Windenergie - Wieviel Strom produziert ein Windrad ?

Anläßlich der aktuell oft sehr irrational geführten Diskussion um erneuerbare Energien finden Sie hier eine kurze Einführung in das Thema Windenergie, anhand konkreter Beispiele wird gezeigt wieviel Strom ein Windrad produziert, und wie die Alternativen dazu aussehen würden, wenn man diese Energie durch Kohlekraftwerke erzeugen müsste.

Wenn man sich noch nicht näher mit dem Thema beschäftigt hat, macht es Sinn diese kurze Einführung hier zu lesen und zu versuchen die Zusammenhänge und Umweltfaktoren ein wenige besser zu verstehen.

Für die ganz Eiligen hier direkte Links zu den Beispielen :-)

 

Gleich vorweg, Windenergie stellt aktuell gemeinsam mit Photovoltaik und Wasserkraft die wirtschaftlich und ökologisch günstigste Form der Stromerzeugung dar, und zwar entgegen den oft sehr ärgerlichen Falschbehauptungen von fanatischen Kritikern natürlich ohne Einberechnung von Subventionen. Früher war das nicht so, da waren solche Anlagen oft nur mit hohen Subventionen betreibbar. Die letzten Jahre haben sich Technik, Wirkungsgrad und Herstellungskosten aber dermaßen verbessert, dass Strom aus Photovoltaik und Windenergie aktuell mit den niedrigsten Stromkosten pro kWh punkten kann, und insbesondere bei den Umwelt- und Folgekosten weit besser dasteht, als jede Form eines traditionellen thermischen Kraftwerks.

 

Das alles ändert selbsterständlich nichts an folgenden Problemen, die man in der Gesamtbetrachtung berücksichtigen muss:

