Wieviel Windenergie lässt sich weltweit theoretisch gewinnen?

Helmholtz-Zentrum Berlin am 26.7.2021:

Bleifreie Perowskit-Solarzellen – Wie Fluor-Additive die Qualität verbessern

Zinnhalogenid-Perowskite gelten aktuell als beste Alternative zu den bleihaltigen Analogen, sind jedoch im Vergleich zu diesen noch deutlich weniger effizient und stabil. Nun hat ein Team um Prof. Antonio Abate aus dem HZB die chemischen Prozesse in der Perowskit-Vorläuferlösung und deren Fluoridchemie eingehend analysiert. Durch eine raffinierte Kombination von Messmethoden an BESSY II mit Kernspinresonanz konnten sie zeigen, dass Fluorid die Oxidation von Zinn verhindert, was zu einer homogeneren Filmbildung mit weniger Defekten führt und die Qualität der Halbleiterschicht erhöht.

Weiterlesen beim Helmholtz-Zentrum Berlin. Siehe auch Bericht auf Pressetext.com.

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Tom Chivers auf Unherd.com:

Can we trust the climate scientists?

The reaction to Steven Koonin’s book highlights just how toxic this debate has become

There’s a problem with writing about science — any science — which is that scientists are human like the rest of us. They are not perfect disembodied truth-seeking agents but ordinary, flawed humans navigating social, professional and economic incentive structures.

Most notably, scientists, like people, are social. If they exist in a social or professional circle that believes X, it is hard to say not-X; if they have professed to believe Y, they won’t want to look silly and admit not-Y. It might even be hard to get research funded or published if it isn’t in line with what the wider group believes.

All this makes it very hard, as an outsider, to assess some scientific claims. You can ask some expert, but they will be an expert within the social and professional milieu that you’re looking at, and who will likely share the crony beliefs of that social and professional milieu. All of which often makes it hard to disentangle why scientists do and say the things they do. Especially when it comes to scientific claims that are politically charged, claims on hot-button topics like race, sex, poverty — and of course climate.

Weiterlesen auf Unherd.com

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Im März 2021 erschien in der Meteorologischen Zeitschrift die folgende Arbeit von Axel Kleidon:

Physical limits of wind energy within the atmosphere and its use as renewable energy: From the theoretical basis to practical implications

How much wind energy does the atmosphere generate, and how much of it can at best be used as renewable energy? This review aims to give physically-based answers to both questions, providing first-order estimates and sensitivities that are consistent with those obtained from numerical simulation models. The first part describes how thermodynamics determines how much wind energy the atmosphere is physically capable of generating at large scales from the solar radiative forcing. The work done to generate and maintain large-scale atmospheric motion can be seen as the consequence of an atmospheric heat engine, which is driven by the difference in solar radiative heating between the tropics and the poles. The resulting motion transports heat, which depletes this differential solar heating and the associated, large-scale temperature difference, which drives this energy conversion in the first place. This interaction between the thermodynamic driver (temperature difference) and the resulting dynamics (heat transport) is critical for determining the maximum power that can be generated. It leads to a maximum in the global mean generation rate of kinetic energy of about 1.7 W m−2 and matches rates inferred from observations of about 2.1–2.5 W m−2 very well. This represents less than 1 % of the total absorbed solar radiation that is converted into kinetic energy. Although it would seem that the atmosphere is extremely inefficient in generating motion, thermodynamics shows that the atmosphere works as hard as it can to generate the energy contained in the winds. The second part focuses on the limits of converting the kinetic energy of the atmosphere into renewable energy. Considering the momentum balance of the lower atmosphere shows that at large-scales, only a fraction of about 26 % of the kinetic energy can at most be converted to renewable energy, consistent with insights from climate model simulations. This yields a typical resource potential in the order of 0.5 W m−2 per surface area in the global mean. The apparent discrepancy with much higher yields of single wind turbines and small wind farms can be explained by the spatial scale of about 100 km at which kinetic energy near the surface is being dissipated and replenished. I close with a discussion of how these insights are compatible to established meteorological concepts, inform practical applications for wind resource estimations, and, more generally, how such physical concepts, particularly limits regarding energy conversion, can set the basis for doing climate science in a simple, analytical, and transparent way.

