Inzwischen konnte man in vielen Meldungen die Nachricht von einer wissenschaftlichen Untersuchung lesen, nach der das Windkraftpotential stärker begrenzt ist, als man bisher vermutet hat. Wie immer sind die Meldungen recht maßlos übertrieben. Allerdings nicht in der Sache, sondern in der Neuigkeit. Es war längst bekannt, dass man aus der Windgeschwindigkeit und der Leistung einzelner Turbinen nicht ableiten kann, wieviel Energie man aus einer großen Windfarm heraus holen kann. Die grundlegenden Mechanismen waren lange bekannt und letzten Monat habe ich auch schon darüber geschrieben.
Kurz gesagt verringert die Nutzung der Bewegungsenergie des Windes die lokale Windgeschwindigkeit. Um so größer die Fläche ist, auf der man die Windkraft nutzt, um so größer ist die Fläche auf der die Windgeschwindigkeit reduziert wird. Diese Fläche kann dabei weit über die eigentliche Windfarm hinaus gehen.
Die neue Studie berechenet die Effekte nun für eine besonders windreiche Gegend in den USA, in Kansas. Windturbinen erreichen dort ein Auslastung von 42%. Die deutschen Windkraftanlagen kommen nur in Ausnahmenjahren über 20%, teilweise nicht einmal auf 15%. Nur an der unmittelbaren Küste und Offshore könnte man ähnlich Werte erreichen, wie im Landesinneren von Kansas.
Man wollte wissen, wieviel Windenergie man in dieser besonders guten Gegend maximal erzeugen kann. Das heißt also, wenn man sie mit einer großen Windfarm bedeckt um möglichst den gesamten Wind zu nutzen. Würde man das tun, käme man dort im langfristigen Durchschnitt maximal auf ein Megawatt Windenergie pro Quadratkilometer Fläche. Bei einem naiven Ansatz, der die Rückwirkung der Windturbinen auf die Atmosphäre nicht berücksichtigt, wäre man beim maximalen Ausbau auf den 4-5 fachen Wert gekommen.
Woher kommt der Unterschied? Wenn man einzelne, kleine Windfarmen baut, dann nutzt man nicht den Wind der von der Atmosphäre kommt. Man nutzt den Schwung aus, den der Wind in der unteren Atmosphäre aufgebaut hat. Hinter der Windfarm muss erst der Wind in den höheren Lagen dafür sorgen, dass der die Luft weiter unter wieder beschleunigt wird. Wenn dort keine Windräder mehr stehen, ist das für die Stromerzeugung egal. Wenn doch irgendwann wieder einige stehen, muss genug Platz sein, damit der Wind wieder “Schwung holen” kann.
Damit ist aber auch zweifelsfrei klar, dass die intensive Nutzung der Windenergie zu einer Änderung des Klimas führt. Denn die niedrigere Energieausbeute entsteht durch eine Reduzierung der Windgeschwindigkeit um fast die Hälfte. Die Windgeschwindigkeit ist ein Klimaparameter. Er beeinflusst Erosion und Verdunstung von Wasser, die Verbreitung von Samen, Pollen, Schadstoffen und so weiter. Zusätzlich würden sich natürlich Luftströmungen verändern und Scherwinde entstehen. Der Transport von Luftmassen ins Landesinnere oder aus dem Land heraus würde behindert. Das gilt genauso für kalte arktische Luft die nach Süden fließt oder feuchte tropische Luft die nach Norden zieht. Die genauen Änderungen wären eine Frage für die Klimamodellierung.
Tatsächlich stellen sich diese Fragen für die USA aber nicht. Für europäische Maßstäbe ist Nordamerika unglaublich dünn besiedelt, besonders der mittlere Westen. Man kann es sich leisten größere Flächen in Anspruch zu nehmen und den Wind dort auf größerer Fläche weniger intensiv zu nutzen. Zumal das auch wirtschaftlicher ist. Wenn man sich der maximalen Ausbeute nähert, sinkt mit zusätzlichen Turbinen die Ausbeute aller Windturbinen immer mehr.
Das ist in Europa und besonders in Deutschland anders, wenn man das maximale Potential der Windkraft bestimmen will. Wir sind nicht mehr in Kansas.
In Deutschland weht schlicht weniger Wind. Die maximale Ausbeute auf großen Flächen ist also mit Sicherheit geringer als in Kansas. Wieviel geringer kann ich nicht sagen. Ich kann keine Atmosphärenmodelle simulieren und bin da ganz auf die Forschungsergebnisse angewiesen.
