Holländerwindmühle
Ist die uralte Nutzung der Windenergie im heutigen Zeitalter der elektrischen, mechanischen und Turbinen-Antriebe angesichts auch des zu erwartenden Anstiegs des deutschen Strombedarfs eine realistisch nutzbare und wirtschaftliche Energiequelle? Gibt es physikalische Grenzen, die ihre Nutzung einschränken? Wie groß ist das Verhältnis der Nutzenergie zur aufgewandten Energie?
Es war einmal
Erste Anfänge der Windenergienutzung gehen auf einfache Windmühlen im arabischen Raum noch vor unserer Zeitrechnung zurück. Die wohl am weitesten verbreitete Anwendung bis ins 19. Jahrhundert fand die Windenergie in der Segel-Schifffahrt. Auf dem Land wurde die Energie des Windes zum Mahlen des Getreides oder zum Heben von Wasser ausgenutzt. Durch die Araber und die Kreuzritter kam die Kenntnis von den Windmühlen nach Europa. Der Rotor der im 12. Jahrhundert üblichen Mühle bestand aus vier Blättern, die vom Wind frontal angeblasen wurden. Durch die leichte Schrägstellung der Blätter erreichte man eine senkrecht zur Windrichtung wirkende Antriebskraft, die den Rotor in Bewegung setzte. Obwohl heute in der Praxis nur noch selten genutzt, geht von den verschiedenen Arten der Windmühlen noch immer eine romantische Faszination aus.
Fast ein Symbol des „Wilden Westens“ war im 19. Jahrhundert ein Windrad, das vorwiegend
zum Pumpen von Wasser auf den Farmen eingesetzt wurde. Es hat eine horizontale Achse und bis zu 30 gebogene Blechflügel. Der Rotor wird über eine Windfahne der sich ändernden Windrichtung nachgeführt. Die Drehbewegung wird in eine Auf- und Abwärtsbewegung einer Pumpkolbenstange umgewandelt. Auf diese Weise ist es möglich Wasser bis aus 35 m Tiefe zur Oberfläche zu pumpen.
In den entwickelten Ländern nur noch Historie: Der Kolbenmotor machte den Segelschiffen den Garaus (was blieb, galt dem Sport oder Hobby). Der Elektromotor brachte dem Müller die Unabhängigkeit vom „unzuverlässigen“ Wind und nutzt ihn nur noch, wenn er bläst. Und Pumpen arbeiten inzwischen elektrisch.
Politisches Ziel
Die Bundesregierung aber will im Rahmen der Energiewende die Stromerzeugung in Deutschland – und das ist weltweit einzigartig – bis 2045 vollständig auf erneuerbare Energie umstellen, wobei die Windenergie den Hauptanteil hat. Sie will die Stromerzeugung von fossilen Energieträgern unabhängig machen. Sie geht dabei noch einen gewaltigen Schritt weiter: Auch der Einsatz von fossilen Energieträgern in der Industrie soll weitgehend durch die Elektrizität ersetzt werden.
So sehr sich auch für die angemessene Verwendung der erneuerbaren Energie argumentieren ließe, wir sollten uns mal näher ansehen, was das bedeutet.
Physik des Windrades
Eine bewegte Luftmasse hat kinetische Energie. Bei einer leichten Brise um eine Windgeschwindigkeit von 2 Meter pro Sekunde (m/s) dreht sich bereits der Rotor des Windrades. Die Windleistung Pwind aber ist dabei gering. Die Windleistung steigt mit der 3. Potenz der Windgeschwindigkeit v. Das bedeutet, bei Verdopplung der Windgeschwindigkeit steigt die Windleistung auf das Achtfache, wird aber durch den maximalen Wirkungsgrad h begrenzt. Die physikalische Formel lautet Pwind = ½ ρ A v3 h, wobei A die Rotorfläche und ρ die Luftdichte ist. Der maximale physikalische Wirkungsgrad h beträgt 0,48 für Dreiflügler. Hinter dem Windrad ist die Windgeschwindigkeit nicht null, sonst würde keine Luft nachströmen. Also ist nur ein Teil der kinetischen Energie nutzbar. Die Herleitung der Formel wird in [1] beschrieben.
Die geringe Dichte der Luft (ρ =1.225 kg/m3 bei 15 0C in Meereshöhe) stellt die grundsätzliche physikalische Limitierung der Windkraft dar. Sie ist 816-fach geringer als die Dichte von Wasser, wobei der max. Wirkungsgrad der Windkraft etwa nur halb so groß ist, wie der einer Wasserturbine. Die geringe Dichte der Luft ist der Grund für die riesige Anzahl von Windrädern, was in der Konsequenz Milliarden Quadratmeter Rotorfläche benötigt.
Die praktischen Konsequenzen dieser einfachen physikalischen Zusammenhänge sind: Bei einer abgenommen mittleren Leistungsdichte von 40 W/m2 Rotorfläche, was 1 Mrd. Quadratmeter Rotorfläche für ca. die Hälfte der derzeitigen Stromlast (ca. 40 GW) und 5 Mrd. Quadratmeter Rotorfläche für die Hälfte einer Energiewende notwendig macht, wären 220.000 Windräder mit einem Rotordurchmesser von aktuell 170 m (22.700 m2 Rotorfläche, Gesamthöhe ca. 250 m) notwendig. Dies wären auf ganz Deutschland verteilt 1,6 km2 pro Windrad oder alle 1,2 km ein Windrad [2].
