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USA und die Windenergie

Einer der Gründer der amerikanischen Elektrizitätswirtschaft, Charles Francis Brush (1849 – 1929) aus Ohio, gilt gleichzeitig als Pionier der Windenergie. Brush erfand z.B. einen sehr effizienten Gleichstromgenerator, die erste kommerzielle Lichtbogenlampe sowie eine effiziente Methode zur Herstellung von Blei-Säure-Batterien. Seine Firma Brush Electric in Cleveland wurde im Jahr 1889 verkauft und 1892 mit der Firma Edison General Electric zur General Electric Company (GE) verschmolzen.

Schon im Winter 1887-88 baute Brush eine Maschine, die heute als die weltweit erste vollautomatische Windkraftanlage zur Stromerzeugung gilt. Für die damaligen Verhältnisse waren die Ausmaße gigantisch und weltweit unerreicht: Der Rotor hatte einen Durchmesser von 17 m und bestand aus 144 Rotorblättern aus Zedernholz. Die Anlage lief 20 Jahre lang und lud die Batterien im Keller seines Wohnhauses. Trotz der Größe der Windkraftanlage betrug die Leistung des Generators jedoch nur 12 kW, was daran lag, daß die langsam rotierenden Anlagen amerikanischen Typs keinen besonders hohen Wirkungsgrad aufwiesen.

Zwischen 1880 und 1940 entstanden besonders im Mittel- und Südwesten der USA mehr als 6 Millionen kleine Windmühlen zur Elektrizitätserzeugung, davon funktionieren heute noch etwa 100.000 Stück (Stand 1980).

In der 1930er Jahren erscheinen auf den Titelseiten der diversen Wissenschaftsmagazine, die es zu jener Zeit in den USA gibt, abenteuerliche Konstruktionen, wie z.B. bei der Augustnummer der Popular Science aus dem Jahr 1939.

Bereits 1934 wird der Geologe Palmer C. Putnam aus Boston von einem Freund gefragt, ob er ihm für seine Farm einen Windgenerator bauen kann. Putnam erfüllt den Wunsch und ist von der Antriebskraft des Windes so fasziniert, daß er bald darauf eine 1,25 MW Anlage entwirft, deren Pläne er dem Leiter des Massachusetts Institute of Technology (MIT) V. Bush vorlegt.

Am 29.08.1941 (o. 19.10.1941) wird daraufhin auf Grandpa’s Knob, einem 650 m hohen Berg in der Nähe von Rutland in Vermont/Virginia, 330 km nördlich von New York, ein erster Prototyp mit 1.250 kW Leistung eingeweiht, der aus einem 2-Blatt-Rotor aus rostfreiem Stahl mit einem 53,3 m Durchmesser und einer etwa 35 m hohen Stahlturmkonstruktion besteht.

Fast genau vier Jahre nach der Inbetriebnahme und rund 1.000 Betriebsstunden, während denen die Anlage ihren Strom von durchschnittlich 800 kW in das öffentliche Netz einspeist, bricht jedoch eines der beiden jeweils 8 t schweren Rotorblätter ab und das ‚Smith-Putnam-Project’ wird fallengelassen. Sehr empfehlenswert ist der Blick auf eine Fotostrecke mit Abbildungen der industriellen Fertigung dieser Anlage!

Aus der gleichen Zeitperiode stammt auch das Foto einer Bewässerungs-Windpumpe in Kalifornien, deren Wasserförderung mittels spiralig verbundener Rohre bewerkstelligt wird – einer Art flachen archimedischen Spirale. Dabei soll es sich um eine ‚orientalische Idee‘ gehandelt haben, die in Kalifornien und Arizona mehrfach umgesetzt wurde.

Danach scheint es in den USA jedoch lange Zeit über ziemlich ‚windstill‘ gewesen zu sein.

