Windenergie in der Deutschen Bucht

Ein wesentlicher Beitrag zur Energiewende wird von Offshore-Windenergie in der deutschen Bucht erwartet. Wegen starken und steten Winde erscheint die Offshore-Stromerzeugung als sehr effizient. Für 2050 geht Bundesregierung einer installierten Leistung 70 GW aus, also Verzehnfachung im Vergleich zu heute. Was passiert aber, wenn so viele Windturbinen dem Wind ihre Energie entziehen? Das lässt sich mithilfe kinetischen Energiebilanz Atmosphäre über den Windparks leicht ermitteln. Da Eintrag Bewegungsenergie begrenzt ist, müssen mit zunehmender Nutzung Windenergie Windgeschwindigkeiten Region sinken – damit Effizienz Turbinen. Es weniger Strom erzeugt, man ohne diesen Effekt erwarten würde. Bei würde das Stromerzeugung um bis 40 % reduzieren. Trotzdem könnte sie einen großen Teil des gegenwärtigen Strombedarfs abdecken. effiziente Windenergienutzung auf Meer empfiehlt es daher, möglichst weit verstreut planen, ihren Einfluss Windfelder verringert. Die Herausforderungen für nächsten Jahrzehnte Deutschland sind gewaltig. Zwar wurden Jahr 2021 bereits 15,9 Primärenergiebedarfs durch erneuerbare gedeckt [1], wegen moderneren Technologien wie Wärmepumpen Elektromobilität einem geringeren Energiebedarf Zukunft ausgegangen. Doch Wende vollständigen, nachhaltigen Energieversorgung, ganz fossile Energieträger verzichtet, liegt noch entfernt. Viele Szenarien setzen Schwerpunkt Ausbau Kombination Solar- Windenergie. Diese beiden Arten erneuerbarer haben größte Potenzial [2] ergänzen Jahresgang gut: Während Sonne Sommer besonders viel liefern kann, schwächelt Winter. Dies kann kompensiert werden, da dunklen Wintermonate Regel stürmischer Sommer. Eine besondere Rolle spielt Windenergiegewinnung Meer. weht stärker kontinuierlicher Land, er effizienter verlässlicher erzeugen. In Wesentlichen Deutschen Nordsee geplant, wo ausschließliche Wirtschaftszone Meeres, jenseits Küstenmeeres verwaltet wesentlich mehr Fläche bietet Ostsee. So befinden gegenwärtig 6,7 an installierter Kapazität Nordsee, während Ostsee lediglich 1,1 (Stand 2021, [3]). etwa 24 TWh/a oder 4,9 zum Strombedarf 491 beigetragen, heißt, Turbinen waren Mittel 35 ausgelastet sogenannte Kapazitätsfaktor [3]. fast doppelt ertragreich bei 18 lag. Bis davon ausgegangen, dass deutlich steigen Onshore. hat ihrem Koalitionsvertrag anvisiert, eine Kapazität. Auf Land stehen 56 Turbinenleistung, hier ein 200 erwartet, verteilt 2 Landesfläche. Dort gibt aber 357 000 km2 Platz ausschließlichen 28 600 groß ist. Also sehen Planungen intensivere kleinerer Meerfläche vor. Und weil jede Windturbine entzieht schwächt, stellt Frage, ob gegenseitig wegnehmen hohen Erträge gefährden könnten. Frage wurde Bericht Agora Windenergiepotenzial untersucht [4]. An diesem habe ich wissenschaftlich mitgearbeitet will Ergebnisse nachvollziehbar darlegen. Studie auch gegenwärtigen, offiziellen Planung berücksichtigt. Im Folgenden gehe Schritte durch, nötig sind, Dabei soll insbesondere Windentzugs physikalisch plausibel werden. ersten Schritt ermitteln wir dazu Flächen, potenziell Verfügung (Abbildung 1). ganze Reihe verschiedener Nutzungen Meeres. Dazu gehört natürlich Schifffahrt, Trassen braucht, gewisse Bereiche Naturschutzgebiete ausgewiesen, militärisch genutzte Gebiete andere, Seekabel Versorgungsleitungen benötigt Flächen schließen was stehende Gesamtfläche erheblich reduziert. nutzbaren grob zwei unterteilen, breite