Das Potential der Windenergie

Das Potential der Windkraft zur Gewinnung von Windenergie

Das Windpotential der Erde wird auf über 4 Billionen kW geschätzt – genug, um alle benötigte Energie aus dieser Quelle zu schöpfen. Tatsächlich liegt aber der globale Anteil des Windes an der Energiebilanz unter 1 %, weil die kräftigsten Winde hoch oben in den Luftschichten bzw. weit draußen über den Ozeanen blasen.

Doch die „Windenergie“ ist umweltfreundlich und selbsterneuernd, hauptsächlich durch unterschiedliche Temperaturen innerhalb der Biosphäre, welche zumeist sonnenbedingt sind, jedoch auch durch die Erdrotation, die den Auftriebskräften der erwärmten Luftmassen ihre Richtung gibt. Die neuartigen Energietransformatoren auf Wind Basis sind deshalb so interessant, weil besonders im Winter, also zu Zeiten höchsten Energiebedarfs, der meiste Wind geht. Die lokalen Schwankungen in der Energieabgabe – oftmals das größte und schwierigste Problem bei der Wind Nutzung zu Energiezwecken – lassen sich ggf. durch ein weitverzweigtes Verbundsystem ausgleichen. Der bei den Windmühlen oft so gefürchtete hohe Lärmpegel läßt sich durch die Anwendung besserer Materialien und durch eine hochentwickelte Rotortechnik stark senken.

Die Möglichkeit, Wasserpumpen mit Windenergie zu betreiben, wird seit langem und fast in allen Ländern der Erde, hauptsächlich in ländlichen Gebieten ohne Stromanschluß, angewendet. 1984 schätze man die weltweite Zahl mechanischer Windpumpen auf etwa eine Million Stück, die meisten in Argentinien, Australien und den USA.

Obwohl es einen theoretisch erreichbaren Wirkungsgrad von 59,3 % bei Wind – Flügeln gibt (der inzwischen allerdings angezweifelt wird), werden in der Praxis nur etwa 33 – 45 % erreicht. Einzig der ‚Hütter-Rotor’ (s.u.) soll 48 % erreicht haben. Als Gesamtanlage betrachtet, d.h. zusammen mit Getriebe, Generator und Steuerung erreichen Windenergieanlagen zur Stromerzeugung Wirkungsgrade zwischen 30 und 35 %. Durch den windabhängigen Betrieb entstehen Ausfallzeiten, die durchschnittliche Arbeitsverfügbarkeit von Windkraftwerken beträgt etwa 35 – 45 %. Offshore-Anlagen auf offener See erreichen eine um 30 bis 70 % bessere Ausbeute durch höhere Windgeschwindigkeiten als auf dem Festland. Den aktuellen Stand beim Bau von Offshore-Anlagen und -Parks werde ich in einem separaten Absatz behandeln.

Der Techniker unterscheidet unter den Rotoren zwischen Langsam-, Mittel- und Schnelläufern. Während die ersten 7 und mehr Flügel besitzen und dafür eine geringe Umlaufgeschwindigkeit erreichen, haben die letzteren drei, zwei oder sogar nur einen Flügel (in diesem Fall mit Gegengewicht), womit sie sehr hohe Umdrehungszahlen erreichen und desto effizienter arbeiten, je stärker der Wind bläst. Mittelläufer liegen dazwischen und sind besonders für Gebiete durchschnittlicher aber konstanter Windtätigkeit geeignet. Im Verlauf der neueren Forschungen zeigte es sich, daß Anlagen mit wenigen und schmalen Flügeln die höchste Energieausbeute erreichen. Der Typ, der sich fast weltweit als Standard durchgesetzt hat, ist die dreiflüglige Windkraftanlage. Gegenüber zweiblättrigen Rotoren besitzt er einen ruhigeren Lauf, wohingegen die Einflügler eigentlich eine höhere Sicherheit gegen Böen und große Windgeschwindigkeiten besitzen, da das Rotorblatt bei dieser Konstruktion elastisch aufgehängt werden kann. Von einem ästhetischen Gesichtspunkt aus betrachtet wirken Einflügler aber etwas befremdlich, insbesondere wenn man sie mit der ‚Ausgewogenheit’ von dreiblättrigen Rotoren vergleicht.