Wären wir in Kansas, könnte man auf der Fläche von Niedersachsen (48.000 km²) bei maximalem Ausbau im Jahresdurchschnitt etwa 48GW Strom erzeugen. Aber wir sind nicht in Kansas. Es steht uns weder eine vergleichbare Windmenge zur Verfügung noch vergleichbare Freiheiten bei der Flächennutzung einer weitgehend unbewohnten Prärie. Kansas ist mehr als halb so groß wie Deutschland, hat aber weniger Einwohner als Berlin.
In ganz Deutschland wurden 2013 etwa 6GW Windstrom erzeugt, mit Spitzen um 30GW von denen man dann in der Zeitung lesen konnte. Die durchschnittliche Auslastung der Anlagen lag in dem Jahr bei einem repräsentativen Wert von 17,6%. Dabei beschränkt man sich vernünftiger Weise auf die windreicheren Standorte im Norden Deutschlands (Karte). Wobei man sich in Anbetracht der durchschnittlichen Auslastung fragen kann, wieviele Standorte auf Werte von 10% und weniger kommen.
Die Anlagen sind unterschiedlich dicht über Deutschland verteilt, hauptsächlich in einem Gebiet das schätzungsweise 150.000 km² groß ist. Wenn wir für diese Gebiete in Deutschland annehmen, dass sie etwa die Hälfte des Windpotentials von Kansas haben, dann kämen wir auf eine maximale Ausbeute von 0,5MW/km² * 150.000km² = 75GW bei maximalem Ausbau.
Falls das stimmt, dann hätten wir jetzt schon 8% des Maximums der gesamten Fläche erreicht, obwohl ich hier nur den Durchschnitt eines sehr großen und ungleichmäßig bebauten Gebiets benutze. Möglicherweise kommen einige sehr dicht mit Windkraftanlagen bebaute Gebiete in Deutschland heute schon in die Regionen des Maximums hinein.
In jedem Fall ist bei noch stärkerer Annäherung an die Grenzen damit zu rechnen, dass die Auswirkungen auf die Windgeschwindigkeiten und das Klima in Deutschland nicht mehr vernachlässigbar sind. Zur Zeit kann man davon noch größtenteils ausgehen. Wenn man einer Luftströmung 8% der Windenergie entnimmt, sinkt die Windgeschwindigkeit nur mit der dritten Wurzel, also um etwa 3%. Wenn man aber nicht mehr 8%, sondern 30% oder 50% der Menge nutzt, werden die Effekte viel deutlicher.
Aber wie gesagt, die genauen Zahlen sind Spekulation von mir. Ich kenne die Atmosphärenmodelle nicht genau genug, mit denen sie berechnet werden und kann sie selbst nicht modellieren. Es könnte immerhin sein, dass die 1MW/km² auch für Deutschland gelten. Aber auch so kommt der Ausbau der Windkraftanlagen inzwischen an einen Punkt, an dem die regionale Modellierung sicherlich nötig und relevant ist.
Immerhin wird teilweise verlangt, dass Windkraft einen viel größeren Teil der Stromversorgung als die aktuellen 8-9% erreichen soll. Bei einer Verdreifachung oder einer Verfünffachung der aktuellen Mengen kommen wir aber in keinem Fall mehr um eine Diskussion der klimatischen Veränderungen mehr herum. Lokal würde man dann mit Sicherheit die physikalischen Grenzen austesten. Das Absinken der Windgeschwindigkeiten der unteren Luftschichten ist dann nicht mehr vernachlässigbar.
Die Auswirkungen müssen modelliert und diskutiert werden. Gerade an den Küsten würde ich bei massivem Ausbau von Offshore-Anlagen beispielsweise erwarten, dass weniger feuchte Meeresluft an Land strömt und weniger weit vordringt. Die Windgeschwindigkeit über Wasseroberflächen ist auch maßgeblich für die Verdunstung von Wasser. Nur wenn die feuchte Luft von der Wasseroberfläche weg bewegt wird, kann weiteres Wasser verdunsten. Deswegen trocknet Wäsche auf der Leine mit Wind schneller als ohne. Gleichzeitig fehlt damit auch die Kühlungswirkung der Verdunstung, die Wasseroberfläche heizt sich stärker auf. Wie groß solche Auswirkungen genau sind, können aber nur gute Modelle sagen. Ob die Auswirkungen dann für alle Betroffenen in Deutschland und den umliegenden Ländern akzeptabel sind oder nicht, kann nur eine offene Debatte sagen.
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