Was bringt eine Verdopplung der Windenergie?

Von Reinhard Storz

Um in Zukunft weniger Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangen zu lassen, sollen in Deutschland  Kohlekraftwerke durch Sonnendächer und Windräder zur Stromerzeugung ersetzt werden. Nun wollen wir uns den Einfluss der Verdoppelung der Windenergie anhand einiger Graphiken ansehen. Da der Wind nicht gleichmäßig über das Jahr weht bringen wir etwas Ordnung in die Windstromerzeugung. Dazu dient eine Graphik, in der wir das Jahr anders als üblich aufteilen.

Üblicherweise beginnt ein Kalender ja links mit dem 1. Januar und endet rechts mit dem 31. Dezember. Wir teilen das Jahr nun so auf, dass wir in einer Graphik die Stunden mit der höchsten Windstromerzeugung links anordnen, daneben die Stunden mit der zweithöchsten  Windstromerzeugung, dann die Stunden mit der dritthöchsten  Windstromerzeugung und so weiter. (Siehe Abbildung 1)

Da es erhebliche Unterschiede gibt zwischen Windrädern im Meer und Windrädern im Land, befassen wir uns zunächst mit den Windrädern im Land. Auch dort gibt es Unterschiede in der Stromerzeugung. Windräder im Flachland oder auf Bergen erzeugen mehr Strom als solche an einem ungünstigeren Standort im Tal zwischen Bergen. Deshalb gehen wir von einem Mittelwert für Windräder an Land aus.

Die Stromerzeugung eines Windrades hängt von der 3. Potenz der Windgeschwindigkeit ab. Bei doppelter Windgeschwindigkeit erzeugt das Windrad daher die achtfache Menge Strom. Andererseits bei der Hälfte der Windgeschwindigkeit auch nur ein Achtel der Strommenge. Die gewinnbare Strommenge ist also extrem abhängig von der Windstärke. Außerdem besteht die Gefahr, dass die Windräder bei Sturm zerstört werden. Deshalb werden oberhalb Windstärke 8 die Propellerflügel in den Wind gedreht um dem Wind eine geringere Angriffsfläche zu bieten. Strom wird dann nicht mehr erzeugt. Für das Jahr 2018 findet man in Wikipedia beispielsweise folgende Zahlen: Stromerzeugung durch Windräder an Land (onshore) 90.484GWh. Installierte Leistung 52.565MW. Das entspricht im Durchschnitt 1721 Vollaststunden. (Siehe Abbildung 2)

Stromerzeugung durch Windräder im Meer (offshore) 19464GWh. Installierte Leistung 6417MW. Das entspricht im Durchschnitt 3033 Vollaststunden. Mit einem Windrad, welches im Meer aufgestellt ist, kann man also fast doppelt soviel Strom erzeugen wie an Land. Das wird in dieser folgenden Abbildung leider nicht deutlich, da 2018 die im Meer installierte Leistung gegenüber den Windrädern an Land nur etwa den neunten Teil beträgt. Da der Wind auf dem Meer etwas gleichmäßiger weht, ist die Zahl der Betriebsstunden etwas höher als an Land.

(Siehe Abbildung 3)

In der folgenden Abbildung summieren wir nun die erzeugten Strommengen der Anlagen an Land (hellgrün) und der Anlagen auf dem Meer (dunkelgrün). Unterstellen wir nun, dass die blaue horizontale Linie den Strombedarf darstellt. Der schwankt zwar auch im Tagesverlauf und ist an Werktagen und im Winter höher als an Feiertagen oder im Sommer. Das soll uns jedoch nicht bekümmern, da es hier um grundsätzliche Erkenntnisse geht. Wir unterstellen, dass wir zu einer gegebenen Zeit, in der ein Teil des Strombedarfs durch Solarenergie, ein anderer Teil durch Biogas, Erdwärme etc. gedeckt wird und ein gewisser restlicher Strombedarf, der in der folgenden Abbildung durch die blaue Linie gekennzeichnet, möglichst durch Windenergie mit dieser Nennleistung gedeckt werden soll.

(Siehe Abbildung 4)

In diesem Fall ist die höchste Stromerzeugung aus Windenergie, am linken Rand der Grafik, gerade in der Lage den  Strombedarf zu decken. Eine Stunde später ist das schon nicht mehr der Fall und je weiter wir in der Grafik nach rechts gehen, umso geringer wird der Anteil am Verbrauch, der mit dem erzeugten Windstrom abgedeckt werden kann.

Als Lösung für dieses Dilemma wird nun vorgeschlagen, die Zahl der Windräder beispielsweise zu verdoppeln. Das Ergebnis dieser Maßnahme ist in der folgenden Graphik zu sehen.

(Siehe Abbildung 5)

Die jetzt verdoppelte Anzahl Windräder erzeugt in der Stunde am linken Rand der Graphik doppelt so viel Strom wie zuvor. Aber auch hier fällt die Stromerzeugung in gleicher Weise nach rechts kontinuierlich um bei etwa 80% der Jahresstunden, wie zuvor bei der halben Leistung, den Wert Null zu erreichen. Die zuvor mit der Hälfte der Windräder erzeugte Fläche ist hier grau dargestellt. Unsere zusätzliche Stromausbeute entspricht der dunkelgrüne Fläche.

