Windenergie
Windenergie ist eine bedeutende erneuerbare Energiequelle, die eine saubere und zuverlässige Alternative zu fossilen Brennstoffen bietet.
Die Technologie der Windenergie hat sich in den letzten Jahren stark weiterentwickelt und stellt nun immer effizientere und verlässlichere Energielösungen bereit. Durch Windenergie lässt sich der CO2-Ausstoß verringern, und Unternehmen können ihre Nachhaltigkeitsziele erreichen.
Windenergie - Möglichkeit der nachhaltigen Energieerzeugung
- Windenergie
- Windkraftanlagen an Land
- Kleinwindkraftanlagen
- Flächenbedarf vs. Flächenverfügbarkeit
- Fundament
- Windräder
- Kosten
- Windenergie auf See
- Schutz vor Korrosion
Windenergieanlagen haben sich energetisch nach nur drei bis sieben Monaten amortisiert, was im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energien recht schnell ist. Konventionelle Energieerzeugungsanlagen hingegen amortisieren sich energetisch nie, da sie ständig mehr Energie in Form von Brennstoffen verbrauchen, als sie produzieren. Unter den erneuerbaren Energien bietet Windenergie das beste wirtschaftliche Potenzial und hat deshalb eine zentrale Rolle in der Energiewende inne. Windenergieanlagen nutzen die kinetische Energie des Windes. Der Rotor der Anlage wandelt sie in mechanische Rotationsenergie um, und ein Generator konvertiert diese dann in elektrische Energie. Für eine optimale Stromproduktion sind eine hohe durchschnittliche Windgeschwindigkeit und eine große Rotorfläche wichtig. Da die Windgeschwindigkeit in höheren Lagen über dem Erdboden oft stärker und konstanter ist, sind größere Anlagen mit längeren Rotorblättern effizienter, um das Windangebot auszuschöpfen.
Windkraftanlagen an Land
Die Stromerzeugung Windenergieanlagen – wichtige Grundlage für die Energiewende.
Gemäß dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) soll die Windenergie an Land in Deutschland bis 2030 eine installierte Leistung von 71 Gigawatt (GW) erreichen. Das Bundeswirtschaftsministerium (BMWK) hat ein Ziel von 80 GW, während das Umweltbundesamt (UBA) 105 GW bis 2030 für den Klimaschutz vorschlägt. Für die Erreichung dieser Ziele ist es notwendig, dass die Regionalplanung und die kommunale Bauleitplanung in den Ländern genügend Flächen ausweisen und zur Nutzung freigeben. Windenergieanlagen sind im Außenbereich privilegiert und erhalten Genehmigungen außerhalb bebauter Ortschaften, wenn keine öffentlichen Belange entgegenstehen. Die Privilegierung beschränkt sich normalerweise auf Konzentrationszonen, die von Regionen und Kommunen festgelegt werden. Das bedeutet, dass Windenergieanlagen nur auf diesen speziellen Flächen genehmigt werden und außerhalb dieser Bereiche nicht zulässig sind. Die Ende 2017 identifizierten Flächen könnten theoretisch bis 2030 eine Leistung von 81,6 GW erreichen. Aber 23 % des Leistungspotenzials stammen von Altflächen, die bis 2014 ausgewiesen wurden, was Fragen zur zukünftigen Entwicklung dieser Flächen aufwirft. Etwa ein Drittel des Potenzials bezieht sich auf Entwurfsflächen, bei denen nicht klar ist, ob sie tatsächlich verfügbar sein werden. Die Schätzung beruht auch darauf, dass der Rotor über die Gebietsgrenze hinausragt, was nicht überall zutrifft, was die mögliche Gesamtleistung weiter reduziert. Dies könnte letztlich zu einer geringeren Anzahl installierter Windenergieanlagen führen als ursprünglich angenommen. Es ist möglich, dass es bereits einen Mangel an nutzbaren Flächen gibt. Das UBA führt aktuell das Projekt "Flächenverfügbarkeit und Flächenbedarfe für den Ausbau der Windenergie an Land" durch, um den Flächenbedarf bis 2030 und darüber hinaus genau zu bestimmen. Dieses Projekt berücksichtigt aktuellere Daten (Stand Ende 2020) und analysiert die Nutzbarkeit der Flächen.