Erst 1973 ruft die ‚National Science Foundation’ (NSF) ein Windenergie-Programm ins Leben, und für die ersten drei Projekte werden 200.000 $ bereitgestellt. Schon im Jahr darauf beträgt der Förderbetrag 1,5 Mio. $. Es gibt Erwägungen, eine Gesamtanlage mit 180 Einzelkraftwerken auf hoher See zu installieren.

In den sieben Jahren zwischen 1974 und 1981 führte die NASA am Glenn Research Center in Lewis Field und im Auftrag der US-Regierung ein äußerst effizientes und erfolgreiches Untersuchungsprogramm an großen, horizontalen Wind-Turbinen durch. Mit Mitteln des DEO (Department of Energy, Nachfolger der Energy Research and Development Administration) wurden insgesamt 13 Windenergieanlagen in Betrieb genommen.

Am 29.10.1975 übergibt die 1974 neugebildete ‚Energy Research and Development Administration’ (ERDA) der NASA eine 100 kW Versuchsanlage für das Lewis-Forschungszentrum in Ohio, die von der Firma Lockheed gebaut worden war. Die ERDA setzt sich unter anderem das Ziel, bis 1981 insgesamt 100 MW aus der Windenergie zu erwirtschaften, bis 2000 sollen sogar rund 25 % des Gesamtenergiebedarf der USA durch Windkraft gedeckt werden.

Die Konstruktion der Firma Lockheed besitzt einen 30 m hohen Turm und einen 2-Blatt-Rotor mit einer Blattlänge von jeweils 19 m. Die Anlage, die am Eriesee in Plum Brook, bei Sandusky/Ohio steht, basiert auf Erfahrungen des Deutschen Professors Hütter – ihr Rotor ist hinter dem Turm angebracht. Als Anlage für besonders starken Wind – die Energietransformation erfolgt mittels einem Synchrongenerator bei veränderbaren Flügelanstellwinkeln – von 30 km/h bis 70 km/h Geschwindigkeit reicht sie aus, um 25 Einfamilienhäuser komplett zu versorgen.

1974 wird die American Wind Energy Association (AWEA) gegründet.

Schon Anfang 1975 startet in Clayton/New Mexiko eine 200 kW-Anlage für 60 Häuser, deren 20 m lange Rotorblätter aus Aluminium bestehen. Sechs Monate nach Inbetriebnahme muß die Anlage wegen starker Schäden allerdings wieder demontiert werden.

1977/1978 plant die NASA eine 1,5 MW Anlage bei Boone in North Carolina zu errichten. Auf einem 42 m hohen Stahlturm soll ein 61 m durchmessender Rotor angebracht werden, das Gesamtgewicht der Anlage wird auf 350 t veranschlagt. Im Juli 1979 beginnt der Bau, den die ‚General Electric Space Division’ für die Auftraggeber ‚Departement of Energie’ (DOE) und NASA durchführt. Im Herbst desselben Jahres soll die Anlage im Rahmen des 3,5 Mio. $ Projekts zur computerkontrollierten Versorgung von 300 – 500 Häusern in Betrieb genommen werden. Und obwohl die Realisation auf Basis einer 2 MW-Anlage stattfindet, gibt es noch lange ungelöste Probleme mit dem rotationsbedingten und das Glas zum Zerspringen bringenden Infraschall, der sich in einem weiten Umkreis störend bemerkbar macht.

Am 9. November 1978 unterschreibt Präsident Carter ein Gesetzespaket, das eine Abkehr von der Förderung der Entwickler hin zu einer Förderung der Nutzer bedeutet. Der Energy Tax Act beinhaltet Abschreibungsmöglichkeiten von bis zu 25 % auf Windkraftanlagen, und der Public Utility Regulation Policies Act regelt die Einspeisung des erzeugten Stroms in das öffentliche Netz.