  • Große Windräder müssen in entsprechendem Abstand zu bewohnten Gebieten aufgestellt werden, da sie störende Schatten werfen, und Lärm emittieren. Hier wurde bei manchen Anlagen zu wenig Rücksicht auf Bedürfnisse von Anrainern genommen, das war, neben der Rücksichtslosigkeit gegenüber den betroffenen Menschen, auch für die zukünftig notwendige Energiewende wenig hilfreich.
  • Windräder verbrauchen beträchtliche Ressourcen bei der Errichtung, und sind schwer zu entsorgen. Es ist also durch politisch sinnvolle Maßnahmen notwendig, möglichst lange Laufzeiten zu ermöglichen, um die Umweltverträglichkeit soweit wie möglich zu verbessern. Oft drängt eine unsinnige Strompreisgestaltung die Betreiber gut funktionierender, aber älterer Anlagen dazu, aus betriebswirtschaftlichen Gründen den Betrieb einzustellen, weil der laufende Betrieb und die Wartungskosten den Ertrag oft übersteigen. Obwohl solche bestehenden Anlage bei einem geringfügig höheren Strompreis noch viele Jahre gut betreibbar wären, müssen sie wegen der oft sehr niedrigen Strompreise abgeschaltet und abgebaut werden. (Hier geht es natürlich nicht um den Strompreis für Endverbraucher, sondern um den Großhandelspreis!). Aktuell setzt sich der Endverbrauchspreis für den Konsumenten typischerweise aus einem relativ geringen Strompreis, aber sehr hohen Nebenkosten wie Steuern, Sonderabgaben, Leitungsgebühren und ähnlichen Abgaben zusammen. Ein geringfügig höherer Strompreis würde also den kleinen Betreibern sehr helfen, und am Endverbrauchspreis kaum was ändern, und wäre dort durch Änderung des Steuer- und Abgabensystems leicht zu verändern.
    Eine Rentabilität älterer Anlagen ist meist ab 8 Cent pro kWh gegeben, solche Preise würden sich für die Endverbraucher kaum bemerkbar auswirken, würden aber damit die Umweltbelastung durch frühen Abriss ansonsten nicht mehr rentabler Anlagen drastisch reduzieren. Neuere Anlagen sind bereits bei 4 - 8 Cent/kWh rentabel, große Anlagen mit optimalen Standorten gehören mit ca. 4 Cent/kWh zu den günstigsten Stromerzeugungsanlagen die uns überhaupt zur Verfügung stehen, sie liegen weit unter den Erzeugungskosten konventioneller Kraftwerke.
  • Windkraft steht nicht immer zur Verfügung und ist daher nicht grundlastfähig. Um ein stabiles Stromnetz zu betreiben benötigt man grundlastfähige Kraftwerke, die dauerhaft und zuverlässig elektrische Leistung bereitstellen. Windenergie kann das, ebenso wie Photovoltaik, ohne zusätzliche Speichermöglichkeiten nicht leisten. Daraus folgt, dass zusätzlich zum steigenden Anteil erneuerbarer Energien aus PV und Wind unbedingt Speichermöglichkeiten gebaut werden müssen, aus denen eine zuverlässige Grundlast bereitgestellt werden kann. Es müssen also Zeiten überbrückt werden können, in denen PV Anlagen und Windparks keinen oder zu wenig Strom produzieren. Dazu wären vor allem Anlagen notwendig, die eine saisonale Speicherung ermöglichen. Das ist technisch möglich, jedoch teuer und aufwändig, und bislang ist zu wenig Bereitschaft und Pioniergeist zu erkennen eine solche Entwicklung in großem Stil ernsthaft voranzutreiben. Technische Möglichkeiten wären z.B. die Herstellung von Wasserstoff, Methanol, Methan, E-Fuels oder ähnlichen Energieträgern, die man mit Einsatz von Strom aus Wasser und CO2 produzieren und lagern kann. Aus solchen Energieträgern läßt sich dann später wieder über Brennstoffzellen oder den Betrieb von Motoren, Turbinen oder sonstigen Wärmekraftmaschinen Strom erzeugen. Durch sinnvolle Integration in vorhandene Industrien (etwa die Nutzung der Abwärme und anfallenden Nebenprodukte wie Sauerstoff) lassen sich dabei die Erzeugungsverluste auf ein erträgliches Maß reduzieren. Der Gesamtwirkungsgrad solcher Anlagen ist zwar mit etwa 45% bescheiden und weit schlechter als z.B. ein großes Wasserspeicherkraftwerk, das auf etwa 80% Gesamtwirkungsgrad kommt, wenn genügend Wind- und Solarstrom zur Verfügung steht ist das aber in der Gesamtbilanz trotzdem praktikabel und sinnvoll. Man sollte auch bedenken, dass in der aktuellen Situation große Mengen Grünstrom nicht genutzt werden können, da es z.B. an windigen und sonnigen Tagen öfter vorkommt, dass aus Mangel an Speichermöglichkeiten und zu geringer Netzlast Windgeneratoren abgeschalten und PV Anlagen zurückgeregelt werden, deren Ertrag ansonsten zur Herstellung lagerbarer Energieträger genützt werden könnte. In Deutschland lag der Wert dieser nicht nutzbaren Produktion im Jahr 2020 bei etwa 6 Terawattstunden, das entspricht etwa dem Jahresstromverbrauch einer mittelgroßen Stadt.
  • Windräder führen zu Schäden an der Vogelpopulation. Das Ausmaß wird allerdings von Kritikern gerne maßlos übertrieben, und es wird mit aus dem Kontext gerissenen Zahlen argumentiert. Faktum ist, es ist ein Problem, es steht aber kaum in ernsthafter Relation zu sonstigen Schäden an der Vogelpopulation durch andere Effekte unserer Zivilisation. Dennoch muss man diesen Faktor bei der Standortwahl berücksichtigen und über technische Möglichkeiten nachdenken die Auswirkungen zu minimieren.