Diese Zahlen machen deutlich, dass, entgegen den möglichen Erwartungen, die Windkraft nur über ein geringes Potential zur Stromversorgung verfügt. Es sind allein die schiere Größe und Anzahl der Windräder sowie die damit einhergehende Nennleistung von Megawatt, die beeindrucken. Die Wenigsten wissen wohl, dass diese nur bei Windstärke sechs aufwärts erreicht wird, und dass bei halbem Wind jeweils nur noch 1/8 der ursprünglichen Windleistung dem Rotor zur Verfügung steht. Im Binnenland kann im Jahresmittel eine Auslastung von 23 % erreicht werden. Dieser Wert erhöht sich auf 28 % an der Küste und auf 43 % für Offshore-Anlagen [1].
Was sich leicht merken lässt: Mit einem Quadratmeter Rotorfläche einer Schwachwindanlage, bestehend aus Tausenden Tonnen Stahl auf einem Fundament von Tausenden Tonnen Stahlbeton ließe sich an 365 Tagen im Jahr nur eine 40 Watt-Glühbirne betreiben. Vorausgesetzt, man könnte den Strom speichern [3].
Nutzenergie zu aufgewandter Energie (Erntefaktor)
Der Erntefaktor (englisch: Energy Returned on Energy Invested, ERoEI, manchmal auch EROI) beschreibt das Verhältnis der im Verlaufe der Lebensdauer eines Kraftwerks insgesamt erzeugten Energie zur eingesetzten Energie – also einschließlich der zur Herstellung, Entsorgung und anderen Zwecken aufgewendeten grauen Energie. Er beantwortet also die Frage: „Wie oft bekommt man die hineingesteckte Energie wieder heraus?“
Erntefaktoren verschiedener Kraftwerkstechniken. Quelle: [4]
Unsere Vorfahren hatten bis zum Ende des 18. Jahrhunderts für ihre Energieversorgung nur die Wahl Holz oder Dung zu verbrennen. Der EROI betrug dabei 3 bis 5. Mit der Einführung von Kohle änderte sich das und der EROI stieg auf über 20. Das bedeutet das Ende der Adelsherrschaft, bei denen 1 % der Bevölkerung reich und der Rest arm bis bitterarm war [2].
Mit der Einführung von Gas und Öl stieg dieser EROI auf 30 an. Was für viel mehr Menschen mehr Wohlstand bedeutete. Mit der Einführung der Kernenergie stieg der EROI auf 50 bis 100. Mithin eine der Energieversorgung, die das Energieproblem dieses Jahrhunderts mithelfen kann zu lösen.
Mit der Solar- und Windkraft ohne Speicherung hingehen befinden wir uns wieder bei 3 – 5. Ein unendlicher Rückschritt, hin zur Verarmung der Bevölkerung [2].
Fazit
Allein die Physik des Windrades und des Erntefaktors über Energieaufwand und –gewinn zeigen die ganze Fragwürdigkeit der Windenergietechnik, einer Technik unserer Ahnen. In Einzelfällen, zum Beispiel in Bereichen ohne Stromanschluss, kann sie durchaus Sinn machen. Nicht aber für die Stromversorgung eines ganzen Industriestaates, zumal diese Technik des Flatterstroms den parallelen Betrieb konventioneller Stromerzeugung zwingend erforderlich macht. Über die eigentlich auch zwingend nötige, aber nicht vorhandene Energiespeicherkapazität, über die Verschandelung unserer Natur, über den notwendigen Ausbau des vorhandenen Stromnetzes und über den enormen Materialeinsatz zum Bau der Windräder berichteten wir in früheren Artikeln.
Passend zu dem Thema diese Artikels ein Zitat aus dem Buch von Prof. Klaus Knizia „Schöpferische Zerstörung = zerstörte Schöpfung?“
„Den Menschen, die in ihrer ganzen Geschichte ihre Bedürfnisse mehr schlecht als recht unter Verwendung der regenerativen Energien gedeckt hatten, stand durch die schnell wachsende Energietechnik gegenüber früheren Zeiten ein Vielfaches an Nutzenergie, an Arbeitsfähigkeit, zur Verfügung, gewonnen aus der vielen Millionen Jahren aus Sonnenenergie gespeicherten fossilen Energie Kohle. Durch die so mögliche Verminderung von Hunger und Not, aber auch Fortschritte in der Medizin, in der Landwirtschaft und in anderen Zweigen von Naturwissenschaft und Technik, wurde das Bevölkerungswachstum begünstigt.“ Dann beschreibt er den inzwischen angewachsenen Energiebedarf und endet mit der Feststellung: „Es gibt kein Zurück zu den Schäferidyllen des 18. Jahrhunderts, zu den Zuständen einfachen und friedlichen Lebens in ländlicher Abgeschiedenheit mit ihren offenbar so erstrebenswerten Hungerepidemien“.
[1] https://home.uni-leipzig.de/energy/energie-grundlagen/15.html
[3] https://www.thlemv.de/wp-content/uploads/2023/08/Windkraft-erklaert-auf-einem-Bierdeckel_2.pdf
[4] https://www.novo-argumente.com/artikel/energie_schlechte_ernte_bei_wind_und_sonne
Einige Angaben wurden der Stellungnahme des Physikers Dieter Böhme zum Entwurf des 2. Sachlichen Teilplans Windenergie – Mittelthüringen an das Thüringer Landesverwaltungsamt Referat 300 Regionale Planungsstelle Mittelthüringen entnommen.