Kleinwindkraftanlagen für Gewerbe und Kommunen
Eine Kleinwindkraftanlage bietet eine Lösung für die Probleme früherer Kleinwindkraftanlagen und erzielt durch ihre Leistungsklasse von 250 kW einen höheren Energieertrag. Im Gegensatz zu anderen Kleinwindanlagen mit typischerweise kleineren zweistelligen kW-Leistungen weist diese Anlage ein besseres Verhältnis zwischen Investitionskosten und Ertrag auf.
Sie eignet sich besonders für Gewerbeparks, Industrieunternehmen und kommunale Betriebe mit einem Jahresverbrauch unter 400 MWh/a, da sie die Möglichkeit einer wirtschaftlichen und nachhaltigen Selbstversorgung durch Windenergie bietet. Das Hauptziel ist der effiziente Betrieb zur Senkung der Energiekosten durch Eigenerzeugung und nicht die Maximierung von Subventionen aus dem EEG.
Ein zusätzlicher Vorteil dieser Windkraftanlage besteht darin, dass sich die Investition in kurzer Zeit auszahlt.
Jährliche Windproduktion einer Kleinwindkraftanlage
| Windgeschwindigkeit [m/s] | Leistung [ca. MWh/a] |
|---|---|
| 4,5 | 500 |
| 5 | 630 |
| 5,5 | 750 |
| 6 | 880 |
Flächenbedarf vs. Flächenverfügbarkeit
Die vorläufigen Daten eines laufenden Forschungsprojekts zum Thema Flächenverfügbarkeit und -bedarf zeigen, dass aktuell nur 0,8% der deutschen Landfläche für Windenergie vorgesehen sind. Dieser Prozentsatz sinkt jedoch auf 0,52%, wenn man Einschränkungen wie Siedlungsabstände, Höhenbeschränkungen, Waldgebiete und weitere Vorschriften berücksichtigt. Befragungen von Projektentwicklern haben ergeben, dass rund 30% der geplanten Kapazität auf den vorgesehenen Flächen aufgrund von Faktoren wie Artenschutz, militärischen und luftfahrttechnischen Beschränkungen sowie fehlendem Zugriff auf die Fläche nicht umgesetzt werden konnten. Dies verringert das verfügbare Flächenangebot deutlich.
Vereinfachung für Kleinwindkraftanlagen (Planungsrecht, Baurecht und Immissionsschutz)
Die ersten Erkenntnisse legen nahe, dass die aktuelle Flächensituation, einschließlich der noch in Planung befindlichen Bereiche, nicht genügt, um die vorgegebenen Ziele zu erreichen. Um 71 GW zu installieren, sind 3.000 km² an Fläche erforderlich, was einem Zuwachs von 1.875 km² gleichkommt. Für das 80 GW-Ziel müsste der Flächenanteil von 0,52% auf 0,9% angehoben werden. Um die Klimaneutralität zu erfüllen, müssten in der langfristigen Perspektive rund 2% der Landfläche der Windenergiegewinnung dienen, wie in den Langzeitszenarien des BMWK und im Green Supreme-Szenario des UBA projiziert.
Die Größe des benötigten Areals für eine durchschnittliche Windkraftanlage variiert je nach ihrer Größe und Leistung. Üblicherweise beansprucht eine moderne Windkraftanlage mit 2-3 Megawatt (MW) Leistung eine Fläche zwischen 0,5 und 1 Hektar, um ausreichend Platz zwischen den Anlagen sicherzustellen und optimale Windbedingungen zu nutzen. Abstände und Flächenbedarf können sich allerdings je nach regionalen Bedingungen und Vorschriften unterscheiden.