Das pdf ist kostenlos herunterladbar.

Das Science Media Center Germany fasste den Inhalt des Papers so zusammen:

Beim Ausbau der Windenergie könnte die geschickte räumliche Verteilung der Anlagen entscheidend für den Erfolg der Energiewende sein. Denn die Stromausbeute aus Wind hat physikalische Grenzen: Aus der Luftbewegung lässt sich weltweit und im Mittel betrachtet 0,5 Watt pro Quadratmeter gewinnen. Zu diesem Ergebnis kommt eine Studie von Dr. Axel Kleidon des MPI für Biogeochemie, Jena, in der aktuellen Ausgabe der „Meteorologischen Zeitschrift“ (siehe Primärquelle). Der Forscher stützt sich bei diesem Ergebnis auf Satellitendaten und ein einfaches Modell, mit dem er den Wirkungsgrad der thermodynamischen Umsetzung von Sonneneinstrahlung (Wärme) in Wind (kinetische Energie) ermittelt; sie liegt demnach bei zwei Watt pro Quadratmeter. Aus diesem leitet er anschließend ab, wie viel kinetische Energie Windkraftanlagen der Luft theoretisch entziehen und in elektrische Energie umwandeln können – 0,5 Watt pro Quadratmeter.

Beobachtungen zeigten, so Kleidon, dass sehr große Windparks mit einer Kantenlänge von 100 Kilometern tatsächlich nicht mehr als 0,5 Watt pro Quadratmeter elektrische Energie gewinnen. Kleinere Windparks mit genügend Abstand zu anderen Anlagen dagegen könnten durchaus eine höhere Ausbeute pro Fläche erzielen, weil die dem Wind entzogene Energie durch die aus höheren Luftschichten ersetzt werden könne. Das zeige, wie wichtig es sei, bei der Planung von Windparks die physikalischen Grenzen einzuhalten. Es komme immer wieder vor, so der Forscher, dass regionale Potenzialanalysen für Windenergie, die diese Prozesse ignorierten, einer Ausbeute von elektrischer Energie pro Fläche ermittelten, die sogar über der theoretisch möglichen kinetischen Energie pro Fläche lägen.

Hier zwei Experten-Statements zum Paper, die das SMCG eingeholt hat:

Statements

Prof. Dr. Stefan Emeis,
Leiter der Arbeitsgruppe Regionale Kopplung von Ökosystem-Atmosphäre-Prozessen, Abteilung Regionale Klima-Systeme, Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-IFU), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Garmisch-Patenkirchen

„Die Umstellung der Energieversorgung der Menschheit auf Erneuerbare Energien hat bereits begonnen. In diesem Zusammenhang ist die Frage, ob eine vollständige Umstellung überhaupt möglich ist, von extremem Interesse. Hierzu ist es absolut notwendig, auch das Potenzial, das durch die Nutzung der Windkraft für unsere Energieversorgung zur Verfügung steht, verlässlich abzuschätzen. Somit ist diese Studie absolut notwendig.“

„Der Autor der vorliegenden Studie, Axel Kleidon, greift dazu einen Ansatz von Edward Lorenz –übrigens der Lorenz, auf den auch der Schmetterlingseffekt der Chaostheorie zurückgeht – aus den 1950er und 1960er Jahren auf. Lorenz hatte erstmals die Effektivität der ‚Wärmekraftmaschine‘ Atmosphäre berechnet, nämlich die Fähigkeit der Erdatmosphäre, aus den Temperaturunterschieden durch unterschiedliche Sonneneinstrahlung Bewegungsenergie – vulgo: Wind – zu erzeugen. Nach Lorenz ist die Atmosphäre in der Lage, aus durchschnittlich 342 Watt pro Quadratmeter solarer Einstrahlung 3,5 Watt pro Quadratmeter Wind zu erzeugen. Kleidon kommt mit neueren Zahlen und der Zuhilfenahme von globalen Modellen auf 2 Watt pro Quadratmeter. Kleidon (0,6 Prozent Effektivität der Wärmekraftmaschine Atmosphäre) und Lorenz (1 Prozent) kommen also qualitativ zum nahezu gleichen Ergebnis. Eine schöne moderne Bestätigung für die klassische Arbeit von Lorenz.“

