Windige Geschäfte

Die Windenergie hat, wie auch die Solarenergie, zwei grundlegende Mängel:

1. Geringe Energiedichte. In Gegensatz zu den fossilen Energieträgern (Erdöl, Erdgas, Kohle) und den in Kernkraftwerken genutzten Brennstoffen, die sehr viel Energie je Volumeneinheit enthalten, ist die kinetische Energie des Windes für den Menschen nur mit großem Aufwand nutzbar, da sie in einer verdünnten Form vorliegt. Große Mengen Windstrom kann man nur mit Riesenanlagen erzeugen. Dem entsprechend haben sich die Windkraftanlagen entwickelt. Eine typische Anlage des Jahres 1980 hatte einen Rotordurchmesser von 15 m und eine Höhe bis zur Rotorspitze von 40 m bei einer Nennleistung von weniger als 0,1 MW. Die heute gebauten 5 MW-Anlagen haben einen Rotordurchmesser von 110 m und eine Höhe von 180 m. Die Grünen propagierten die Windenergie mit dem Slogan "Small is beautiful". Das ist eine Irreführung der Öffentlichkeit, denn die grünen Energieziele sind nur erfüllbar, wenn zehntausende Monsteranlagen auf riesigen Flächen mit einem gigantischen Kapitalaufwand errichtet werden. Die gern benutzte Bezeichnung "Bürgerwindpark" ist ein Euphemismus, denn Kleininvestoren haben in diesem Wirtschaftszweig nur einen geringen Anteil am Gesamtkapital.


2. Unregelmäßiger, nicht steuerbarer Anfall. Der Wind weht wann er will, ein modernes Hochleistungsstromnetz benötigt aber Zulieferungen in genau der Menge, die in einem gegebenen Moment nachgefragt wird. Da es keine preiswerte Speicherung des Windstroms in großtechnischem Maßstab gibt, kann die Windenergie in einer Industriegesellschaft außerhalb von Nischenanwendungen niemals wettbewerbsfähig sein. Wir wollen uns hier mit diesem Problem näher beschäftigen.

Windkraftanlagen reagieren sehr empfindlich und drastisch auf Änderungen des Windes, denn die Windleistung nimmt mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zu bzw. ab. Das bedeutet, dass bereits kleine Änderungen der Windstärke große Änderungen der erzeugten Windstrommenge verursachen. Da der Wind selten konstant weht, schwankt die Leistung der Windkraftanlagen in der Regel innerhalb eines Tages heftig, wie die folgende Grafik zeigt (Quelle: Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft):



Betrachtet über einen größeren Zeitraum bestätigt sich die Unbeständigkeit der Windstromeinspeisung, so zeigt z. B. der März 2008 folgende Tagesminima und Tagesmaxima des deutschen Windleistungsprofils (Quelle: Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft):



Das Problem des stark schwankenden, nicht regelbaren Windstroms ergibt sich überall auf der Welt, wie ein Blick auf die erratische Stromabgabe einer australischen Windfarm zeigt (Quelle: Peter Lang, Cost and Quantity of Greenhouse Gas Emissions Avoided by Wind Generation):



Das deutsche Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetz, EEG) zwingt die Energieversorgungsunternehmen (EVU), diesen stark schwankenden Windstrom vorrangig in ihre Netze aufzunehmen, und das zu einem Preis der mindestens dreimal höher ist als der echte Marktpreis des Stroms aus konventionellen Kraftwerken. Ähnliche Vorschriften gibt es in allen westlichen Industriestaaten. Die dabei entstehenden Anpassungsprobleme verdeutlicht die folgende Grafik für den National Electricity Market (NEM) in Australien (Quelle: Windfarm Performance):



Die oben gezeigten starken Schwankungen des vorrangig aufzunehmenden Windstroms haben einige Folgen:

• Die Windkraftanlagen produzieren, über einen längeren Zeitraum gesehen, viel weniger als ihre Nennleistung, die von Politikern und Lobbyisten ausschließlich angegeben wird. Die tatsächliche Auslastung (capacity factor oder load factor), berechnet als tatsächlich produzierte Leistung in Prozent der maximal möglichen Leistung, beträgt je nach Standort etwa 17-25%. Das bedeutet, dass die Windrotoren durchschnittlich nur ein Viertel der Leistung liefern, für die sie ausgelegt sind. Das erklärt sich nicht nur durch die Launen des Windes, sondern auch durch die Konstruktionsmerkmale der Anlagen, die unterhalb einer Windgeschwindigkeit von 4-5 m/s (Beaufort 3) gar keinen Strom liefern, ihr Maximum bei etwa 15 m/s (Beaufort 7) erreichen und sich bei ca. 25 m/s (Beaufort 10) abschalten, um nicht beschädigt zu werden.