Während die Fördergelder der ERDA im Jahre 1975 nur 7 Mio. $ betrugen, wachsen sie 1976 auf fast 14 Mio. $ an und erreichen 1979 sogar die 60 Mio. $-Grenze. Seit 1979 sind die Stromunternehmen gesetzlich gezwungen, Strom aus erneuerbaren Ressourcen zu kaufen – zu dem gleichen Preis, den sie selbst zur Produktion ihres Stromes (aus anderen Quellen) zahlen. Bis 1980 beträgt die Förderung der Windenergie in den USA insgesamt 283 Mill. $, und im Jahre 1981 gibt es in den USA schon 91 sich im Bau befindliche Windenergieprojekte. In Kalifornien betragen die Staatszuschüsse für den privaten Kauf einer Windanlage sogar 45 %!

Im Jahr 1980 beträgt der Umsatz der Windkraftanlagen-Hersteller über 50 Mio. DM – gleichzeitig unterstützt die Regierung die Markteinführung der Windkraft mit 1 Milliarde $. Laut dem gemeinsamen Bericht des ‚Solar Energy Panel’, der NSF und der NASA könnten in den USA mittels 300.000 Windenergieanlagen – bei Turmhöhen von 200 m und jeweils 20 Turbinen pro Anlage – etwa 1,5 · 10 hoch 12 kWh im Jahr erzeugt werden, was im Vergleich zu der überhaupt nutzbaren Menge an Windenergie schon sehr viel ist – die Frage lautet allerdings, ob sich derartige Projekte überhaupt wirtschaftlich finanzieren lassen.

Im Dezember 1981 wird in Goodnoc Hill, in der Nähe von Washington, eine Windfarm ‚MOB-2’ in Betrieb genommen, die aus drei der weltweit größten Windmühlen besteht.

Doch neben dem Multi-Millionen-Markt der Institutionen und Großfirmen beschäftigen sich auch viele Arbeitsgruppen an Universitäten mit einer Nutzung des Windenergieangebots. So z.B. an der Universität Massachusetts, wo als Zwischenspeicher für die unregelmäßige Windkraft der Sekundärenergieträger Wasserstoff vorgeschlagen wird (s.d.). Vielflüglige Windräder sind wiederum die Spezialität der Oklahoma State University, wo sich dafür ein neuer Name geprägt hat, nämlich Windräder des ‚Bicycle-Typs’.

1986 sind schon über 5.000 neue Anlagen am Netz der ‚Pacific Gas + Electric Co.’, die hauptsächlich auf dem Altamont-Paß installiert sind und zu einem großen Teil aus Dänemark stammten. Angefangen wurde dort 1982 mit 40 Anlagen, 1984 waren es bereits 1.400. Es war geplant, daß bis 1990 etwa 30 % des Stromes der ‚Pacific Gas + Electric Co.’ durch Windkraft erzeugt werden sollte.

Ebenfalls am Altamont-Paß stellt die Firma ‚FloWind Corp.’ 150 Darrieus-Rotoren auf. Und im Livermore-Tal, 50 km vom Pazifik entfernt, stehen weitere 5.500 Anlagen mittlerer Größe, es sind Dreiflügler mit durchschnittlich 100 kW Leistung. Im Zuge des Ausbaus werden an zwei weiteren südkalifornischen Pässen San Gorgonio und Tehachopi insgesamt 7.000 Windkraftanlagen installiert. Die drei Pässe erwirtschaften zusammen 1.100 MW Windstrom, was einer Ersparnis von 1,5 Milliarden Liter Öl entspricht.

Etwa 1988 kreuzt sich die absinkende Kurve für Windstromkosten mit der aufsteigenden Kurve für Strom aus Kernenergie. Zu dieser Zeit wird auf Hawaii ein Senkrechtachser mit 3,2 MW Leistung installiert, der nur ein einzelnes 97,5 m langes Rotorblatt besitzt.

1991 drehen sich alleine in Kalifornien und auf Hawaii mehr als 16.000 Windturbinen, die eine Gesamtleistung von über 1.500 MW erzeugen sollen. Doch die Zuwachsrate bleibt gering: noch Ende 1997 werden in den USA insgesamt erst 1.592 MW Leistung aus Windstrom erwirtschaftet.

