Windkraft: Dritte Potenz, eine harte Grenze und ein Preissturz
Wind ist in weiten Teilen der Welt die günstigste Quelle neuen Stroms, und er wurde es schneller, als fast jemand vorhergesagt hatte. Die Physik dahinter hat sich seit 1919 nicht geändert, als Albert Betz das theoretische Maximum herleitete. Geändert haben sich die Fertigung, die Rotorlänge und die Entscheidung, auf See zu bauen.
Warum die dritte Potenz so viel ausmacht
Die Bewegungsenergie strömender Luft hängt von ihrer Masse und dem Quadrat ihrer Geschwindigkeit ab. Schnellerer Wind führt aber auch mehr Masse je Sekunde durch dieselbe Fläche, sodass die verfügbare Leistung mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit wächst. Diese eine Beziehung bestimmt jede Entscheidung der Branche.
Die Folge: Kleine Unterschiede in der mittleren Windgeschwindigkeit erzeugen große Unterschiede im Ertrag. Ein Standort mit 7,5 statt 6,5 Metern pro Sekunde liefert aus derselben Maschine rund 50 Prozent mehr Energie. Zwei Anlagen wenige Kilometer auseinander können sich wirtschaftlich stärker unterscheiden als ihre Baukosten.
Es erklärt auch die Form der Leistungskurve. Unterhalb von etwa 3 Metern pro Sekunde reicht die Energie nicht, um die Reibung zu überwinden, und die Anlage steht. Danach steigt der Ertrag steil bis zur Nennleistung, typischerweise bei 12 bis 15 Metern pro Sekunde, oberhalb derer die Blätter bewusst verstellt werden, um überschüssigen Wind abzugeben - der Generator kann nicht mehr aufnehmen, und die Struktur darf nicht überlastet werden. Über etwa 25 Metern pro Sekunde schaltet die Anlage zum Eigenschutz ganz ab.
Die Nabenhöhe folgt derselben Logik. Die Windgeschwindigkeit nimmt mit der Höhe zu, weil die Reibung am Boden die unteren Schichten bremst, sodass eine Erhöhung von 80 auf 120 Meter den Ertrag um 10 bis 15 Prozent steigern kann, ohne sonst etwas zu ändern.
Das Betz-Limit
1919 fragte Albert Betz, welchen Anteil der Windenergie ein Rotor aufnehmen kann, und beantwortete das mit einem Erhaltungsargument, das keine Kenntnis der Blattgestaltung verlangt. Um Energie zu entziehen, muss eine Anlage die Luft abbremsen. Brächte sie die Luft zum Stillstand, hätte diese Luft keinen Weg mehr und würde die Strömung hinter dem Rotor blockieren. Entzieht sie nichts, strömt die Luft frei durch und liefert nichts.
Zwischen diesen Extremen liegt ein Optimum, und Betz zeigte, dass es exakt 16/27 der einströmenden Bewegungsenergie beträgt - 59,3 Prozent. Kein Rotor welcher Bauart auch immer kann das überschreiten, denn das Argument stützt sich allein auf die Erhaltung von Masse und Impuls.
Das ist eine echte physikalische Decke und keine vorübergehende technische Einschränkung, und es lohnt, das von Behauptungen zu unterscheiden, eine bessere Bauform könne sie übertreffen. Moderne Dreiblattanlagen erreichen 45 bis 50 Prozent der Windenergie, also 75 bis 85 Prozent des Betz-Maximums. Der verbleibende Spielraum ist klein, weshalb die Branche größere Rotoren und bessere Standorte verfolgt hat statt grundlegend anderer Rotorkonzepte.
Onshore, Offshore und warum Anlagen weiter wachsen
Die Energie, die eine Anlage aufnimmt, ist proportional zur überstrichenen Fläche, und diese Fläche wächst mit dem Quadrat der Rotorlänge. Doppelte Blattlänge, vierfache Fläche. Das ist der Motor hinter vier Jahrzehnten stetigen Wachstums: von Rotoren mit 15 Metern in den 1980er Jahren auf über 230 Meter heute.
An Land hat das Wachstum Grenzen. Blätter müssen über die Straße transportiert werden, was die Länge begrenzt, und Planungsrecht begrenzt Höhe und Abstand zur Wohnbebauung. Onshore-Maschinen bewegen sich deshalb um 3 bis 6 Megawatt.
Auf See lockern sich diese Zwänge. Bauteile reisen per Schiff, niemand wohnt nebenan, und der Wind ist stärker und weniger böig, weil kein Gelände ihn stört. Offshore-Anlagen sind auf 14 bis 18 Megawatt gewachsen, jede einzelne versorgt Tausende Haushalte. Der Preis dafür sind die Kosten: Fundamente im Meerwasser, Seekabel und Wartung per Schiff machen Offshore-Anlagen je Megawatt deutlich teurer, weshalb sie später kamen und sich weiterhin auf Europa und China konzentrieren.
