflanzenwelt. Dies ist vor allem dann äußerst wichtig, wenn die Windkraftanlage in einem Wasserschutzgebiet oder Naturpark steht. Des Weiteren müssen neben dem Fundament und den im Inneren der Anlage verlegten Kabeln auch die Energiekabel abgedichtet und unter anderem gegen Korrosion und Tierbiss gesichert werden.
Wie wird sich die Nutzung der Windenergie in den kommenden Jahren verändern?
Die Technologie der Windenergieanlagen unterliegt einem großen Fortschritt, welcher in den letzten Jahren deutlich zur Verbesserung der Anlagen beigetragen hat. Nicht zuletzt unter den Aspekten von Umweltschutz und internationalem Wettbewerb wird der Fortschritt voraussichtlich auch in den kommenden Jahren neue Methoden sowie eine verbesserte Qualität und Wirtschaftlichkeit hervorbringen.