Trasse Schifffahrt getrennt sind: küstennahe Gebiet 1 (blau Abbildung 1) 2767 küstenferne (rot) 4473 km2. Bucht, genutzt werden können. küstennahen dunkelblau bezeichnet, roten, küstenfernen 2. Schwarzweißer Kreis: Position Messstation FINO-1 (Karte modifiziert nach [4]). Als nächstes brauchen technische Informationen Turbinen, platziert Wir wählen dafür hypothetische 12-MW-Turbine Rotordurchmesser m, entspricht ungefähr Eckdaten derzeit leistungsfähigsten Anlagen. einzelnen Turbine dabei Leistungskennkurve beschrieben. Sie zeigt auf, wieviel isoliert vorherrschenden Windgeschwindigkeit produziert, Windertrag 2c). Abhängigkeit vier unterteilt werden: Flaute unterhalb Anlaufwindgeschwindigkeit 3 m/s, international Cut-in Velocity genannt, produziert keinen Strom. zweiten Bereich Nennwindgeschwindigkeit 11,5 m/s (Rated Velocity), steigt Ertrag proportional Energieflussdichte, (1/2)?v3 gegeben Luftdichte ? = 1,2 kg/m3 v m/s. Energieflussdichte dann vom Rotor aufgespannten Querschnittsfläche Leistungskennwert 0,42 multipliziert (das 42 können werden), bestimmen. dritten oberhalb Abschaltgeschwindigkeit (Cut-out Velocity) ist Generators bestimmt. Oberhalb dieser Schutz vor Schäden abgeschaltet erzeugt Windbedingungen sowie deren Windturbine. a) Häufigkeitsverteilung Windmessungen 2004–2015 100 m Höhe [5], siehe 1. b) Der saisonale Verlauf Monate gezeigt Median, wobei blau unterlegte 25–75 Verteilung überdeckt. c) stehenden 12-MW-Windturbine Funktion d) saisonaler Ertragsverlauf Nordsee. Links hellgrau markiert Bereich, ansteigt (61,5 Zeit), dunkelgrau markierten ihrer Kapazitätsgrenze operiert (32,6 Zeit). mittlere ziehen heran 2a), welche FINO-1-Messstation Zeitraum gemessen [5]. eingezeichnet. Daten zeigen, Flauten 5,8 relativ selten sind. zweite direkt abhängt, 61,5 am häufigsten, 32,6 Zeit Leistungsgrenze. nur 0,1 muss hoher Insgesamt 6,8 MW elektrischer 59,1 GWh pro Jahr. Windenergieerzeugung einerseits Volllaststunden beschrieben denen jährliche einfach Produkt wird. Jahresertrag errechnet somit 12 · x h/a GWh/a 4928 Anderseits beschreiben, Verhältnis mittleren Ertrags angibt. unserem Fall MW/12 56,7 %. Wirkungsgrad nicht Spezifikation bestimmt, sondern Windverhältnissen. bewegt Beispiel 20 [6]. Grundsätzlich unterliegt zudem jahreszeitlichen Schwankungen, höherem Winter 2d). betrachten verschiedene Szenarien, unterschiedlicher Anzahl bestückt Drei allein Gebiets Windenergie, denn dessen Küstennähe Kosten Installation, Versorgung Anschluss Stromnetz günstiger. Installationsdichten 5, 10 Quadratkilometer. Mit 1153, 2306, 4612 jeweils fünf weiteren beide 7,5, 10, 12,5 MW/km2, 3017 067 gleichmäßig 7240 beider zusammengenommen. acht Spannweite 14 145 umfassen. Ausbauziel gut abgedeckt. Gesamtertrag verschiedenen Szenarien. scheinbar naheliegende Art Weise wäre es, Turbinenanzahl multiplizieren. liefert theoretische Resultate Erträge, hellen Balken Abschätzung verbreitet. Teilweise empirisch ermittelten Parkverlust geschmälert, manchmal allerdings sogar technologischen Fortschritt zunimmt. Aus ergibt 7,8 82,1 68,2 713,6 TWh/a. Zum Vergleich: Stromverbrauch lag Stromertrag Ausbauszenarien (hell) (dunkel) Entzug blauen Abschätzungen basieren KEBA-Ansatz (s. „KEBA: Kinetische Atmosphäre”), orangen Berechnungen komplexeren, numerischen Wettervorhersagemodell (WRF) basieren. vertikale, schwarze Linie Deutschlands Jahres dar. 2030 30 installierte Kapazität, (Daten aus Ertragsermittlung berücksichtigt, beträchtliche Menge entziehen. schwächt Region. erkennen, Energieflüsse 4 Atmosphäre” S. 34). Einträge untere Region, sogenannten Grenzschicht, 700 mächtig ist: erste kommt horizontalen Strömung oben vertikale Mischung. Bilanz effektive bestimmt (Erklärung Symbole Legende Atmosphäre“). vereinfacht Quadrat Kantenlänge 52,6 km. Wenn 9,4 annehmen, Median 2a entspricht, dies Damit strömen 52 (0,5 1,2) (9,4 m/s)3 ? 