Windkraft: Potenziell die größte Chance für saubere Energie
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Aktualisiert am: 03 Mar 2021
https://climatescience.org/de/advanced-energy-wind/
Momentan stellt die Windenergie nur 0,8 % der globalen Energieversorgung dar 
. In diesem Kapitel werden wir einen Blick darauf werfen, wie wir diesen Anteil vergrößern können. Aber dazu schauen wir uns erst einmal an, wie genau Windenergie funktioniert.
Earthly mit Schirm
Wie funktioniert Windenergie?
Windenergie kommt aus großen Windrädern, welche die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie umwandeln .
Die meisten Windräder haben zwei oder drei Rotorblätter, die so entworfen sind, dass sie sich drehen, wenn der Wind in einem bestimmten Winkel auf sie trifft . Die Blätter drehen dann einen Rotor, welcher einen Generator antreibt, um Strom zu erzeugen .
Wie viel kostet Windkraft?
Die Onshore-Windenergie (bei der sich die Turbinen auf dem Land befinden) ist eine der billigsten erneuerbaren Energien, die wir haben und in einigen Fällen ist sie sogar noch billiger als Energie aus fossilen Brennstoffen .
Dieser Preis wird voraussichtlich in Zukunft noch weiter sinken . Bis 2030 werden die durchschnittlichen globalen Kosten für Onshore-Windenergie wahrscheinlich auf $0,03-0,05 pro kWh sinken. 2018 waren es noch $0,06 pro kWh .
Je mehr Turbinen wir bauen, desto billiger wird die Herstellung . Das ist auf den sogenanntenSkaleneffekt zurückzuführen: Einige Herstellungskosten fallen nur einmal an (wie z. B. das Design), ganz egal, wie viele Exemplare des Produktes hergestellt werden. Deshalb wird die Herstellung im Durchschnitt, also pro Exemplar, billiger .
Windenergie wird außerdem dadurch billiger, dass die Menge an Energie, die jede Turbine erzeugt, größer ist als zuvor . Das ist auf technische Fortschritte zurückzuführen.
Verbesserung der Windkraftanlagen?
Zwei wichtige Zahlen müssen beachtet werden:
Nennleistung: Turbinen generieren mehr Strom, wenn der Wind schneller weht, true? Richtig. Aber es gibt einen gewissen Punkt, an dem das nicht mehr der Fall ist. Dieser Punkt wird Nennleistung genannt und je höher sie ist, desto besser.
Nennleistung von Windkraftanlagen
Kapazitäsfaktor: Das ist der Anteil der Zeit, in der die Turbine auf ihrer Nennleistung läuft . Wenn eine Windkraftanlage in einer wenig windigen Region errichtet wird, wird sie wohl selten ihre Nennleistung erreichen. Sie wird also einen geringen Kapazitätsfaktor haben. Momentan haben Onshore-Windkraftanlagen einen Nutzungsgrad von nur 34 % .
Kapazitätsfaktor von Onshore-Windkraftanlagen
Bis wir diese Zahl erhöhen, werden wir den Wind nicht als stabile Stromversorgung nutzen können , es sei denn, wir geben große Mengen an Geld aus, um einen Weg zu finden, die überschüssige Energie zu speichern, um sie an weniger windigen Tagen nutzen zu können .
Schauen wir uns vor diesem Hintergrund also an, wie man diese Zahlen vergrößern könnte.
Größer ist besser - Erhöhung der Nennleistung
In den letzten Jahren sind Windkraftanlagen immer größer geworden . Das untere Bild zeigt, wie sich der Durchmesser der Rotorblätter in den USA in den letzten 20 Jahren entwickelt hat:
Turbinendurchmesser in den USA im Laufe der Zeit
Dieses Wachstum bedeutet, dass Windenergieanlagen heutzutage durchschnittlich viel mehr Strom generieren können.
Während der Bau größerer Windkraftanlagen teurer ist, produzieren sie auch mehr Energie, so dass sie langfristig billiger sind .
Die Rotorblätter werden jetzt jedoch so groß, dass deren Transport viel schwieriger wird . Das bedeutet, dass wir die Turbinen vor Ort bauen müssen, was sehr kostspielig sein kann . Größere Turbinen sind durch den Wind auch größeren Kräften ausgesetzt und müssen deshalb aus stärkeren Materialien gebaut werden, welche meistens schwieriger herzustellen sind .
Natürlich bedeutet die Erhöhung der Nennleistung einer Turbine nicht viel, wenn sie selten mit dieser Leistung betrieben wird, da der Wind zu schwach ist. Was können wir dagegen tun?
Kann Windenergie zuverlässig sein? Erhöhe den Kapazitätsfaktor!
Allgemein kann man sagen, dass der Wind auf See schneller und konstanter weht, als an Land . Deshalb können Windkraftanlagen auf See (genannt Offshore-Windkraftanlagen mehr Strom konsistenter produzieren .
Onshore vs Offshore
Außerdem weht Wind auch in höheren Höhen stärker und konstanter, so dass der Bau höherer Turbinen eine ähnliche Wirkung erzielt . Allerdings braucht es dazu genau wie bei größeren Turbinen stärkere Materialien, welche aktuell teurer sind .
Also wie können wir stattdessen diese hohe Windenergie gewinnen?
Flugwindkraft - können wir zu höheren Kapazitätsfaktoren aufsteigen?
Als Flugwindkraft bezeichnet man eine Reihe von Technologien, bei denen die sehr intensiven Winde hoch oben in der Atmosphäre eingefangen werden .