• Die erste der obigen Grafiken zeigt, dass die Windstromeinspeisung in das deutsche Netz innerhalb weniger Stunden von mehr als 6.000 MW auf nahezu Null abstürzte. Um den Zusammenbruch der Stromversorgung zu verhindern, müssen die EVU für jedes installierte MW an Windnennleistung eine gleich hohe Reservekapazität in konventionellen Kraftwerken bereit halten, die einspringt, wenn die Windkraft ausfällt und die wieder ausgeschaltet werden muss, sobald die bevorrechtigte erneuerbare Energie erneut zur Verfügung steht, was innerhalb von Minuten der Fall sein kann. Es bleibt festzuhalten: die Windkraftanlagen können kein einziges konventionelles Kraftwerk ersetzen.


• Es bleibt nur noch eine Behauptung, mit der sich die Nutzung der Windkraft rechtfertigen ließe, nämlich dass dadurch fossile Brennstoffe eingespart würden und dem entsprechend die Emission des angeblich klimaschädlichen Treibhausgases Kohlendioxid vermindert werden könnte. Das Gegenteil ist aber der Fall. Modellrechnungen zeigen, dass durch die vom EEG erzwungene bevorzugte Einspeisung des Windstroms mehr fossile Energie verbraucht wird, als dies ohne den Einsatz der Windenergie notwendig wäre. In den folgenden Abschnitten wollen wir uns näher ansehen, warum das so ist.

Da die Windleistung proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit ist, schwankt die Windstrommenge noch viel stärker als der ohnehin schon sehr launische Wind. Bezogen auf eine moderne 2 MW-Anlage bedeutet z. B. ein Rückgang der Windgeschwindigkeit von 9 auf 7 m/s eine Halbierung der Windleistung. Für die EVU bedeutet dies, dass sie konventionelle Kraftwerkskapazitäten in der Höhe der installierten Windstromnennleistung als Puffer bereit halten müssen, um von Minute zu Minute die Schwankungen der Windstromeinspeisung auszugleichen. Dafür muss man die mit fossilen Brennstoffen befeuerten Reserveanlagen ständig herauf- oder herunterfahren, was nur mit erheblichen Effizienzeinbußen möglich ist, da die Backup-Kraftwerke hierbei außerhalb ihres Optimums betrieben werden. Dadurch ist ihr Brennstoffverbrauch höher als im Normalbetrieb.

Sehen wir uns die einzelnen Kraftwerksarten hinsichtlich ihrer Pufferfähigkeiten etwas näher an:

• Kernkraftwerke sind für den Dauerbetrieb unter Volllast konzipiert und liefern deshalb Strom im Grundlastbereich, wobei sie durchschnittlich eine Auslastung von mehr als 90% erreichen.


• Kohlekraftwerke sind schlecht bis gar nicht geeignet, kurzfristig hoch- oder heruntergefahren zu werden. Braunkohlekraftwerke sind konstruiert, um mit voller Leistung ununterbrochen zu arbeiten. Sie können die Stromabgabe verringern, indem sie Dampf ablassen, aber sie verbrennen die gleiche Menge Kohle, ob sie nun Strom produzieren oder nicht. Steinkohlekraftwerke können in engen Grenzen ihre Leistung variieren, wenn auch bei starken Effizienzverlusten, aber sie sind nicht in der Lage, die großen und abrupten Schwankungen des Windstroms auszugleichen.


• Wasserkraftwerke, und hierbei insbesonders Pumpspeicherwerke, eignen sich hervorragend, um Schwankungen der Spitzenlast auszugleichen, da ihre Leistung schnell und kontrolliert abgerufen werden kann. In Deutschland, wie in den meisten Ländern der Welt, ist das eine sehr knappe Ressource, die nicht weiter ausgebaut werden kann. Es gibt viel zu wenig Wasserkraft, um die riesigen Windstrommengen zu puffern.


• Erdgaskraftwerke verbleiben als die einzige praktikable Ausgleichsmöglichkeit. Man teilt sie in zwei Kategorien ein:
  
  
  
  1. Combined Cycle Gas Turbine (CCGT). Größere Anlage zu höheren Anschaffungskosten, gebaut um zumindest mehrere Stunden täglich mit voller Leistung zu laufen. Verbraucht weniger Gas je MWh als OCGT bei einer Auslastung von mehr als 15%, kann sich aber nicht so gut an starke Schwankungen der Nachfrage anpassen. Ursprünglich, d. h. vor Einführung des Windstroms, gedacht zur Deckung der Mittellast.
  