Das ‚Repowering’ – der Austausch alter gegen neue Anlagen – beginnt 1998 am Alamont Paß mit dem Abbau der ersten 14 kleinen Anlagen. Statt den 750 Kenetech-Rotoren mit je 100 kW sollen dort 100 NEG-Micon-Anlagen der 750 kW Klasse aufgestellt werden. Ähnliche Aktionen beginnen auch am Tehachapi-Paß, wo die Darrieus-Rotoren ebenfalls gegen 750 kW Anlagen von NEG-Micon ausgetauscht werden.

2003 wird bekannt, daß an der Stelle des ehemaligen WTC in New York ein ‚Freedom Tower’ mit 541 m Höhe gebaut werden soll. Die Investoren modifiziertem allerdings den Entwurf des Architekten Libeskind dahingehend, daß in den oberen Stockwerken statt exotischer Gärten nun windbetriebene Turbinen untergebracht werden sollen. Später rückt man von diesen Plänen jedoch wieder ab.

Ebenfalls 2003 berichtet die Presse, daß bis 2010 der weltgrößte Windpark in Iowa entstehen soll, wo dann 180 bis 200 Anlagen insgesamt 310 MW Leistung erbringen sollen. Die erwarteten Kosten betragen 323 Mio. $, und starten soll das Projekt bereits 2004. Schon einmal war 1992 in Iowa geplant worden, einen Windpark zu errichten, doch das damalige Projekt, mit 800 Turbinen einen 250 MW Park zu errichten, wurde wegen der hohen Kosten von 200 Mio. $ später gestrichen.

2003 gründet der Erfinder Toby Kinkaid in Portland die Oregon Wind Corp. und beginnt mit Tests an seinem Helyx Windgenerator, einer Art verdrilltem Savonius-Rotor, der besonders leise sein soll. Über ähnliche und andere neue Designs bzw. unkonventionelle Blattformen berichte ich weiter unten. Dort wird auch das Thema der Integration von Windkraftanlagen in Gebäuden – zumeist Hochhäusern – angesprochen.

Am 29. Juli 2005 verlängert die US-Regierung ihr Steuervergünstigungs-Programm für Windprojekte (Production Tax Credit – PTC) um zwei weitere Jahre bis zum 31.21.2007. Der PTC garantiert Windenergie-Produzenten für die ersten zehn Jahre Laufzeit ihrer Projekte eine Steuervergünstigung von 1,9 US-Cents pro Kilowattstunde. Einzelne US-Bundesstaaten fördern zusätzlich die Windenergie durch Renewable Portfolio Standards.

Der US-Windmarkt wächst 2005 um 36 %, und die Gesamtinvestitionen für Windturbinen in den USA von rund 3 Mrd. $ sind höher als in jedem anderen Land der Welt. Dies bedeutet knapp 2.500 MW neu installierter Leistung. Dabei kommen 63 % der aufgestellten Windkraftanlagen von General Electric (> 1.000 Windturbinen), und 25 % vom dänischen Weltmarktführer Vestas.

Im November 2005 meldet das Wissenschaftsmagazin Nature, daß Prof. Shashank Priya von der University of Texas in Arlington einen miniaturisierten Windrotor von Taschengröße entwickelt habe, der zur Stromversorgung drahtloser Netzwerke von Sensoren an entfernten Standorten dienen soll. Für die Stromerzeugung mit den nur 10 cm durchmessenden Rotor setzt Priya Piezo-Kristalle ein, die während der Rotation durch Druckausübung Strom erzeugen. Die 5 bis 50 mW erzeugenden Minikraftwerke haben einen Wirkungsgrad von 18 % und sollen weniger als 20  $ kosten.