 

Große Windräder sind je nach Standort und Einsatzzweck so ausgelegt, dass sie bei Windgeschwindigkeiten von zwischen 10 bis 13m pro Sekunde (also etwa 36 bis 44 km/h) ihre Nennleistung erreichen. Bei weniger Wind ist die Produktion stark eingeschränkt, bei höheren Windgeschwindigkeiten kann dennoch nicht mehr Strom produziert werden, bei Sturm/Orkan werden die Anlagen abgeschaltet. Bei großen Anlagen erfolgt dies durch Änderung des Anstellwinkels der Rotorblätter auf neutral, bei Kleinanlagen wird der Rotor abgebremst und mechanisch blockiert.

 

Das immer wieder auftauchende Argument, Windkraftanlagen würden bei der Erzeugung und Installation viel mehr Energie benötigen als sie erzeugen, ist grober Unsinn. Die Energierücklaufzeit der aktuellen Anlagen liegt bei 4 bis 7 Monaten, und liegt damit ähnlich wie bei Photovoltaik bei einem Bruchteil der Nutzungsdauer. Bei solchen Argumenten gegen Windkraft wird auch gerne vergessen, den Herstellungs- und Entsorgungsaufwand bei Kraftwerken sowie den Aufwand zur Rohstoffbeschaffung einzuberechnen, der bei Windgeneratoren aber gerne als größtes Gegenargument herangezogen wird.

Windenergie stellt in Österreich noch einen relativ kleinen Anteil der Bruttostromerzeugung dar, er liegt aktuell etwa bei 10%, in Deutschland liegt er inzwischen bei 23%. Spitzenreiter ist Dänemarkt mit einem Anteil an der Stromproduktion von inzwischen 56%. Weitere Länder mit sehr hohen Anteilen an Windkraft: Uruguay (40%), Litauen (36%), Irland (35%).

 

Um die Frage zu beantworten wieviel Strom ein Windgenerator über das Jahr produziert gibt es neben der Nennleistung der Anlage vor allem zwei wichtige Werte:

Volllaststunden: Wieviele Stunden im Jahr läuft die Anlage auf Nennleistung

Je nach Standort werden für Deutschland folgende Werte angenommen (Stand 2019)

Onshore: Binnenland 1800
Onshore: Norddeutschland 2500
Onshore: Küstennahe und windreiche Standorte 3200
   
Offshore: geringe Entfernung von Küste 3200
Offshore: mittlere Entfernung von Küste 3600
Offshore: sehr gute Standorte 4500
Capacity Factor: Wieviel Prozent der theoretischen maximalen Leistung werden in der Praxis über das Jahr erreicht, also ein Vergleich des tatsächlichen Ertrages mit dem hypothetischem Ertrag, wenn die Anlage ein Jahr lang ununterbrochen auf Nennleistung laufen würde.
Für den Gesamtbestand der Anlagen (Stand 2019)  
Onshore 24%
Offshore 38%
   
Für heute neu gebaute Anlagen:  
Onshore 30-35%
Offshore 35-55%

 

 

Beispielanlagen mit realen Erzeugungsdaten


Anhand von konkreten Beispielen wird hier gezeigt wieviel Strom ein Windgenerator in der realen Welt produziert. Um eine Vorstellung von Strommenge und Umweltfaktoren zu bekommen werden neben Daten zur Anlage noch einige gut vorstellbare Vergleichswerte aufgezeigt.

 


Anlage 1: Enercon E-82 (ältere mittelgroße Anlage)

Standort: Binnenland, mäßiger Standort mit geringer Zahl von Volllaststunden

Nennleistung 2000 kW
Nabenhöhe 120 m
Rotordurchmesser 82 m
   
Capacity Factor 20%
Volllaststunden/Jahr 1720
Betriebsstunden/Jahr 8000
Jahresproduktion 3530 MWh
Tagesschnitt 9,7 MWh
  • Diese Anlage produziert im jährlichen Schnitt 9,7 MWh pro Tag
  • Um diese täglichen 9,7 MHw Strom zu erzeugen benötigt ein Kohlekraftwerk 3,01 Tonnen Steinkohle
  • Um den Jahresertrag mit einem Kohlekraftwerk zu erzeugen müßte man also 1094 Tonnen Steinkohle verheizen
  • Im Jahresschnitt erzeugt diese Anlage in jeder Stunde soviel Strom, dass ein Mittelklasse E-Fahrzeug damit 2494 km fahren kann
  • In einer einzigen Volllaststunde erzeugt diese Anlage soviel Strom, dass ein Mittelklasse E-Fahrzeug damit 12346 km fahren kann
  • Eine einzige Volllaststunde dieser relativ kleinen Anlage deckt also die jährliche Kilometerleistung eines elektrischen Mittelklasse PKWs vollständig ab