Im Vergleich zu Solaranlagen belegt diese Art von Windkraftanlage deutlich weniger Raum, um vergleichbare oder sogar höhere Leistungen zu liefern. Das Fundament misst nur acht Meter im Durchmesser und stört den Ackerbau kaum. Erntemaschinen können problemlos in unmittelbarer Nähe zum Windrad operieren, wobei ein Sicherheitsabstand von 50 Metern zu Gebäuden eingehalten werden sollte. Mit ihrer geringen Höhe von unter 50 Metern wird die Kleinwindanlage als Zubau betrachtet und unterliegt somit nicht den regionalen Planungs- oder Nutzungsvorgaben. Das bedeutet, sie kann auf Unternehmensgrundstücken in gewerblichen und gemischten Bereichen sowie auf landwirtschaftlichem Land außerhalb von Prioritätszonen aufgestellt werden. Die Genehmigung dieser Windkraftanlage ist relativ einfach und benötigt lediglich eine Baugenehmigung, vergleichbar mit dem Bau einer Lagerhalle (blau gestrichelt im untenstehenden Bild). In der Regel dauert die Genehmigung zwischen drei und fünf Monaten, was wesentlich schneller ist als das umfassende Genehmigungsverfahren nach dem Bundesimmissionsschutzgesetz bei großen Windturbinen (rot gestrichelt im untenstehenden Bild).
Die Windräder sind moderner geworden
Windkraftwerke werden größer.
Durch technologische Weiterentwicklungen haben sich die Störungen für Menschen durch Windenergieanlagen erheblich verringert. Licht- und Lärmemissionen lassen sich heute effizienter steuern. Dabei legt die Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm (TA-Lärm) Immissionsrichtwerte für verschiedene Gebietstypen fest, die von den Genehmigungsbehörden eingehalten werden. Moderne Anlagen verursachen dank größerer Entfernungen zu Wohngebieten und dem Einsatz von matten, nicht reflektierenden Farben keine Lichtemissionen wie Schattenwurf und Diskoeffekt mehr. Ab einer Höhe von 100 Metern reduzieren synchronisierte und sichtweitenregulierte Befeuerungen die luftfahrtrechtlichen Hinderniskennzeichnungen. Maßnahmen wie Rotorblattheizungen oder automatische Abschaltungen bei Eisbildung verringern das Risiko von Eiswurf. Um negative Auswirkungen auf Natur und Landschaft zu minimieren, ist eine sorgfältige Auswahl von Windenergiestandorten essentiell. Für diese Zwecke eignen sich bereits beanspruchte Flächen wie Infrastrukturtrassen am besten. Wichtige Naturschutzbereiche wie Naturschutzgebiete oder gesetzlich geschützte Biotope sollten nicht für Windenergieanlagen genutzt werden. Bei der Planung und Genehmigung von Windenergieanlagen ist der Schutz von Natur, insbesondere von Vogel- und Fledermausarten, zu berücksichtigen. Forscher arbeiten intensiv daran, Lösungen zu finden, um Konflikte zwischen Windenergienutzung und Naturschutz zu vermeiden, indem sie Aspekte wie Brutstätten, Nahrungshabitate oder Flugrouten in ihre Überlegungen einbeziehen.
Absolute und kumulierter Zuwachs an Windkraftanlagen
In den 1980er Jahren betrugen die Kosten für landgestützte Windenergieanlagen rund 4000 Euro/kW. Heute liegen sie zwischen 800 und 900 Euro/kW. Allerdings haben eine wachsende globale Nachfrage, gestiegene Anforderungen an die Systemintegration und zunehmende Rohstoffkosten in den letzten Jahren die Anlagenpreise leicht erhöht.