Inzwischen zeichnen sich aber auch Entwicklungen ab, die den Vertikalachssystemen (s.d.) den Vorzug geben. Im Anschluß an die Länderbetrachtung werde ich daher noch ausführlicher auf diese Systeme eingehen – ebenso wie auf einige neuere Formen der Windenergienutzung.

In der folgenden Tabelle sind die ‚normalen’ und die optimierten Wirkungsgrade der verschiedenen Windsysteme aufgeführt, wie sie von Jack Park in seinem ‚Wind Power Book’ (1981) aufgeführt worden sind. Einige dieser Systeme werden ich später noch detailliert beschreiben.

Inzwischen geht die Optimierung der Komponenten- und der Systemwirkungsgrade natürlich weiter, und einige Systeme zeigen auch eine ausgesprochene ‚Entwicklungsbereitschaft’. Allerdings geht der Trend bis Ende des letzten Jahrhunderts weiter in Richtung gleichartiger, aber immer größerer Systeme. Diese Entwicklung ist teilweise in der Analyse der Windkraftentwicklung in der Bundesrepublik Deutschland dokumentiert (s.u.). 1997 weist eine internationale Übersicht des Windkraftanlagen-Marktes bereits über 300 verschiedene Anlagen auf, zwischen 0,02 kW (Rutland WG 500 für 204,- Englische Pfund) und 1,5 MW (z.B. Tacke TW 1.5 für 3.088.000,- Mio. DM).

Von der etwa 4,3 · 10¹⁵ W betragenden globalen Windleistung sollen bis zu 20 ·10¹² W nutzbar sein. Und oftmals besteht auch der Wille dazu. Im Folgenden sind als Beispiel die Ergebnisse einiger Potentialstudien im Hinblick auf den europäischen Raum skizziert:

1984 – Studie von MBB im Auftrag der EG: In den Ländern der EG können 150.000 kleine Windanlagen errichtet werden, außerdem gibt es 170.000 Standorte für Großwindanlagen mit mehr als 100 m Durchmesser.

1993 – Das ALTANER-Programm der EG  (Alternative Energieerzeugung): Bis 2005 sollten EG-weit mindestens 8.000 MW Windstrom erzeugt werden können.

1993 – Der Europäische Windenergieverband (EWEA): Bis 2030 sollen 100.000 MW aus der Windenergie stammen, das wären ca. 10 % der europäischen Energieerzeugung.

1997 – Das Institut für solare Energieversorgung (ISET): Es gibt gute Chancen in Deutschland, die Windenergieleistung bis 2005 auf 5.000 MW auszubauen.

1997 – Studie im Auftrag deutscher Industrieverbände: Durch den Ausbau der Windenergie bis 2005 auf 10.000 MW ließe sich knapp ein Viertel der geplanten Reduzierung des Kohlendioxid-Ausstoßes erzielen.

1999 – Der Bundesverband Windenergie (BWE): Ab 2003 wird sich die Zahl der Windkraftanlagen auf dem Land nicht weiter erhöhen, sondern von da an werden nur noch bereits bestehende Anlagen durch leistungsfähigere ersetzt. 2010 könnten auf dem Land 12.000 MW und durch Offshore-Anlagen 17.000 MW Leistung erzielt werden.

2005 – Klimatologen der kalifornischen Stanford University veröffentlichen im Mai eine Weltkarte der Winde. Dazu wurden die Windmessungen eines Jahres von 7.500 Wetterstationen und 500 Meßballons ausgewertet. Ermittelt wurden die Windstärken, die in 80 Meter Höhe herrschen, wo sich die Rotoren drehen. Mit einem neuen mathematischen Verfahren wurden aus bodennahe Windmessungen die Windgeschwindigkeiten in größerer Höhe errechnet. Das Ergebnis: Würden in all jenen Gebieten Windkraftanlagen aufgestellt, die als optimal gelten, könnten etwa 72 Terawatt erzeugt werden, also das 40-fache des Weltbedarfs an elektrischer Energie im Jahr 2000.

