Turbinen schwächen die Windenergie

Große Windparks mit einer hohen Dichte installierter Leistung bremsen den Wind und erzeugen weniger Strom als bisher angenommen

28. August 2015

Aus Wind lässt sich weniger Energie zapfen als bisher angenommen. Das Umweltbundesamt etwa kam in einer Studie aus dem Jahr 2013 noch zu dem Schluss, dass sich mit Windenergie knapp sieben Watt elektrische Leistung pro Quadratmeter erzeugen lassen. Doch wie ein internationales Team um Forscher des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena nun zeigt, ist diese Rate deutlich niedriger. Die Forscher berechneten für den US-Bundesstaat Kansas, dass sich dort maximal 1,1 Watt Elektrizität pro Quadratmeter erzeugen lassen. Denn die Rate steigt nicht linear mit der installierten Leistung, weil die Turbinen den Wind bremsen. Das macht sich vor allem bei einer sehr hohen Dichte installierter Windkraftleistung bemerkbar. Der Effekt tritt überall auf; wieviel Strom pro Fläche Windkraft tatsächlich liefert, variiert aber von Region zu Region leicht. In Kansas ließe sich noch viel mehr Windenergie effizient nutzen. Das Potenzial auszuschöpfen, das das Umweltbundesamt in Deutschland für die Windenergie sieht, wäre jedoch vermutlich nicht sinnvoll.

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Aus Windenergie kann zum Energiemix der Zukunft wahrscheinlich weniger beitragen, als manche Schätzungen vermuten ließen. Das zeigt eine Studie, an der Forscher des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie maßgeblich beteiligt waren. Darin analysieren die Wissenschaftler, wieviel Strom sich mit Windkraftanlagen wie hier auf der Smoky Hills Windfarm maximal erzeugen lässt.

Ende des Jahres 2014 waren in Deutschland Windkraftanlagen mit einer Leistung von insgesamt 38 Gigawatt installiert. Das Umweltbundesamt hält es jedoch für möglich, Windkraftanlagen mit in Summe rund 1200 Gigawatt Nennleistung zu errichten, und das auf 14 Prozent der Fläche des Landes. Das entspräche 23 Watt installierter Leistung pro Quadratmeter, die etwa 6,7 Strom pro Quadratmeter liefern sollten. Doch diese Einschätzung dürfte viel zu optimistisch sein. Das zumindest legt die Studie nahe, die Axel Kleidon, Leiter einer Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Biogeochemie, mit einem internationalen Team für den windreichen US-Bundestaat Kansas vorgenommen hat. Kansas ist gut halb so groß wie Deutschland, hier sind derzeit rund 2,7 Gigawatt Windkraft-Leistung installiert, also 0,013 Watt pro Quadratmeter.

Die Forscher arbeiteten mit einem komplexen Simulationsmodell, das häufig in der Wettervorhersage benutzt wird, und berücksichtigten in den Rechnungen erstmals Windparks und deren Auswirkungen auf den Wind. „Wenn wir nur ein paar Windturbinen berücksichtigen, finden wir, was wir erwarten: mehr Turbinen erzeugen mehr Strom“, erklärt Lee Miller, Erstautor und Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Biogeochemie. „Sobald wir sehr viel mehr Turbinen einführen, zeigt sich aber, dass die Windgeschwindigkeit zunehmend reduziert wird und jede Turbine weniger Energie erzeugt.”

Mit zunehmender installierter Leistung sinkt die Ausbeute pro Turbine

Da der Wind deutlich gebremst würde, wenn die installierte Leistung der Windräder in Kansas stark stiege, könnten in Windkraftanlagen dort maximal 1,1 Watt Strom pro Quadratmeter liefern. Die höchstmögliche Energieausbeute liegt damit deutlich unter früheren Abschätzungen wie der des Umweltbundesamtes, die den Bremseffekt nicht berücksichtigten.

Um die 1,1 Watt pro Quadratmeter zu erreichen, müssten allerdings 10 Watt Nennleistung pro Quadratmeter installiert werden. Die Turbinen leisteten dann also nur noch gut zehn Prozent dessen, was in ihren theoretischen Möglichkeiten liegt. Wenn nur 0,3 Watt Leistung pro Quadratmeter installiert werden erreichen sie noch gut 40 Prozent ihrer Nennleistung, und bei 0,6 Watt pro Quadratmeter ist die Ausbeute auch noch nicht viel schlechter. „In Kansas können daher problemlos Windkraftanlagen mit insgesamt 50 Mal mehr Leistung errichtet werden“, sagt Axel Kleidon.

Wenn Windparkbetreiber das Limit von 1,1 Watt pro Quadratmeter erreichen wollten, würde sich das aber nicht nur auf die Ausbeute ihrer Anlagen auswirken. „Natürlicherweise wird der Wind durch Turbulenzen gebremst“, erklärt Axel Kleidon. „Über die Turbulenzen wird aber auch Wärme und Feuchtigkeit zwischen der bodennahen und der höheren Atmosphäre ausgetauscht.“ Nehmen sie ab, weil Turbinen den Wind bremsen, hat das auch Folgen für das Klima.

Solarenergie liefert 20 Watt Strom pro Quadratmeter – ohne Bremseffekt

Der Wissenschaftler erklärt das Limit für die Stromerzeugung durch Windenergie physikalisch: Die Atmosphäre treibe die Winde nahe der Oberfläche mit erstaunlich wenig Energie an. „Je mehr Windturbinen diese Energie entziehen, umso mehr wird der Wind daher gebremst “, erklärt der Physiker. „Wenn die Leistungsdichte in einem Windpark ein bestimmtes Maß nicht übersteigt, kann die entnommene Energie aus der Umgebung, vor allem von oben noch aufgefüllt werden.“ Dabei kann die Dichte der installierten Leistung umso höher sein, je kleiner die gesamte Leistung eines Windparks ist. „Die Effekte führen dazu, dass Windturbinen in großen Windparks erheblich weniger Energie erzeugen können, als eine isoliert stehende Turbine”, so Kleidon.

Der Bremseffekt könnte auch in Deutschland und andernorts das Potenzial der Windenergie deutlich begrenzen. Wie hoch es tatsächlich ist, hängt aber auch von der jeweiligen Windsituation ab, die in Kansas jedenfalls sehr gut ist. Wieviel Strom sich in Deutschland aus der Windkraft ziehen lässt, untersuchen die Forscher derzeit. Das dabei annähernd sieben Watt rauskommen, ist nahezu ausgeschlossen. Damit wird die Stromausbeute aus der Windkraft auch deutlich unter dem liegen, was Solaranlagen heute leisten. Die effizientesten bringen heute im Mittel 20 Watt pro Quadratmeter. Zudem gibt es bei der Solarenergie keinen Bremseffekt. Jede zusätzliche Solarpanele auf einem Hausdach liefert also genauso viel Strom, wie von ihr erwartet wird.

EF/PH

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