Windenergie

Überblick

Windenergie, also die aus Wind gewonnene Energie, wird vom Menschen seit langem vielfältig genutzt: in Windmühlen, zum Antrieb von Booten, zum Pumpen von Wasser und für viele weitere Zwecke. Obwohl es bereits seit den 1930er Jahren Windkraftanlagen zur Stromerzeugung gibt, begann die Forschung zur beschleunigten Nutzung dieser Technologie zur Stromerzeugung erst in den 1970er Jahren, motiviert durch den damals stark gestiegenen Ölpreis (Burton et al., 2001).

Derzeit wird diese Energieform aufgrund von Bedenken hinsichtlich des Klimawandels stark gefördert. Windenergie weist geringe CO2-Emissionen auf (beschränkt auf Herstellungs-, Installations- und Entsorgungsprozesse), ist in mehreren Regionen der Welt einsetzbar und derzeit finanziell recht wettbewerbsfähig.

Der jüngste Bericht der Internationalen Agentur für Erneuerbare Energien (IRENA, 2021) erwähnte, dass die Kosten für Windenergie weiter sinken. Zwischen 2010 und 2021 sanken die Kosten für Onshore-Windenergie um 68 % und liegen derzeit bei durchschnittlich 0,033 US-Dollar pro kWh, während Offshore-Windenergie derzeit durchschnittlich 0,075 US-Dollar pro kWh kostet. Im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energien sind die Kosten für Onshore-Windenergie pro kWh derzeit niedriger als für Photovoltaik und Wasserkraft, die beide durchschnittlich 0,048 US-Dollar pro kWh kosten. Darüber hinaus sind Investitionen in neue Windparks derzeit günstiger als Investitionen in die günstigere Option fossiler Brennstoffe, wie Abbildung 1 zeigt (IRENA, 2021). Der Aufwärtstrend bei den Preisen für fossile Brennstoffe hat die Nutzung erneuerbarer Energiequellen weiter begünstigt. Offshore-Windenergie hingegen ist teurer, insbesondere aufgrund der komplexeren Konstruktion und des Anschlusses der Turbine an das Stromnetz.

Abbildung 1: Kosten der durch Solar- und Windenergie erzeugten Energie (IRENA, 2021)

Die Steigerung der Kapazität und Effizienz von Windkraftanlagen ist neben Leistungsverbesserungen und Designoptimierungen hauptsächlich auf die Vergrößerung des Durchmessers der Maschinen zurückzuführen. Im Jahr 2016 waren beispielsweise bereits kommerzielle Turbinen mit einer Leistung von 8 MW und einem Durchmesser von 164 Metern verfügbar (IRENA, 2016), und die größte Windkraftanlage der Welt hat in der Betriebsphase einen Rotor mit einem Durchmesser von 222 Metern. Das chinesische Unternehmen MingYang gibt an, eine Turbine mit einem Rotordurchmesser von 242 Metern und einer Leistung von 16 MW zu bauen; der Prototyp soll 2023 installiert werden. Der Hersteller Vestas verfügt über einen Prototyp mit 236 Metern Durchmesser und 15 MW Leistung.

Auf nationaler Ebene gilt Windenergie derzeit als eine der wichtigsten Quellen erneuerbarer Energien. Im Jahr 2021 verfügte Brasilien über eine installierte Windkraftkapazität von 21.161 MW (IRENA, 2022). Zum Vergleich: Brasilien verfügt über 109.426 MW Wasserkraftkapazität und 13.055 MW Solarstromkapazität. Die Gesamtkapazität an erneuerbarer Energie in Brasilien beträgt 159.943 MW, sodass die Windkraft etwa 13,2 % der gesamten erneuerbaren Energieproduktion ausmacht (IRENA, 2022). EPE liefert detailliertere Daten und meldete in der Jahresenergiebilanz für 2022 (Basisjahr 2021) einen Anstieg des Anteils der Windkraft an der gesamten erzeugten Energie auf 10,6 % aufgrund der im Laufe des Jahres aufgetretenen Wasserknappheit. In jedem Fall hat die Windkraft eine beträchtliche Bedeutung in der brasilianischen Energiematrix.

Ein Nachteil der Windkraft im Vergleich zu Energie, die aus fossilen Brennstoffen wie z. B. thermoelektrischen Kraftwerken erzeugt wird, besteht darin, dass sie eine intermittierende Energiequelle ist, die von variablen Windverhältnissen abhängt. Die Energieerzeugung hängt zudem maßgeblich vom Potenzial der jeweiligen Region ab. Daher konzentriert sich das größte Potenzial für Windenergie in Brasilien auf den Nordosten, ist aber auch im Süden präsent, wie Abbildung 2 zeigt. Folglich konzentrieren sich brasilianische Windkraftanlagen hauptsächlich auf diese Regionen. Auch das Potenzial für Offshore-Energieerzeugung ist in Brasilien beachtlich, wird jedoch noch wenig genutzt. Offshore-Anlagen ermöglichen den Einsatz größerer Rotoren, da der Lärmpegel auf hoher See geringer ist.

Abbildung 2: Karte der Windgeschwindigkeiten in Brasilien (Global Wind Atlas)

Technische Aspekte

Eine Windkraftanlage ist im Wesentlichen ein mechanisches Gerät zur Gewinnung der im Wind vorhandenen kinetischen Energie. Die Rotorblätter von Windkraftanlagen haben ein aerodynamisches Profil, sodass die Anströmung eine Auftriebskraft auf die Blätter erzeugt, die die Anlage am Laufen hält. Diese Auftriebskraft ist beispielsweise dafür verantwortlich, ein Flugzeug bei hoher Geschwindigkeit in der Luft zu halten.