Anlage 2: Enercon E-160 EP5 (neuere Großanlage)

Standort: küstennaher sehr guter windreicher Standort, hohe Zahl an Volllaststunden

Nennleistung 5500 kW
Nabenhöhe 140 m
Rotordurchmesser 160 m
   
Capacity Factor 40%
Volllaststunden/Jahr 3050
Betriebsstunden/Jahr 8300
Jahresproduktion 19300 MWh
Tagesschnitt 53 MWh
  • Diese Anlage produziert im jährlichen Schnitt 53,02 MWh pro Tag
  • Um diese täglichen 53,02 MHw Strom zu erzeugen benötigt ein Kohlekraftwerk 16,44 Tonnen Steinkohle
  • Um den Jahresertrag mit einem Kohlekraftwerk zu erzeugen müßte man also 5983 Tonnen Steinkohle verheizen
  • Im Jahresschnitt erzeugt diese Anlage in jeder Stunde soviel Strom, dass ein Mittelklasse E-Fahrzeug damit 13637 km fahren kann
  • In einer einzigen Volllaststunde erzeugt diese Anlage soviel Strom, dass ein Mittelklasse E-Fahrzeug damit 33951 km fahren kann


Anlage 3: General Electric Haliade-X (topmoderne Großanlage)

Standort: Offshore, hohe Zahl an Volllaststunden

Nennleistung 12000 kW
Nabenhöhe 150m
Rotordurchmesser 220m
   
Capacity Factor 55%
Volllaststunden/Jahr 3980
Betriebsstunden/Jahr 8400
Jahresproduktion 57600 MWh
Tagesschnitt 158 MWh
  • Diese Anlage produziert im jährlichen Schnitt 158,24 MWh pro Tag
  • Um diese täglichen 158,24 MHw Strom zu erzeugen benötigt ein Kohlekraftwerk 49,05 Tonnen Steinkohle
  • Um den Jahresertrag mit einem Kohlekraftwerk zu erzeugen müßte man also 17856 Tonnen Steinkohle verheizen
  • Im Jahresschnitt erzeugt diese Anlage in jeder Stunde soviel Strom, dass ein Mittelklasse E-Fahrzeug damit 40700 km fahren kann
  • In einer einzigen Volllaststunde erzeugt diese Anlage soviel Strom, dass ein Mittelklasse E-Fahrzeug damit 74074 km fahren kann
  • Um den Strom den diese einzelne Anlage produziert mit einem Kohlekraftwerk zu erzeugen, müssten also das ganze Jahr lang 24h am Tag jede Stunde etwas über 2 Tonnen Steinkohle verbrannt werden !

 

Fazit: Wenn man sich diese Zahlen näher vor Augen führt, sollten Diskussionen wie umweltschädlich Windkraftanlagen angeblich sind hoffentlich ein für allemal ausgeräumt sein, da die Umweltbelastung in der Gesamtbetrachtung gegenüber fossilen Energieträgern, insbesondere gegenüber Kohlekraftwerken verschwindend gering ist.

Bedenken Sie, dass die Kohle die in Kraftwerken verbrannt wird zuerst aufwändig und mit gewaltigem Material- und Energieeinsatz abgebaut und transportiert werden muß, und die bei der Verbrennung entstehenden Schadstoffe enorme gesundheitliche Auswirkungen verursachen. Bei der Verbrennung von Kohle werden trotz aufwändiger Filteranlagen neben radioaktiven Substanzen wie Uran und Thorium große Mengen Schwermetalle wie Quecksilber, Cadmium, Nickel, Blei und diverse weitere krebserregende und giftige Stoffe wie Arsen freigesetzt, die sich durch Asche und Feinstaub in der Umwelt flächendeckend, also auch weit abseits der Anlagen, verbreiten.