„Neu ist jetzt, dass Kleidon diese Betrachtung fortsetzt und ableitet, dass von diesen 2 Watt pro Quadratmeter nur maximal ein Viertel (26 Prozent) durch Windkraftanlagen in elektrische Energie verwandelt werden kann. Damit stehen global 0,5 Watt pro Quadratmeter oder 250 Terawatt an Erneuerbarer Energie aus Windkraft zur Verfügung. Das ist ein Mehrfaches der ungefähr 30 Terrawatt, die für Mitte des Jahrhunderts an totalem Energiebedarf – also nicht nur Strom – der Menschheit prognostiziert werden. Zum Vergleich: Die derzeit weltweit installierte Windkraftleistung liegt bei gut 0,7 Terrawatt. Das heißt da ist noch sehr viel Luft nach oben.“

Auf die Frage, inwiefern die Ergebnisse des Papers überzeugend sind:
„Kleidons Überlegungen sind physikalisch wohlbegründet und nachvollziehbar. Sie liegen letztlich auch innerhalb des Spektrums anderer globaler Ressourcenschätzungen für die Windkraft. Was Kleidons Studie auszeichnet, ist, dass er den gesamten Energiehaushalt der Erdatmosphäre betrachtet, während die meisten anderen Studien dieser Art immer von der beobachteten Windgeschwindigkeit in Bodennähe ausgingen, die aber durch großflächige Windkraftnutzung reduziert würde.“

Auf die Frage, welche Konsequenzen aus dem Ergebnis für Planung und Ausbau der Windenergie sowie der Energiewende in Deutschland und weltweit folgen:
„Kleidons Überlegungen gelten für das globale Limit, also wenn die gesamte Erdoberfläche mit Windparks bedeckt wäre. Das steht nicht im Widerspruch dazu, dass einzelne kleine Windparks mit wenigen Kilometern Ausdehnung durchaus wesentlich höhere Energiedichten pro Quadratkilometer erzielen können und dies auch tun. In ihrem Lee (Windschatten; Anm. d. Red.) ist dann aber die Windgeschwindigkeit so reduziert, dass der nächste unmittelbar folgende Windpark viel weniger Ertrag liefern würde. Kleidon schätzt ab, wenn ein Windpark eine Fläche von 100 Quadratkilometern und mehr einnehmen würde, dass dann die von ihm abgeschätzte Grenze von circa 0,5 Watt pro Quadratkilometer erreicht wird.“

„Damit ist in Deutschland physikalisch gesehen noch genügend Potenzial für den Ausbau der Windenergie vorhanden. Auch Offshore lässt sich das politisch vorgegebene Ziel der Bundesregierung von 40 Gigawatt bis 2040 leicht erreichen, wenn man zwischen den Windparkclustern ausreichend Lücken lässt und die einzelnen Windparks nicht zu groß anlegt. Auf die Tatsachen, die in [1] dargestellt sind, und meine Kommentare dazu [2] sei hier ausdrücklich verwiesen. Diese beiden Studien (Antonini und Caldeira in PNAS [1] und aktuell Kleidon in der Meteorologischen Zeitschrift) widersprechen sich nicht, sondern ergänzen sich in idealer Weise.“


Dr. Jan Wohland,
ETH Postdoctoral Fellow, Professur Klimaschutz & -​anpassung, Department Umweltsystemwissenschaften, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETHZ), Schweiz