Die Millionenmetropole Los Angeles will bis zum Jahr 2010 ein Fünftel ihres Strombedarfs aus erneuerbaren Energien decken. Mit diesem Ziel beschließt der Stadtrat, 230 Millionen $ (etwa 180 Millionen €) für den Kauf von Energie aus Windkraftanlagen bereitzustellen. Nach Angaben der lokalen Energiebehörde schließt die zweitgrößte Stadt der USA einen Vertrag mit einer 16-jährigen Laufzeit mit dem Unternehmen Pleasant Valley Wind Energy Center aus dem US-Bundesstaat Wyoming. Derzeit stammt der größte Teil des Stroms, der in der südkalifornischen Vier-Millionen-Einwohner-Stadt verbraucht wird, noch aus Kohlekraftwerken.

Das Energy Technology Center der AeroVironment Inc. in Monrovia, Kalifornien, das u.a. auch im Bereich der solar-elektrischen Mobilität aktiv ist (s.d.),  stellt als eines seiner Projekte im Februar 2006 eine Art Windkraft-Bordüre aus Reihen kleiner Rotoren vor, die an der Oberkante von z.B. Industriebauten installiert werden sollen.

Im März 2006 geht GE eine mit 37 Mio. $ versüßte Partnerschaft mit dem U.S. Department of Energy ein, um bis 2009 Windturbinen mit Leistungen von 5 bis 7 MW zu entwickeln. Derzeit stellt GE als größtes 3,6 MW Anlagen her.

David Nicholson schlägt 2006 mit seinem Windhunter-System schwimmende Plattformen mit umklappbaren Windkraftanlagen vor, die auf hoher See Wasserstoff produzieren sollen. Inzwischen besteht in Tampa, Florida, das Unternehmen Windhunter Corporation, das daran arbeitet den Vorschlag mithilfe ausgemusterter Kriesschiffe oder Öltanker umzusetzen.

Auch im Jahr 2006 gehen in den USA mehr Windräder ans Stromnetz als sonst irgendwo, und im August knackt die amerikanische Windbranche die 10.000 MW Marke, was bislang nur Deutschland und Spanien gelungen ist. Nach Schätzungen der American Wind Energy Association (AWEA) sind es rund 3.000 MW Neuanlagen. Alleine Siemens installiert in diesem Jahr in der texanischen Prärie 128 Stück seiner 2,3 MW Windturbinen.

Repower Systems aus Hamburg wird 2007 erstmals 56 seiner Anlagen für einen Windpark an der Westküste in die USA liefern. Allerdings könnte der boomende amerikanische Markt schon bald einen Rückschlag hinnehmen müssen, denn Ende 2007 läuft der Steuerrabatt für Windparks in Höhe von 1,9 US-Cent pro Kilowattstunde wieder aus, und es ist nicht sicher, ob der Kongreß die Förderung verlängert.

Im August 2007 geben die Shell WindEnergy Inc. (eine Tochterfirma des britischen Ölkonzerns und des US-amerikanischen Energieversorgers TXU) und die Firma Luminant ihren Plan bekannt, in Briscoe County südöstlich von Amarillo, Texas, einen Windpark mit einer Leistung von 3.000 MW zu errichten. Ein konkreter Zeitplan liegt allerdings noch nicht vor. Außerdem beteiligen die beiden Unternehmen am Konzept der unterirdischen Energiespeicherung mittels Druckluft (s.d.).