Feinstaub von Kohlekraftwerken ist hoch krebserregend und einer der schädlichsten Umweltfaktoren die wir überhaupt kennen, und ist für jährlich zehntausende Todesfälle in Europa verantwortlich. Die durch die Verbrennung von Kohle auftretende radioaktive Belastung ist übrigens weit höher, als die durch Kernkraftwerke verursachte Belastung, die selbst mit Einberechnung der beiden schweren Atomunfälle Tschernobyl und Fukushima zwar lokal in der betroffenen Umgebung dramatisch, weiter entfernt aber wenig relevant ist. (Der Anteil der Nuklearunfälle liegt bei ca. 0,7% der radioaktiven Gesamtbelastung, die sich größtenteils durch natürliche Strahlungsquellen und medizinische Anwendungen zusammensetzt)

 

Angesichts der beträchtlichen Schädlichkeit von traditionellen thermischen Kraftwerken sollte man daher auch die Anwendung von Kernkraft generell neu und frei von Ideologie überdenken und eine vernünftige Sachdiskussion führen. Die Abschaltung der Kernkraftwerke in Deutschland vor einigen Jahren war eine völlig irrationale und unsinnige Entscheidung, die enorme Schäden verursacht hat. Die Umweltschäden durch den dann höheren Anteil an Kohlestrom wiegen weit schwerer, als wenn man die Kernkraftwerke weiter betrieben hätte. Sinnvoll wäre es gewesen, ältere Siedewasserreaktoren zu einem betriebstechnisch (und nicht politisch !) sinnvollen Zeitpunkt vom Netz zu nehmen, und Reaktoren neuerer Generation weiterzubetreiben. Solange noch Kohlekraftwerke am Netz sind, ist ein Abschalten von neueren Kernkraftwerken ökologisch und ökonomisch völlig unsinnig.

Während man natürlich versuchen sollte einen möglichst hohen Anteil aus erneuerbaren Energien zu gewinnen,sind die nächsten Jahre bis Jahrzehnte mit heutiger Technik gebaute Kernkraftwerke eine sinnvolle und sehr sichere Art der Energiegewinnung. Die reflexartigen Anwürfe mit Schlagworten wie "Tschernobyl" oder "Fukushima" sind hier nicht sinnvoll oder zutreffend, weil die dort verwendete Technik sowieso heute nicht mehr zeitgemäß ist und beim Neubau von Anlagen nicht mehr eingesetzt wird.

Eine vernünftige Forschung an mit heutiger moderner Technik gebauten Nuklearkraftwerken könnte große Entlastungen für die Umwelt bringen, eine der Entwicklungen geht zu kleinen in sich abgeschlossenen Reaktoren, bei denen die üblichen Sicherheitsrisiken und die bislang auftretenden Entsorgungsprobleme radioaktiven Abfalls kaum noch bestehen. (Stichwort SMA, "small modular reactor") Wirklich gefährliche Reaktortypen wie etwa der beim Atomunfall in Tschernobyl verwendete Reaktortyp der aufgrund seiner Funktionsweise ein grundsätzlich sehr hohes Risikopotential darstellt, gibt es in Deutschland ohnedies nicht.

Anmerkung: Der Unfall in Tschernobyl wurde durch eine Abschaltübung ausgelöst, der dort verwendete Reaktortyp (RBMK-1000) ist ein graphitmoderierter Siedewasserreaktor, der besonders beim Abschalten eine sehr gefährliche Phase durchläuft, genau bei so einem Abschaltvorgang kam es dann in Folge zum Atomunfall mit Kernschmelze.