Schwimmende Plattformen sind die aktuelle Front. Feste Fundamente werden jenseits von etwa 60 Metern Wassertiefe unpraktisch, was den größten Teil der Weltküsten ausschließt, darunter fast ganz Japan und die US-Westküste. Schwimmende Anlagen stehen am Anfang des kommerziellen Einsatzes und würden weit größere Flächen erschließen, wenn die Kosten fallen.
Kapazitätsfaktor und die Frage der Schwankungen
Eine mit 5 Megawatt angegebene Anlage erzeugt keine 5 Megawatt. Ihr Kapazitätsfaktor - tatsächlicher Jahresertrag geteilt durch das theoretische Maximum - liegt an Land bei 35 bis 45 Prozent und auf See bei 45 bis 60 Prozent. Moderne Auslegungen haben diese Werte deutlich gehoben, indem sie größere Rotoren auf denselben Generator setzen, was Spitzenleistung opfert, um häufiger zu erzeugen.
Das ist keine Unzuverlässigkeit im Sinne technischer Ausfälle; Anlagen sind weit über 95 Prozent der Zeit verfügbar. Es spiegelt die Ressource. Wind weht, wann er weht, und das mit dem Bedarf in Deckung zu bringen ist die zentrale Aufgabe eines Netzes mit hohem Windanteil - weshalb Energiespeicher und intelligente Netze von der Winddebatte nicht mehr zu trennen sind.
Geografische Verteilung hilft erheblich. Windverhältnisse über einen Kontinent hinweg sind weit weniger gleichlaufend als innerhalb einer Region, sodass ein gut vermaschtes Netz eine viel glattere Gesamtleistung sieht als jeder einzelne Park. Offshore-Wind läuft zudem schlecht mit Solarstrom gleich, was nützlich ist: In Nordeuropa ist er im Winter am stärksten, wenn die Sonne am schwächsten ist.
Die Ergänzung zum Wind ist etwas, das unabhängig vom Wetter läuft. Quellen mit diesem Charakter - Kernspaltung, Geothermie, Wasserkraft mit Speicher - nehmen im Netz eine andere Rolle ein statt einer konkurrierenden, und die Forschung an durchgehend verfügbarer Umgebungsenergie ist von derselben Lücke motiviert.
Häufige Fragen
Warum bringt doppelte Windgeschwindigkeit achtfache Leistung?
Die Bewegungsenergie geht mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, und schnellerer Wind schiebt zusätzlich je Sekunde mehr Luftmasse durch den Rotor. Multipliziert ergibt das eine kubische Beziehung. Deshalb dominiert die Standortwahl die Wirtschaftlichkeit, und deshalb wiegen kleine Unterschiede der mittleren Windgeschwindigkeit so schwer.
Was ist das Betz-Limit?
Der höchste Anteil der Bewegungsenergie des Windes, den ein Rotor entziehen kann: 59,3 Prozent. Albert Betz leitete ihn 1919 aus der Erhaltung von Masse und Impuls her, und er gilt für jede Bauform, weil eine Anlage, die die Luft völlig anhielte, die Strömung hinter sich blockieren würde. Moderne Anlagen erreichen 45 bis 50 Prozent.
Wie oft laufen Windkraftanlagen tatsächlich?
Sie erzeugen in etwa 70 bis 90 Prozent der Jahresstunden Strom, selten jedoch mit voller Leistung. Der Kapazitätsfaktor - mittlere Leistung im Verhältnis zur Nennleistung - liegt an Land bei 35 bis 45 Prozent und auf See bei bis zu 60 Prozent. Die technische Verfügbarkeit liegt über 95 Prozent; die Schwankung kommt vom Wind, nicht von der Maschine.
Warum sind Offshore-Anlagen so viel größer?
Der Landtransport begrenzt die Blattlänge und das Planungsrecht die Höhe. Auf See kommen die Bauteile per Schiff und es gibt keine Nachbarn, sodass Rotoren 230 Meter überschreiten können. Offshore weht der Wind zudem stärker und gleichmäßiger, was die größere Investition trotz teurerer Fundamente und Kabel lohnend macht.
Wie lange braucht eine Windkraftanlage, um ihre eigene Energie zurückzuzahlen?
Lebenszyklusstudien finden typischerweise fünf bis zwölf Monate, einschließlich Fertigung, Transport, Errichtung und Rückbau, bei einer Nutzungsdauer von 20 bis 25 Jahren. Das Recycling der Rotorblätter bleibt ein offenes Problem, weil sich die Verbundwerkstoffe schwer trennen lassen.