2006 – Der Präsident des Bundesverbands Windenergie gibt im Juli bekannt, daß im vergangenen Jahr 2005 weltweit neue Windkraftanlagen mit einer Leistung von 11.800 MW ans Netz gegangen sind, was der Jahresstromproduktion von drei Kernkraftwerken entspricht. Den Prognosen für den Windenergie-Weltmarkt zufolge werden ab 2020 pro Jahr weltweit Windkraftanlagen mit einer Leistung von rund 160.000 MW errichtet, was der tatsächlichen Leistung von 40 Kernreaktoren entspräche!

2006 – die Europäische Windenergieassoziation EWEA erklärt, daß sie bestrebt sei, den Windenergieanteil europaweit bis zum Jahre 2020 auf 12 % auszudehnen. Andere Quellen reden sogar davon, daß bis 2020 europaweit 180 GW Windenergie 20 % des Strombedarfs decken sollen. Heute arbeiten europaweit Anlagen mit 40.000 MW Kapazität, 18.428 MW davon in Deutschland.

2007 –  Im Jahr 2006 wurden nach Schätzungen des Bundesverbands WindEnergie (BWE) weltweit Windenergieanlagen mit einer Leistung von ca. 15.000 MW neu errichtet. Spitzenreiter sind abermals die USA mit einem geschätzten Zubau von 2.700 MW. Insgesamt steigt damit die weltweit installierte Kapazität auf nahezu 75.000 MW. Die Anlagen können rund 180 Mrd. kWh produzieren, das entspricht mehr als einem Prozent des globalen Strombedarfs. Der Weltmarkt für Windenergieanlagen nähert sich 2006 der Marke von 15 Mrd. €, 2005 waren es 10,6 Mrd.

Anzumerken wäre, daß auch eine der ältesten Nutzformen des Windes seit den 1970ern wieder ‚frischen Wind’ bekommen hat: Neue Segelschiffe und sogar Segeltanker für bivalenten Betrieb durchfahren (wieder) energiesparend die Weltmeere.

1984 befand sich in der Kieler Lindenau-Werft der Chemietanker ‚Indio’ im Bau, dessen 6.500 t mittels zwei jeweils 200 Quadratmeter großen und computergesteuerten Segeln vorangetrieben werden sollten. Man erwartete eine 20%ige Treibstoffersparnis. Ein weiteres Projekt bildete der Konzeptvorschlag Dynaschiff, ein Frachtsegler des deutschen Ingenieurs Wilhelm Prölss (s.u.).

Ein phantastisches und überaus detailliertes Buch mit futuristischen wie auch realistischen Konzepten zukünftiger Segelschiffe ist das Werk ‚Windschiffe’ von Helmut Risch und Jochen Bertholdt, das 1990 im VEB Verlag Technik Berlin erschienen ist. Hieraus sind auch die beiden hier abgebildeten Zeichnungen  entnommen – als Beispiele für die schier unglaubliche Bandbreite an technisch denkbaren Umsetzungsformen.

Auf der Ausstellung ‚boot 95’ in Düsseldorf stellte der Erfinder Wilhelm Brinkmann 1995 ein 10,5 m langes Schiff mit selbststellendem, reffbaren Halbflügelsegel vor, welches innerhalb von zwei Minuten elektrohydraulisch oder manuell eingefahren werden kann. Das trapezförmig geteilte Segel von 24 m², das den dreiteiligen Teleskop-Mast aus elastischer Kohlenstoff-Faser umhüllt, ist durch aerodynamische Optimierung so effektiv wie ein konventionelles Segel von 36 oder mehr Quadratmetern. Das 6-Personen-Boot sollte unter dem Namen Wing Traveler in der Delta Werft in Köpenick (Berlin) hergestellt werden und ab 300.000 DM zu haben sein. Bei durchschnittlichen Windstärken wurde eine Geschwindigkeit von 7 bis 8 Knoten (= ca. 13 km/h) versprochen.