Etwas mehr als die Hälfte des so zusätzlich gewonnenen Stroms liegt unterhalb der blauen Linie, die den aktuellen Strombedarf darstellt. Dieser Anteil ist nutzbar. (Siehe Abbildung 5)

Wir erkennen aber auch, dass etwas weniger als die Hälfte des zusätzlich gewonnenen Stroms oberhalb der blauen Linie des Strombedarfs liegt. Dieser Anteil kann nicht eingespeist werden, da es dafür aktuell keinen Bedarf gibt. Andererseits sehen wir weiter rechts große Lücken in der Stromversorgung. Die können jedoch durch den überschüssigen Windstrom nicht ausgefüllt werden, da sie zu anderen Zeiten liegen.

Um diesen Zeitunterschied auszugleichen sind Stromspeicher erforderlich, in die zu Zeiten hoher Windstromproduktion der Überschuss gespeichert werden kann, um dann in Zeiten des Strommangels aus dem Speicher in das Netz zurückgegeben zu werden, um dort die Lücke zu füllen. (Siehe Abbildung 6)

Wenn man die Anzahl un damit die Leistung der Windenergie- Anlagen noch weiter erhöht, als in diesem Beispiel dargestellt, wird der zusätzlich nutzbare Anteil mit jedem Schritt kleiner und der ohne Speicher nicht nutzbare Anteil immer größer. An einem Aufbau großer Speicherkapazitäten für Strom, parallel zum Ausbau der Windräder führt also kein Weg vorbei.

Zum Abschluss noch eine Anmerkung zu den jährlichen Betriebsstunden. Jede technische Einrichtung muss von Zeit zu Zeit überprüft, gewartet und instandgesetzt werden. Von den Oberflächen von Solarzellen müssen beispielsweise, ebenso wie von den Heizflächen in Dampfkesseln, Verschmutzungen der Oberflächen beseitigt werden. Nachdem von Windrädern einzelne Flügel abgebrochen und mehr als 100m durch die Luft geflogen sind und auch andere Schäden, bis zum kompletten Umfallen eines Windrades, vorgekommen sind, werden auch an Windrädern regelmäßig umfangreiche technische Überprüfungen durchgeführt, die natürlich auch Stillstandszeiten verursachen.

Im Wesentlichen sind die geringen Vollaststunden (1721 Vollaststunden bei Windrädern an Land, 3033 Vollaststunden im Meer laut Wikipedia im Jahre 2018)  aber darauf zurückzuführen, dass der Wind seine Energie nur unregelmäßig anbietet. Das ändert sich auch von Jahr zu Jahr, wenn sich windreiche Jahre mit Windarmen abwechseln. Zum Vergleich schauen wir uns die Vollaststunden von Kohle- und Atomkraftwerken an, die ja durch die Windräder ersetzt werden sollen. Dafür finden wir in Wikipedia: (Auszug)

Energieträger Vollaststunden Jahresnutzungsgrad
Braunkohle (2008) 6650 75,9%
Steinkohle (2008) 3550 40,5%
Kernenergie (2008) 7700 87,9%
Windkraft onshore (deutsche Neuanlagen seit 2013) 2150 24,5%
Photovoltaik (Hamburg 2008) 840 9,6%

Zu diesen Zahlen ist anzumerken, dass die thermischen Stromerzeuger in der Folge Steinkohle, Braunkohle und Kernenergie in ihrer Leistung schon seit vielen Jahren zurückgefahren werden, um Platz zu machen für Strom aus Windkraft und Photovoltaik, soweit vorhanden. Das hat zur Folge, dass sich die Betriebszeiten der thermischen Stromerzeuger kontinuierlich zugunsten von Windkraft und Photovoltaik verringern.

Abschließend noch eine Anmerkung zur Situation in der Zukunft. Da ja europaweit in den kommenden Jahren Solar- und Windstromanlagen ausgebaut werden sollen und die Sonne auch in den Nachbarländern zur selben Zeit scheint, können wir in Zukunft keinen überschüssigen Solarstrom in die Nachbarländer abgeben, da dort zur selben Zeit ein Überschuss auftritt. Andererseits können wir von dort auch nachts keinen Solarstrom beziehen, da dort ebenfalls Solarstrommangel herrscht.

Ebenso wird es beim Windstrom sein. Wenn es in Deutschland brauchbaren Wind zur Stromerzeugung gibt ist das gleichzeitig meist auch in den Nachbarländern der Fall, so dass dort ebenfalls ein Überschuss an Windstrom anfällt. Der bei uns anfallende Überschuss kann dann nicht mehr ins Ausland abgegeben werden. Und wenn bei uns Windstille herrscht ist das häufig auch in den Nachbarländern der Fall. An der Errichtung von gigantischen Stromspeichern, die uns viel Geld kosten werden, führt also kein Weg vorbei.

Andererseits fällt für Güter die im Überfluss vorhanden sind, der Preis. So registrieren wir schon heute zu Zeiten, in denen die Sonne scheint und der Wind weht, an der Strombörse Handelspreise nahe Null oder im negativen Bereich. Man muss also Zuzahlen wenn man erzeugten Strom abgeben will. Mit dem weiteren europaweiten Ausbau von Wind- und Solarstromanlagen werden sich die Zeiten, in denen erzeugter Strom praktisch wertlos ist, ohne Speichermöglichkeit bedauerlicherweise noch vergrößern. Andererseits können dadurch in Zukunft die erheblichen Kosten für die Stromspeicherung wenigstens zum Teil ausgeglichen werden.