Der wichtigste Leistungsparameter zur Messung der Effizienz einer Windkraftanlage ist daher der Leistungskoeffizient. Er setzt die im Wind, der durch die Rotorfläche der Anlage strömt, verfügbare Energie ins Verhältnis zur von der Anlage gewonnenen aerodynamischen Leistung. Der theoretische Maximalwert dieses Koeffizienten beträgt ungefähr 0,59 (abgeleitet aus strömungsmechanischen Beziehungen). Je näher eine Windkraftanlage an diesen Grenzwert herankommt, desto effizienter ist sie.

Ein weiterer wichtiger technischer Aspekt beim Betrieb einer Windkraftanlage ist die Blattspitzengeschwindigkeitskennzahl, bekannt als TSR (Tip Speed Ratio), die oft mit dem griechischen Buchstaben λ bezeichnet wird. Dieser dimensionslose Parameter ist ein Maß für die Geschwindigkeit der Blattspitze der Anlage im Verhältnis zur Geschwindigkeit des einfallenden Windes. Die Blattspitzengeschwindigkeit wiederum hängt von der Konstruktionsdrehzahl und dem Durchmesser der Anlage ab. Dieser Parameter ist entscheidend, um den an einem bestimmten Standort zu installierenden Anlagentyp entsprechend der durchschnittlichen Windgeschwindigkeit zu bestimmen. Abbildung 3 zeigt einige Leistungsbereiche verschiedener Windkraftanlagentypen:

Abbildung 3: Typische Leistungsbereiche von Windturbinen (Alabdali et al., 2020)

Wie man sehen kann, haben die bekannten Horizontalachsen-Windturbinen den höchsten Leistungskoeffizienten unter den in der Abbildung dargestellten Technologien und werden daher heute häufig verwendet. Horizontalachsen-Turbinen sind besonders effizient in Regionen mit stabileren und stärkeren Winden, und derzeit verwenden fast alle großen Windparks weltweit Horizontalachsen-Turbinen.

Für den Einsatz im dezentralen Energieerzeugungsmodus hat dieser Turbinentyp jedoch einige Nachteile, vor allem im Hinblick auf den Betrieb unter Bedingungen, bei denen die Windgeschwindigkeit sehr instabil und schwer vorherzusagen ist, wie beispielsweise in städtischen Umgebungen voller Hindernisse. Auch der Geräuschpegel ist ein negativer Punkt von Horizontalachsen-Windturbinen.

In diesem Sinne basieren Vertikalachsen-Windturbinen wie die Darrieus-Turbine auf der Stütze oder die Savonius-Turbine auf der vom Wind erzeugten Widerstandskraft; sie sind anpassungsfähiger und können bei instabileren Windverhältnissen betrieben werden, allerdings ist ihr Wirkungsgrad niedriger, wie in Abbildung 3 dargestellt. Außerdem sind diese Turbinen geräuschärmer und einfach zu installieren, was sie zu einer potenziellen Lösung für den Einsatz als dezentrale Energieerzeugungsquelle in städtischen Gebieten macht.

Vertikalachsige Windturbinen benötigen im Vergleich zu horizontalachsigen Turbinen zudem geringere Windgeschwindigkeiten, um in Betrieb zu gehen (Kumar et al., 2018). Obwohl sie noch nicht weit verbreitet sind, können vertikalachsige Windturbinen in städtischen Gebieten sowie auf Straßen mit hohem Fahrzeugverkehr eingesetzt werden. Derzeit werden sie insbesondere in städtischen Gebieten in China eingesetzt (IRENA, 2016).

Das anspruchsvolle Umfeld für die Nutzung der Windenergie in städtischen Gebieten ist auf die schwierigere Vorhersage der Windverhältnisse zurückzuführen, zusätzlich zum Problem des geringeren Wirkungsgrads vertikalachsiger Windturbinen oder den Lärmproblemen und der geringeren Anpassungsfähigkeit horizontalachsiger Windturbinen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Windenergie weltweit eine hohe Bedeutung hat und in den letzten Jahren ein beschleunigtes Wachstum verzeichnet hat, ein Trend, der sich in Brasilien wiederholt hat. Steigende Preise für fossile Brennstoffe und der zunehmende Druck, die Energiewende zu beschleunigen, werden der Windenergie weltweit noch mehr Bedeutung verleihen. Konstruktionsverbesserungen und sinkende Kosten für horizontale Windkraftanlagen machen Anlagen an Land und auf See rentabel, wo noch ungenutztes Potenzial mit Wachstumstendenz besteht. Auch Brasilien verfügt noch über ungenutztes Potenzial, obwohl die Stromerzeugung bereits größtenteils aus erneuerbaren Energien besteht. Die Installation kleiner vertikaler Windkraftanlagen kann die dezentrale Energieerzeugung unterstützen und so zur Energiewende beitragen.

Referenzen

Alabdali, Q. A., Bajawi, A. M., Fatani, A. M., & Nahhas, A. M. (2020). Review of Recent Advances of Wind Energy. Sustainable Energy, 8(1), 12–19. Portugiesisch: https://doi.org/10.12691/rse-8-1-3

Burton, T., Sharpe, D., Jenkins, N., & Bossanyi, E. (2001). Handbuch zur Windenergie.

IRENA. (2016). Kurzbericht zur Windenergie-Technologie.

IRENA. (2021). Kosten der Erzeugung erneuerbarer Energien im Jahr 2021.

IRENA. (2022). Statistik zur Kapazität erneuerbarer Energien 2022.

Kumar, R., Raahemifar, K., & Fung, A. S. (2018). Eine kritische Überprüfung von Windkraftanlagen mit vertikaler Achse für städtische Anwendungen. In Renewable and Sustainable Energy Reviews (Bd. 89, S. 281–291). Elsevier Ltda. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.03.033