Eine Kombination von Windkraftanlage und Schiff bildete auch das Konzept von Günter Wagner aus List (auf Sylt), mit dem dieser bereits 1982 an die Öffentlichkeit ging. Durch das Kippen der Rotorachse um 45° sollen große Windkraftanlagen auch an Deck von Frachtern installiert werden können. Damit entfielen bei Offshore-Anlage die sehr aufwendigen Tragkonstuktionen und Masten, die andernfalls unter Wasser verankert werden müssten. Nach ersten Versuchen mußte die Flügellänge von 25 auf 15 m reduziert werden, aber auch sonst gab es so viele Anfangsschwierigkeiten, daß dieses Projekt später endgültig eingestellt wurde.

Im Sportbereich haben sich Wind- und Strandsurfer weltweit verbreitet, es gibt aber auch schon Landsegler wie den Tritan des kalifornischen Unternehmers J. Amick, der 1985 auf dem Salzsee von Bonville eine Geschwindigkeit von 100 km/h erreicht hat.

Die Idee des o.g. Hamburger Ingenieurs Wilhelm Prölss fließt 2006 in den Bau eines Dreimasters mit einem Dynarigg ein, also mit automatisiert betriebenen Rahsegeln. Die Yacht Maltese Falcon des amerikanischen Multimillionärs Tom Perkins sieht aus wie die strenge Version eines Windjammers. Das 88 m lange Schiff verfügt über drei Masten mit je sechs Rahen, zwischen denen die Segel aufgespannt werden. Die gerefften Segel verbergen sich aufgerollt im Mast und werden beim Setzen motorgetrieben nach außen gezogen. Oben und unten werden sie wie in Vorhangschienen geführt. Das System soll doppelt so effizient sein wie ein konventionelles Rahsegel und von einer Person bedient werden können.

Die Kunststoffsegel können so schräg zum Wind stehen wie an herkömmlichen Yachten, und die Maltese Falcon kann im Winkel von 40° gegen den Wind segeln. Windjammer schaffen nur 60° und müssen daher weite Umwege fahren. Auf der ersten Fahrt bei Windstärke 4 im Bosporus erreicht die Maltese Falcon mit Teilbesegelung 14 Knoten (25 mh/h). Ein beachtliches Tempo, denn der Dreimaster wiegt 1.180 Tonnen.

Prölss hatte das Dynarigg zum ersten Mal in den 1960er Jahren an der Hamburgischen Schiffbau-Versuchsanstalt entwickelt, als er gemeinsam mit dem Institut für Schiffahrt der Universität Hamburg an einer neuartigen Besegelung für Frachtschiffe arbeitete. Einfach zu bedienende Vierecksegel mit bis zu 9.000 m² Fläche an fünf Masten sollten die Renaissance der Windkraft für die Berufsschiffahrt einleiten. Der 1974 verstorbene Hamburger Erfinder träumte davon, daß mit dem dynamischen Rigg Frachter ausgerüstet werden, die mit bis zu 20 Knoten auf fast allen Kursen nur mit Windkraft vorankommen.

Weil der größte Teil des Wissens mit den Jahren jedoch verloren gegangen war, mußte der niederländische Schiffskonstrukteur Gerry Dijkstra bei der Konzeption der Maltese Falcon allerdings quasi von vorne anfangen.

‚The Clean Queen Of The Sea’ wird Orcelle heißen und das erste moderne Transportschiff sein, das vollständig mit erneuerbaren Energien betrieben wird. Die drei großen Segel sind gleichzeitig mit Solarzellen belegt, und es gibt eine Anlage um die Wellenenergie zu nutzen. Wasserstoff wird hergestellt, gespeichert und in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung genutzt. Am 13. März 2005 berichtet die britische Presse über das etwa 250 m lange Schiff, das 15 Knoten erreicht, und das bei dem skandinavischen Unternehmen Wallenius Wilhelmson in ihrem englischen Büro in Southampton entwickelt wird.