Konventionelles Windkraftwerk vs. Drachenkraftwerk
Eine dieser Technologien funktioniert mit Drachen, die man in Höhen zwischen 70-450m steigen lässt, um so Energie zu gewinnen . Und so funktioniert’s :
- Die Drachen sind an langen Kabeln befestigt, die auf einer am Boden befestigten Spule aufgewickelt sind.
- Die Drachen werden so gelenkt, dass sie wegfliegen und somit am Kabel ziehen und die Spule abwickeln, was dann Strom erzeugt.
- Wenn die Spule vollständig abgewickelt ist, wird der Drache so eingestellt, dass er mit weniger Energieaufwand am Kabel zurückgezogen werden kann, als zuvor generiert wurde.
Drachenkraft
Es muss noch mehr Forschung betrieben werden, bevor dies wirtschaftlich rentabel wird, aber die Technologie hat das Potential, die Kapazität von Windkraft von etwa 35 % auf 60 % zu erhöhen.
Wie sieht es mit Umweltkosten aus?
Bedenken bezüglich Windkraftanlagen
Sehen wir sie uns eins nach dem anderen an.
Ästhetische Auswirkungen: Die visuelle (Zer-)störung der Landschaft kann verringert werden, indem Windparks an abgelegenen Orten oder Offshore errichtet werden. Wo es möglich ist, könnten die Betreiber im Bezug auf Planung und Besitz der Parks auch lokale Orte und Gemeinden miteinbeziehen .
Lärm: Indem die Form der Rotorblätter verändert wird, kann der Lärm, den sie verursachen, ein wenig verringert werden . Auch das mechanische Geräusch der Turbinen kann reduziert werden , indem leisere Zahnräder benutzt oder geräuschdämmende Gehäuse um die Turbinen angebracht werden.
Radiowellen: Windparks können Radiowellen stören . Das kann die Radarnavigationssysteme von Flugzeugen oder Schiffen beeinflussen, die sich in der Nähe befinden . Wir müssen also Wege finden, unsere Radarsysteme so einzustellen, dass sie die Signale von Windrädern erkennen und/oder neue Windkraftanlagen aus radarabsorbierenden Materialien bauen .
Vögel können durch den Zusammenstoß mit rotierenden Rotorblätter umkommen . Dem kann man vorbeugen, indem wir Windparks nicht in Gegenden mit vielen Vögeln errichten . Vögel können auch geschützt werden, indem Windräder abgeschaltet werden, wenn sich seltene Vogelarten in der Nähe aufhalten . Für Offshore-Windparks kann die Höhe der Windkraftanlagen angepasst werden, um Überschneidungen mit Flugbahnen der Seevögel zu vermeiden .
Landnutzung
Große Windenergieanlagen können viel Energie erzeugen, aber sie nehmen auch viel Platz ein . Ein 3,4km² großes Atomkraftwerk würde genauso viel Strom erzeugen wie eine Fläche von 344km² voller Windräder . Wenn wir allerdings den Raum zwischen Windkraftanlagen nutzen würden, um z. B. Nahrungsmittel anzubauen, würden wir die tatsächliche Fläche, die an die Windenergie u0022verlorenu0022 geht, um über 90 % reduzieren !
Benötigte Fläche für Windparks
Windparks, die auf dem Meer schwimmen
Ein offensichtlicher Weg, wie wir die Landfläche reduzieren können, die für Windparks erforderlich ist, wäre, sie Offshore zu errichten.
Wir haben schon gelernt, dass Offshore-Windparks höhere Nennleistungen und Kapazitätsfaktoren haben, aber auch, dass es mehr kostet, sie zu errichten und instand zu halten . Nichtsdestotrotz sorgt der Skaleneffekt dafür, dass mit wachsender Nachfrage in Zukunft viel mehr Offshore-Windparks gebaut werden könnten .
Momentan können Offshore-Windparks nur in Küstennähe auf flachen Kontinentalschelfen errichtet werden . Diese machen aber nur rund 10 % des Ozeans aus, was die Fläche, die uns für Windparks zur Verfügung steht, stark einschränkt. Außerdem sind die Winde auf Kontinentalschelfen schwächer und unzuverlässiger als auf hoher See .
Um dieses Problem zu lösen, arbeiten Ingenieure an schwimmenden Windkraftanlagen . Diese sind mit langen Kabeln am Meeresgrund verankert und können in fast jeder Tiefe angebracht werden .
Schwimmende Windkraftanlage
Diese Technologie wird gerade in mehreren Versuchen auf der ganzen Welt getestet. Eine schwimmende Windkraftanlage läuft zum Beispiel seit 2017 vor der Küste Schottlands mit einer Nennleistung von 30MW und erreicht Kapazitätsfaktoren von bis zu 65 %. Dabei hat sie schon Wellen mit Höhen von bis zu 8,2m überstanden ! Ist das nicht unglaublich?
Zusammenfassung
Große Windturbinen können riesige Mengen sauberer und außerdem kostengünstiger Energie generieren. Das ist toll, aber wenig hilfreich, wenn die Stromquelle nicht stabil ist.
In diesem Kapitel haben wir gelernt, dass unsere beste Chance, die Stabilität von Windkraft zu erhöhen, darin liegt, den Kapazitätsfaktor der Windkraftwerke zu verbessern.
Das wird uns bis zu einem gewissen Punkt weiter bringen, leider ist es uns aber nicht möglich, das Wetter zu kontrollieren. Um den Wind in noch größerem Maßstab zu nutzen, benötigen wir riesige Energiespeichermöglichkeiten, um windarme Phasen auszugleichen .
Eine erneuerbare Energiequelle, die kostengünstig und zuverlässig ist, ist Wasserkraft – Das Thema unseres nächsten Kapitels!
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