Zu den Kosten für Turm, Rotoren und Maschinenhaus kommen zusätzliche Ausgaben für Fundamente, Netzanbindung, Zufahrtswege, Grundstück und Planung hinzu, die rund 30 Prozent der reinen Anlagenkosten ausmachen. Daher belaufen sich die Gesamtkosten für ein 2-MW-Projekt mit einer Nabenhöhe von 100 m auf etwa 3 Millionen Euro.
Bei durchschnittlichen Jahreswindgeschwindigkeiten von 5 bis 6 m/s an der Küste und 4 bis 5 m/s (50 m über dem Boden) an guten Inlandstandorten in Deutschland liegen die Stromgestehungskosten zwischen 6 und 11 Ct/kWh.
Die zusätzlichen Investitionen für die Netzanbindung und die Gründung eines Offshore-Windparks entsprechen je nach Entfernung zur Küste und Wassertiefe dem Preis der Windenergieanlagen für Offshore-Projekte.
Windenergie auf See
Auf See ist der Wind kräftiger und beständiger als an Land, was zu einer höheren Energiegewinnung durch Offshore-Windkraftanlagen führt. Daher stellt die Offshore-Windenergie eine zentrale Technologie für eine grüne Energiezukunft dar und hat einen bedeutenden Stellenwert in der Klimastrategie der Bundesregierung.
Keine Eigenstromerzeugung durch Offshore-Anlagen
Teil eines Offshore-Windparks
Es ist aktuell unwahrscheinlich, dass ein Unternehmen Windkraftanlagen auf See baut, um seinen eigenen Betrieb mit Strom zu versorgen. Solche Anlagen entsprechen auch nicht dem dezentralen Konzept dieser Beschreibung. Daher dient dieses Kapitel nur der ergänzenden Vollständigkeit und stellt keine Aufgabe für das Facility Management dar.
Die Offshore-Windenergiebranche verzeichnet seit ihrem Start signifikante Fortschritte in Technologie und Wirtschaftlichkeit. Während die durchschnittliche Leistung der bis Ende 2018 installierten Windenergieanlagen bei rund 5 MW lag, lag sie für 2018 neu installierte Anlagen bei etwa 7 MW. Für 2020 war eine Installationsleistung von rund 8-9 MW geplant, und ab 2025 sollen Windenergieanlagen mit einer Leistung von 10-12 MW auf den Markt kommen. Der wachsende Rotordurchmesser fördert diese Entwicklungen maßgeblich.
Ende 2018 gab es 22 voll einspeisende Windparks in Nord- und Ostsee. Davon befinden sich 18 Parks mit einer Gesamtleistung von 5,3 GW in der Nordsee und vier Parks mit 1,1 GW in der Ostsee. Insgesamt lieferten Ende 2018 1.305 Windenergieanlagen mit einer Gesamtleistung von 6,3 GW Energie ins Netz. Diese Daten verdeutlichen, dass das im EEG 2017 und im "Gesetz zur Entwicklung und Förderung der Windenergie auf See" festgelegte Ziel der Bundesregierung für 2020 – eine installierte Leistung von 6,5 GW – fast erreicht war. Das Klimaschutzprogramm 2030 der Bundesregierung strebt bis 2030 eine installierte Leistung von 20 GW an.
Das "Windenergie-auf-See-Gesetz" markiert eine Systemumstellung im Ausbau der Offshore-Windenergie. Es hat das Ziel, die Windenergie auf See stetig und kostengünstig auszubauen.
Das Gesetz regelt
die Flächenvoruntersuchung und -ausweisung,
die Ausschreibungen,
die Anlagengenehmigung durch Integration von Teilen der Seeanlagenverordnung
und die Abstimmung des Offshore-Ausbaus mit der Netzanbindung.
Das Gesetz führt zentrale Aspekte der Offshore-Windenergie wie Raumordnung, Genehmigung, Vergütung und Netzausbau zusammen. Man nennt dies das "zentrale Modell", das von dem Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) und der Bundesnetzagentur koordiniert ist. Ein Hauptbestandteil des Gesetzes ist der im Juni 2019 veröffentlichte Flächenentwicklungsplan.