Eingesetzt werden soll die Orcelle dann zum Transport von jeweils 10.000 Autos aus britischer Herstellung, denn Auftraggeber des Projekts ist die International Shipping Company, die jährlich etwa 160,000 Wagen, darunter Jaguars, Land Rovers und BMWs, nach Australien, Neuseeland und in andere Länder verschifft. Was wahrlich kafkaesk ist wenn man bedenkt, wie viele Abgase diese Autos dann später produzieren werden…

Möglicherweise wird die Orcelle schon 2010 Jahren vom Stapel laufen, doch die ‚Endversion’ wird erst ab 2025 die Weltmeere befahren, vermuten die Planer. Auch der Preis würde wahrscheinlich höher liegen als bei einem konventionellen Frachter, der zur Zeit mit rund 46 Mio. Englischen Pfund zu Buche schlägt.

Eine weitere Designperle ist die Voltian der türkischen Designer Hakan Gursu und Sözüm Doğan aus Ankara, die im Oktober 2007 erstmals in den Blogs erscheint, nachdem die Entwickler für ihren futuristischen Schiffsentwurf einen renommierten Designpreis gewinnen.

Das 32 m lange Schiff, das allerdings erst virtuell existiert, hat solide, klapp- und drehbare Flügel-Segel, die überdies beidseitig mit Solarzellen bedeckt sind. Diese versorgen u.a. auch die beiden jeweils 220 PS starken Elektromotoren.

Viel Wind also – der gemacht wird… aber auch viel Wind, der genutzt werden will!

Inzwischen gilt der 18. Juni als jährlich gefeierter Tag des Windes – und in Australien hat es ein ‚Farm wheel’-Windrad sogar auf die 50 Cents Münze von 2002 geschafft!

Die Verbindung zwischen den Windkraftwerken und der Kunst wird wiederum durch unterschiedliche Designs, Bemalungen und/oder Beleuchtungseffekte dargestellt – aber auch durch das Projekt des schottischen Künstlers Alex Hamilton, der von der ScottishPower den Auftrag erhalten hat, die Akzeptanz der Inselbevölkerung gegenüber den Anlagen durch Musik zu erreichen. Durch Schnitte und exakt platzierte und dimensionierte Bohrungen in den Rotorblättern ist es möglich, während der Rotation harmonische Klänge zu erzeugen. Damit soll auch die Umgebung der Windparks oder Einzelanlagen aufgewertet werden. Eine weitere Alternative wären Aelius-Harfen, die an den Blattenden angebracht ebenfalls ‚spährische Töne’ erzeugen.

Und damit die ‚Seele’ des Windes, die sich schon immer in Windspielen ausleben durfte, nicht zu kurz kommt, möchte ich noch auf die schlicht-schönen Objekte von Lyman Whitaker hinweisen, von denen hier der Double Spinner abgebildet ist.

Zum Schluß noch eine Liste von Songs, die sich explizit mit dem Thema Wind beschäftigen – als kleine Anregung zur musikalischen Untermalung dieser Lektüre…

– Old Macdonald Had A (Wind) Farm – Traditionelles Lied
– Wind Beneath My Wings – Bette Midler
– You Don’t Have To Say You Love Me – Dusty Springfield
– Summer Breeze – The Isley Brothers
– Catch the Wind – Donovan
– Silver Machine – Hawkwind
– Blowing in the Wind – Bob Dylan
– Something In The Air – Thunderclap Newman
– Turbine – Neil Young
– Wild Is The Wind – David Bowie
– The (Wind) Power of Love – Jennifer Rush
– You Spin Me Round – Dead or Alive
– Turn – Travis

Nach dieser geschichtlichen und kulturellen Betrachtung der Windenergie folgt die  alphabetische Länderübersicht – von Ägypten bis zu den USA – wobei in vielen Fällen nur Hinweise auf die Anfänge notiert sind und der aktuelle Stand im Netz im Einzelnen und selbständig zu recherchieren wäre, was inzwischen aber sehr einfach geht.