Mit "erneuerbarern Energien" ist übrigens nicht nur Wind, Wasser und Photovoltaik gemeint, sondern natürlich auch grundlastfähige Anlagen, die aus ökologischer Stromproduktion hergestellte speicherbare Energieträger wie Methanol, Methan, Wasserstoff oder ähnliches dazu verwenden, bei Bedarf Strom zu produzieren. Solche Anlagen gehören mit allem Nachdruck gebaut, sie sind der Schlüssel zu einer wirklich umfassenden Energiewende. Technisch wäre das längst möglich, der politische Wille zur Umsetzung und der dazu notwendige Support aus der Bevölkerung fehlt noch. Und nein, der Strompreis würde deswegen nicht durch die Decke gehen, hier wird leider viel populistischer Unsinn verbreitet, und künstlich herbeigeredete Horrorszenarien füllen die Blogs diverser oft ziemlich fanatischer Aktivisten.

Strom aus erneuerbaren Energien ist heute so billig, dass selbst bei sehr hohen Umwandlungsverlusten und einem schlechten Gesamtwirkungsgrad (ca. 45%) bei der Herstellung und Wiederverstromung von Energieträgern wie Wasserstoff, Methanol, Methan oder sonstigen dazu geeigneten Medien die Stromkosten pro kWh kaum über dem liegen was herkömmliche thermische Kraftwerke leisten können, insbesondere wenn man die ökologischen und gesellschaftlichen Folgekosten ordentlich einrechnet, die z.B. bei Kohle enorm sind. Ein weiterer Pluspunkt kleinerer dezentraler Anlagen die grundlastfähigen Strom umweltfreundlich erzeugen können wäre vor allem auch die erhöhte Versorgungssicherheit und die Möglichkeit Micro-Grids aufzubauen, also kleine isoliert funktionierende Stromnetze für den Krisenfall. In Kombination mit schnellen Speicheranlagen (z.B. Batteriespeicher zur Netzstabilisierung) könnte man so ganze Regionen zumindest mit gewissen Einschränkungen im Falle von Versorgungskrisen autark betreiben.

Fazit: Der Umstig auf erneuerbare Energien ist ein sinnvolles, machbares und vor allem notwendiges Projekt, das für ein längerfristige Überleben auf unserem Planeten absolut essentiell ist. Der Fanatismus und die Irrationalität auf beiden Seiten des politischen Spektrums und daran geknüpfter Interessensgruppen schaden der Sache, es wäre dringend notwendig zu einer vernünftigen Sachdiskussion zurückzukehren, und vor allem eine funktionierende politische Kontrolle des in immer größerem Ausmaß um sich greifenden Lobbyismus zu etablieren, damit Entscheidungen im Sinne der Bürger getroffen werden, und nicht, wie es aktuell der Fall ist, die Bedürfnisse von Lobbyisten auf Kosten der Bürger erfüllt werden.

Es ist klar, dass die Energiewende ein sehr großes Projekt ist, und beträchtliche Ressourcen und vor allem auch viel Zeit benötigt, es ist aber ohne Zweifel gut machbar, wenn der entsprechende politische Wille vorhanden ist. Es ist auch klar, dass das eine oder andere Projekt im Zuge einer solchen Entwicklung auch schief gehen kann, wie etwa diverse Versuche große auf neuartiger Technik beruhende Solarkraftwerke in der Wüste zu betreiben, die sich dann als nicht zuverlässig oder wirtschaftlich nicht tragfähig erwiesen haben, das Scheitern von Projekten ist aber unvermeidbar, und es wäre völlig unsinnig solche gescheiterten Projekte dann als Gegenargumente einzusetzen. Wer nichts tut kann auch nicht scheitern, wer scheitert hat es zumindest versucht, und wird beim nächsten Mal den gleichen Fehler nicht wieder machen.

 

 

Berechnungsgrundlage für Vergleiche:

  • In einem modernen Kohlekraftwerk werden aus einer Tonne Steinkohle etwa 3220 kWh Strom erzeugt (Bei Braunkohle wäre der Verbrauch noch weit höher, da der Energiegehalt deutlich geringer ist)
  • als Durchschnittsverbrauch für Mittelklasse E-Fahrzeuge werden 16,2 kWh/100 angenommen.

 

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