  
  2. Open Cycle Gas Turbine (OCGT). Kleinere Anlage zu geringeren Anschaffungskosten, aber höheren Betriebskosten, deren Leistungsabgabe schnell änderbar ist. Verbraucht mehr Gas je MWh als CCGT bei einer Auslastung von mehr als 15%. Ursprünglich gedacht zur Deckung der Spitzenlast.
  
  
  
  Da die Windstromeinspeisung stark schwankt, oft von Minute zu Minute, verdrängt die Windenergie die CCGT, die durch die flexibleren, aber auch weniger effizienten OCGT ersetzt werden müssen.

Ohne die gesetzlich erzwungene bevorrechtigte Aufnahme des Windstroms in das öffentliche Netz wären CCGT- und OCGT-Kraftwerke in einer optimalen Kombination installiert, um Mittellast und Spitzenlast zu decken. Durch das staatliche Diktat hat sich die Lage geändert. Peter Lang (op. cit.) stellt dazu fest: "If governments mandate wind power then we will need more OCGT and less CCGT than without wind power. The substitution of OCGT for CCGT is (nearly) in proportion to the amount of wind capacity installed, not the amount of wind energy that will be generated. The reason is that the OCGT is required to back up for most of the wind power’s maximum capacity, not for its average energy production. For example, if we install 100 MW of wind power, nearly 100 MW of OCGT must be installed instead of 100 MW of CCGT."

Peter Lang kommt für Australien zu dem Ergebnis, dass die Ersetzung der leistungsfähigeren CCGT durch schneller reagierenden, aber unwirtschaftlicheren OCGT die Brennstoffeinsparung durch die Windkraftanlagen nahezu ausgleicht.

Für die Niederlande zeigen C. le Pair und K. de Groot in ihrer Studie The impact of wind generated electricity on fossil fuel consumption, dass es zu einem Mehrverbrauch von fossilen Brennstoffen kommt, wenn die Effizienz der Pufferkraftwerke infolge des Windstroms um mehr als 2% sinkt. Das gilt bereits bei einem Windstromanteil von mehr als 3%. Die Autoren stellen fest: "The use of wind energy for electricity generation in combination with the requirement for fossil fuel powered stations to compensate for wind fluctuations can easily lead to loss of the expected saving in fuel use and CO2 emission. In addition, the conventional stations will be subject to accelerated wear and tear."

Kent Hawkins hat ein auf ingenieurswissenschaftlichen Erfahrungssätzen beruhendes energiewirtschaftliches Modell entwickelt, bei dessen Anwendung auf die USA er zu dem Schluss kommt: "Integrating random, highly variable wind energy into an electricity system presents substantial problems that subvert wind technology’s ability to offset the use of fossil fuels – and avoid air emissions, including carbon dioxide (CO₂). Measuring this accurately is important because many believe that wind projects significantly reduce such emissions. This analysis finds that natural gas used as wind back-up in place of baseload or intermediate gas (in the absence of wind) results in approximately the same gas burn and an increase in related emissions, including CO₂. Extrapolating from this example to the whole, the working hypothesis is that intermittent wind (and solar) are not effective CO₂ mitigation strategies because of inefficiencies introduced by fast-ramping (inefficient) operation of gas turbines for firming otherwise intermittent and thus non-usable power."

Auf Master Resource findet sich eine Artikelserie von Kent Hawkins zu dem Thema und auch andere Energiewissenschaftler widerlegen dort mit eigenen Beiträgen die Einsparbehauptung der Windlobby. Alle kritischen Energieexperten berichten übereinstimmend, dass ihnen der Zugang zu den detaillierten Betriebsdaten der Kraftwerke verwehrt wird. So sagen z. B. C. le Pair und K. de Groot (op. cit.): "It is recommended to get an accurate and quantitative insight into these extra effects before society sets out to apply wind energy on a large scale. All producers must be required to publish data on the efficiency effects and fuel use when wind energy is added on."

Es stellt sich die Frage, warum die Kraftwerksbetreiber keinen minutengenauen Einblick in ihre Betriebsdaten geben. Erst wenn unabhängige Fachleute darin Einsicht hätten, könnte man die Behauptung, dass durch die Windkraftanlagen fossile Brennstoffe eingespart würden, einer empirischen Überprüfung unterziehen. Warum gibt es keine staatliche Verpflichtung zur Offenlegung dieser Daten? Immerhin geht es hier um den angeblichen Seinsgrund der Windindustrie. Offensichtlich gibt es etwas zu verbergen, denn die Politiker und die von ihnen abhängigen Kreise in der Wirtschaft wären die Ersten, die für sie günstige Daten veröffentlichen würden.