18,3 Gebiet, Nachschub 2,8 gering ausfällt (siehe Formeln (2) (3) Atmosphäre”). Somit gelangen 21,1 kinetischer kleinsten Szenario 1153 recht nahe GW. also, nennenswerten Anteil entziehen berücksichtigt muss. unteren beschreiben [7]. gezeigte Luftvolumen geplanten Windparks, Breite W Länge L, H. umfasst durchmischt Über diese hoch. sehen, (N Faktor ergibt, sodass keine Ertragsminderung vorliegt. Je höher Zahl je größer Rotorfläche, desto kleiner Faktor, geschwächt, Fall, operieren, ähnlicher Ausdruck herleiten. Anwendung 72-GW-Szenario sei kurz illustriert: H L 85 090 Cd 0,001, ? 0,42, N 6033 fred 870 m/(870 + 1404 m) 0,38. bedeutet Windentzug 38 absinkt, 62 reduziert, gesunken Teilaspekt Gesamtertrags, weiterhin Zeiten gibt, operieren. Daher Reduzierung drastisch. Komponenten beobachteten (505 m–2 vin m/s) Parametern Gleichungen KEBA-Rechnungen Tabellenkalkulation Ertragsabschätzungen Internet verfügbar [8]. virtuellen Kasten nehmen 4) Ansatz gezeigt. orangenen kommen Wettervorhersagemodell. Wie Verfahren ähnlich. Betrachtung Schlüssel dazu, reduzierten starker verstehen. vollständige Verlustterme ansehen. Zusätzlich dadurch Reibungsverlust Windschatten hinzu, Bodenreibung Austrag windwärts hinter gelegenen Gebiete. vergleichsweise Reduktionsfaktor darstellen, alle abhängen. Dieser hängt vorrangig Größe unseres Kastens ab Formel (10) Er reduziert geringen Windgeschwindigkeiten, empfindlich abhängt. unseren eingebracht, Potenz Geschwindigkeit eingehen. operieren Leistungsgrenze, wodurch Senkung stark auswirkt. 5 Änderung Beiträge exemplarisch dargestellt. Auch natürliche darin enthalten. Hier bilanziert Austrag. Gebieten wird, verschieben Terme hin (gelb 5) Reibungsverlusten (orange). Lasten Austrags. gekoppelt, sinken. klar erkennbar 6), stärkerer Werten verschiebt. Energiekomponenten 3, obere hellblaue Abschnitt gilt wieder alleine, weiße zusammen. Werte geschätzt (Farbgebung in, Erklärung drei Verschiebung illustrieren. Zahlenwerte geben jeweiligen Verteilungen an. erhalten differenziertes Bild Beitrag, kann: Seite Potenzial, erzeugen, gewaltig, selbst verbundenen, erheblichen Minderungen 72 Drittel Stromverbrauchs decken. anderen effizienter, dicht größere sieht direkten 55 GW, installiert 1, 54 (Abbildungen 5). letzteren Reduzierungseffekt geringer, größeren stehen. Schwächungseffekt zunehmend wichtige spielen. unabhängig Technologie, Positionierung Windpark. Denn Haupteffekt schließlich tun, wozu Dem entziehen, Open Access Veröffentlichung ermöglicht organisiert Projekt DEAL. Axel Kleidon studierte Physik Meteorologie Universität Hamburg Purdue University, Indiana, USA. Am Max-Planck-Institut promovierte 1998 tief wurzelnder Vegetation Klimasystem. Danach forschte Stanford University Kalifornien of Maryland. Seit 2006 leitet unabhängige Forschungsgruppe „Theorie Modellierung Biosphäre“ Biogeochemie Jena. Seine Forschungsinteressen reichen Thermodynamik Erdsystems natürlichen Grenzen Energiequellen. (Foto: R. Wernicke)