„Für die Dekarbonisierung des globalen Energiesystems ist von zentraler Bedeutung, wie viel erneuerbarer Strom erzeugt werden kann. Während viele wissenschaftliche Studien von sehr hohen Erzeugungspotenzialen ausgehen, wird in diesem Überblicksartikel basierend auf stark vereinfachten Annahmen hergeleitet, dass das Potenzial der Winderzeugung deutlich niedriger sein könnte. Laut der Studie werden im globalen Mittel circa 2 Watt pro Quadratmeter kinetische Energie erzeugt wovon circa 0,5 Watt pro Quadratmeter tatsächlich durch Windparks genutzt werden können.“

„Es kann sein, dass die genannten Zahlen korrekt sind, aber ich würde nicht viel darauf wetten. Meine Skepsis basiert darauf, dass die Annahmen sehr vereinfacht sind und, dass weder Beobachtungen noch wirklich hoch aufgelöste Referenzsimulationen existieren, die zur Validierung herangezogen werden können.“

„Beispielsweise wird in dem einfachen Modell davon ausgegangen, dass überall nördlich beziehungsweise südlich der 30. Breitengrade die gleichen Temperaturen vorherrschen. In anderen Worten: Das Modell nimmt an, dass die Temperatur in Tunesien und Island identisch ist. Darüber hinaus werden in dem Modell sowohl der Wärmetransport durch den Ozean als auch die Effekte, die durch die Rotation der Erde entstehen, vernachlässigt, obwohl beide elementar sind. Auch wird keine Unterscheidung nach Jahreszeiten getroffen, obwohl die Windenergie in unseren Breiten eine starke Saisonalität aufweist.“

„Solche groben Vereinfachungen können gerechtfertigt sein und sind in der Physik oft hilfreich. Axel Kleidon argumentiert, dass dies hier der Fall ist, weil das simple Modell mit komplexeren Simulationen des Klimasystems in etwa übereinstimmt. Allerdings sind auch diese komplexeren globalen Klimasimulationen noch weit davon entfernt, einzelne Turbinen aufzulösen. Der Effekt von Windparks wird deswegen behelfsmäßig durch Parametrisierungen in die Modelle eingefügt und die Modellergebnisse eignen sich nur begrenzt als Grundwahrheit. Eine Validierung mit Beobachtungen ist zudem bisher nicht möglich wegen der im globalen Mittel geringen Anzahl an Windparks.“

„Aus diesen Gründen sehe ich die Ergebnisse unter Vorbehalt. Insgesamt stimme ich der Aussage zu, dass für den Umstieg auf Erneuerbare Energien systemischer gedacht werden sollte und insbesondere Erkenntnisse aus der Klimawissenschaft in die Planung von zukünftigen Stromsystemen einfließen müssen.“

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Leserzuschrift von E.A.:

Die in Sizilien (meine Geburtsinsel) gemessenen 48,8° C sind von einer Wetterstation einer Gesellschaft (SIAS) der Region Sizilien gemessen worden, die Daten für die Landwirtschaft zur Verfügung stellt. Die Wetterstation existiert seit 2002. Das ist ein Screenshot aus Google Earth (37° 3’35.89″N, 15° 9’27.41″E).

Es fällt auf, dass das Wetterhäuschen schätzungsweise 1-1,5 Meter vom Boden entfernt ist und dass direkt darüber ein Photovoltaikmodul platziert ist. Die Instrumente sind hochwertig.

Hier noch der Verlauf der Messungen von August. Das Wetter war dort konstant wolkenlos und leicht windig. Die Temperaturen haben einen regelmäßigen Verlauf. Nur am 11.08.2021 ist der Verlauf seltsam, irgendwas war anders. Es wurden die 48,8° gemessen und danach fiel di Temperatur (zwischen 12 und 14 Uhr) in anderthalb Stunden um ~6-7°: warum?

Dazu die Windkurve:

Die Temperatur der offiziellen Wetterstation der Aeronautica Militare dort in der Nähe (Sigonella) betrug an dem Tag 44,4°, war also um 4 Grad niedriger. Auch weiter AM-Stationen in der Nähe hatten Temperaturen um die 43-44°C. Es riecht nach einer gewaltigen Fehlmessung.