Federführend ist hierbei die General Compression aus dem Ostküstenstaat Massachusetts, die eine Technik entwickelt hat, mit der es gelingen soll Windenergie fast ohne Energieverluste zu speichern. Die sogenannte Dudelsack-Technik umgeht die Schwierigkeit, den von Windkraftwerken produzierten Strom zu speichern – indem die Anlagen anstatt mittels einem Generator Elektrizität gleich durch einen Kompressor Druckluft erzeugen, die dann gespeichert wird. Kavernen, Salzstöcke oder leere Erdgasfelder entsprechender Größe können einen Monat lang mit Druckluft voll gepumpt werden. Je nach Bedarf läßt man die Druckluft dann entweichen und durch eine Turbine schießen, die einen Generator antreibt, der zuverlässig und unabhängig von den Launen des Windes Strom ins Netz speist. Die in den USA Dispatchable Wind Power System (DWPS) genannte Technik ist allerdings nicht neu, denn weltweit existieren schon zwei entsprechende Anlagen, eine in McIntosh im US-Bundesstaat Alabama, die andere im niedersächsischen Huntorf (s.d.). Allerdings ist der Ausgangspunkt in beiden Fällen Elektrizität, wobei der Wind unter großem Energieverlust erst in Strom, dieser in Druckluft und diese schlußendlich wieder zurück in Strom umgewandelt wird. Da General Compression dagegen auf den ersten Schritt gänzlich verzichtet, wird hier eine deutlich höhere Effizienz erreicht.

Bis die Technik angewandt wird, wird es noch etwas dauern, denn in den nächsten Jahren soll erst einmal weiter geforscht werden. 2010 sollen dann die ersten Prototypen gebaut werden, die kommerzielle Produktion 2011 wird beginnen.

Auch der texanische Investor Boone Pickens möchte mit seinem Unternehmen Mesa Power Windenergie-Investitionen im Bereich von 2.000 bis 4.000 MW tätigen.

2007 gilt die Windfarm des Horse Hollow Wind Energy Center in Taylor and Nolan County, Texas, als die größte weltweit. Die dort errichteten 421 Windturbinen (291 Stück GE Energy mit 1,5 MW und 130 Stück Siemens 2,3 MW-Anlagen) erzeugen gemeinsam 735 MW, der Park war Ende 2006 ans Netz gegangen. Das Unternehmen betreibt US-weit noch weitere 46 Windparks mit einer Gesamtkapazität von 4.002 MW.

Auch die zweitgrößte Windfarm der Welt befindet sich hier: Im Mai dieses Jahres ging der vierte Anlagenteil des Sweetwater wind project in Betrieb, sodaß die Leistung inzwischen 504,8 MW beträgt – wobei der fünfte Teil, derzeit im Entstehen, weiter 80,5 MW hinzufügen wird.

Der drittgrößte Windpark wird derzeit im Nordosten Colorados errichtet. Das Bauprojekt des Peetz Table Wind Energy Centre soll bereits Ende 2007 abgeschlossen werden und dann 400 MW leisten.

Die Florida Power & Light Company (FPL Energy) gilt derzeit als führender Entwickler und Betreiber von Windparks (obwohl man auch andere Energien nutzt, darunter sogar Kernkraftwerke). Das Unternehmen plant seine Kapazität bis Ende 2008 um 2.000 MW Windenergie zu erhöhen, weitere 2.000 MW sollen dann bis 2012 folgen, sodaß man dann insgesamt über 10.000 MW Windenergie anbieten kann.

Bis Ende 2007 ist die Gesamtleistung der US-Windkraftparks auf 13.885 MW Leistung angewachsen. Die meisten neuen Anlagen wurden in Texas errichtet (s.o.), andere Bundesstaaten mit umfangreichen Aktivitäten sind Kalifornien, Iowa und Minnesota.

Bereits Ende September feierte die Siemens Power Generation in Fort Madison, Iowa, die Eröffnung einer neuen Produktionsstätte für Rotorblätter mit einem Jahresausstoß von 600 Blättern. Die 45 m langen und 10 t schweren Blätter sind für die 2,3 MW Windkraftanlagen gedacht, die in den USA errichtet werden. Im Oktober werden Pläne für zwei weitere große Produktionsanlagen in Arkansas und Iowa bekannt.

Nach dieser Länderübersicht folgt nun eine Auflistung der weniger konventionellen Windenergiesysteme – angefangen von den Vertikalachsen-Rotoren bis hin zu Augmentor-Systemen, bei denen der Wind zum Wirbeln gebracht wird, um eine höhere Energieausbeute zu erreichen.