Hier noch eine Erklärung eines Mitarbeiters der Aeronautica Militare (die italienische Luftwaffe betreibt alle offizielle Wetterstationen Italiens):

Es ist schwierig festzustellen, ob die Temperaturen, die heute in der Region Syrakus von einigen Wetterstationen gemessen wurden, tatsächlich 48,8 Grad erreicht haben, und es gibt auch keine Anhaltspunkte dafür, dass es sich um einen europäischen Rekord handelt, erklärte Guido Guidi, Oberstleutnant des Meteorologischen Dienstes der Luftwaffe, gegenüber Ansa.

„Mit Bezug auf das Beobachtungsnetz des meteorologischen Dienstes der Luftwaffe haben wir in unseren Stationen keinen ähnlichen Wert wie den genannten festgestellt“, präzisierte er. Die höchste Temperatur liegt derzeit bei 44,4 Grad in Sigonella: „Das ist zwar nicht der höchste jemals aufgezeichnete Wert, aber immer noch ein hoher Wert“.

In Sizilien, so Guidi weiter, „gibt es mehrere aktive Detektionsnetze, wie die der Region, in denen ich Temperaturen von bis zu 43 Grad feststellen konnte“. Eines der Netze, das einen Wert von 48,8 Grad im Gebiet von Syrakus meldete, ist das des sizilianischen agrarmeteorologischen Informationsdienstes (Sias), der in der Karte, in der er seine Beobachtungen darstellt, schreibt, dass die gemeldeten Daten „direkt von den Stationen erstellt werden und keinem automatischen oder manuellen Kontroll- und Validierungsverfahren unterliegen. Sie können daher Fehler aufgrund von Sensorfehlfunktionen und Wartungsarbeiten enthalten“.  

Aber am Ende wird leider die Erinnerung bleiben, dass man in Sizilien „fast 50°“ gemessen hat und die Klarstellung, dass der Wert doch ungültig war, wird auf Seite 99 Platz ganz unten finden.

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Kennen Sie Cornelia Quennet-Thielen? Sie hatte im politischen Berlin wichtige Ämter inne. Wikipedia weiß:

Nach dem Abitur studierte Quennet-Thielen Rechtswissenschaften in Freiburg und Trier, hierbei war sie eine Stipendiatin der Studienstiftung des Deutschen Volkes. Nachdem sie die zweite Juristische Staatsprüfung bestanden hatte, arbeitete sie ab 1985 als Richterin in Rheinland-Pfalz und ab 1987 im Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit. Hier war sie u. a. persönliche Referentin von Klaus Töpfer, Referatsleiterin für internationale Zusammenarbeit und Unterabteilungsleiterin für Grundsatzfragen. Ab 2004 bekleidete Quennet-Thielen den Posten einer Abteilungsleiterin im Bundespräsidialamt und war seit 2006 auch stellvertretende Amtschefin. Mit Wirkung zum November 2008 ernannte Bundesministerin Annette Schavan sie zur Staatssekretärin im Bundesministerium für Bildung und Forschung als Nachfolgerin ihres Mannes Michael Thielen.[1] Ihr Nachfolger im Bundespräsidialamt wurde nach mehrmonatiger Vakanz der Stelle Rüdiger Hütte. Auf Antrag von Bildungsministerin Anja Karliczek versetzte sie der Bundespräsident mit Wirkung vom 31. Juli 2018 in den einstweiligen Ruhestand.

Offenbar gab es Streit mit der Ministerin. Mittlerweile sitzt Quennet-Thielen im Aufsichtsrat der European Climate Foundation, einer Klimaaktvistengruppierung mit großen Geldmitteln. Die enge Verknüpfung von Politik und Aktivisten bereitet große Sorge.

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Technische Universität Braunschweig am 18.7.2021:

Messung von Windparkeffekten über der Nordsee mit zwei Flugzeugen

Für das Projekt X-Wakes sind bei einer Messkampagne in diesem Sommer zwei Flugzeuge im Einsatz, um die räumliche Verteilung und die Erholung des Windfeldes vor und hinter Offshore-Windparks zu untersuchen. Für das Projekt wird ein umfangreicher Datensatz erhoben, um die Windverhältnisse über der Nordsee und die Wechselwirkung von Windparks und Atmosphäre zu analysieren. Für die letzten Messflüge im Projekt kommen dabei sogar erstmalig zeitgleich zwei Forschungsflugzeuge der Technischen Universität Braunschweig zum Einsatz.

Die Cessna F406 D-ILAB, das neue Forschungsflugzeug der TU Braunschweig, vermisst in den Messkampagnen die Anströmbedingungen; die Dornier 128 D-IBUF die Atmosphäre hinter den Windparks. Ausgestattet sind beide Flugzeuge mit einem Nasenmast zur Messung von Temperatur, Feuchte und Wind, sowie die Dornier-128 mit Kameras und einem Laserscanner zur Messung des Seegangs. Durch die gleichzeitigen koordinierten Flüge können zeitliche und räumliche Unterschiede voneinander getrennt bestimmt werden.

Auch die bisherigen fluggestützten Messdaten vor und hinter Offshore-Windparks mit der Dornier 128 sind weltweit einmalig. Sie sind nach Projektende in vollem Umfang öffentlich verfügbar und stehen im Anschluss Forschung und Industrie zur Validierung von Modellen zur Verfügung.

Im Projekt X-Wakes stehen außerdem weitere Messdaten im Bereich der Nordsee und von Satelliten zur Verfügung. Die Daten werden zur Weiterentwicklung von Modellen verschiedener Komplexität verwendet. Ziel ist es, realistische Vorhersagen des Ertrags von Offshore-Windparks zu bekommen, um den weiteren Ausbau von Windparks auf der Nordsee zu optimieren.

„Für die Messungen mit zwei Flugzeugen haben wir ein kurzes Zeitfenster: Seit 2020 ist das neue Forschungsflugzeug D-ILAB in Betrieb, das die D-IBUF nach über 35 Jahren im Dienste der Forschung an der TU Braunschweig ablöst. Im Herbst kommt die D-IBUF ins Deutsche Museum nach Oberschleissheim“, erläutert die wissenschaftliche Sprecherin des Projekts, Dr. Astrid Lampert von der TU Braunschweig.

Projektdaten:

Das Projekt X-Wakes wird in einem großen Konsortium unter der Koordination des Fraunhofer Instituts für Windenergiesysteme durchgeführt. Projektpartner sind das Institut für Flugführung der TU Braunschweig, die Eberhard-Karls-Universität in Tübingen, das Helmholtz-Zentrum Geesthacht, das Karlsruhe Institut für Technologie, die Universität Oldenburg, und die UL International GmbH. Verschiedene Windpark-Betreiber und das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrologie sind als assoziierte Partner ins Projekt eingebunden. Das Forschungsprojekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.

Hintergrund:

Die für Windenergie nutzbare Fläche in der Deutschen Bucht ist begrenzt. Daher werden Windparks meist in Gruppen, sogenannten Windparkclustern, gebaut. Solche Cluster können aus mehreren hundert Windturbinen bestehen. Während hinter den Anlagen Nachlaufströmungen entstehen, wird stromaufwärts der Wind durch Vorstaueffekte reduziert. Das hat zur Folge, dass die Anlagen, auf die der Nachlauf trifft, weniger Energie konvertieren und stärker belastet werden. Unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen können sich Nachläufe über Entfernungen von mehr als 50 Kilometern erstrecken.

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Youtube:

Forschung „Kuh pro Klima“ | Unser Land | BR Fernsehen

Die moderne Landwirtschaft gilt als klimaschädlich. Aber eine Bäuerin aus dem Allgäu will mit einem Forschungsprojekt beweisen, dass Kühe gut fürs Klima sind – mit dem richtigen Weidemanagement. Sie hält 20 Kühe. Eine alte Zweinutzungsrasse, Tiroler Grauvieh. Die Tiere fressen ausschließlich Gras. „Holistic Management“ heißt der Ansatz. Autorin: Johanna Zach