Zunächst soll in diesem Kapitel gezeigt werden, dass die entscheidenden Impulse zur Entwicklung der Stromerzeugung aus Windenergie von der Politik ausgingen und noch ausgehen. Anschließend wird ein Einblick in den derzeitigen Stand der Technik der am Markt befindlichen Windkraftanlagen gegeben. Eine Vorstellung der technischen Grundlagen zur Berechnung der Leistung aus Wind soll dabei einem besseren Verständnis der weiteren Arbeit dienen. Dann wird auf heute relevante externe Effekte von Windkraftanlagen eingegangen, die ein weiteres Wachstum der Windenergienutzung beeinflussen können. Im Anschluss daran wird der derzeitige Stand der Windenergienutzung in der BRD aufgezeigt, wobei sich ein Trend zu immer größeren Windkraftanlagen abzeichnet. Dieses Kapitel abschliessend wird die zu erwartende positive Entwicklung der Windenergienutzung durch eine komprimierte Potentialanalyse und eine Übersicht verschiedener Prognosen über die zukünftige Entwicklung belegt.
Menschen haben die Kraft des Windes seit Jahrhunderten genutzt, im Wesentlichen zum Antrieb mechanischer Anlagen wie Windmühlen oder Pumpen an Brunnen.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts begann die Nutzung der Windenergie zur Stromerzeugung in Dänemark, mit dem Ziel, auch ländliche Gebiete mit Elektrizität zu versorgen. In Deutschland wurden bis in die dreißiger Jahre des 20. Jahrhunderts Windkraftanlagen (WKA) in größeren Stückzahlen gebaut. Jedoch wurden diese Anlagen nach dem zweiten Weltkrieg von preiswerteren, fossilen Energieträgern verdrängt. Erst die zwei Ölpreiskrisen der siebziger Jahre belebten die Aktivitäten in der Nutzung regenerativer Energien in den USA.[9]
Deutschland erlebt seit 1991 einen starken Ausbau der Windenergienutzung. Mit dem Inkrafttreten des am 1. Januar 1991 eingeführten „Gesetz über die Einspeisung von Strom aus erneuerbaren Energien in das öffentliche Netz“ (Stromeinspeisungsgesetz) wurde die Wirtschaftlichkeit der Windenergienutzung abgesichert. Dieses Gesetz hat die Energieversorgungsunternehmen (EVU) verpflichtet, erstens den in ihren Versorgungsgebieten aus regenerativen Energien gewonnenen Strom aufzunehmen und zweitens eine Mindestvergütung von 90 % „des Durchschnittserlöses je Kilowattstunde aus der Stromabgabe von EVU an alle Letztverbraucher“ (ca. 17 Pf/kWh) vorgeschrieben.[10]
Am 1. April 2000 trat das „Gesetz für den Vorrang erneuerbarer Energien“ (Erneuerbare-Energien-Gesetzes) in Kraft, das rechtliche Probleme des Stromeinspeisungsgesetzes zukunftsweisend löste. Darüber hinaus schaffte es Investoren auf überschaubare Zeit Rechtssicherheit hinsichtlich der Vergütungsregelung.[11] Diese Maßnahmen sowie die politische Zielsetzung der derzeitigen Bundesregierung, die bis 2010 eine Verdopplung des Anteils erneuerbarerer Energien an der Stromerzeugung und bis 2030 eine Reduktion des CO2 – Ausstoßes um 50 % erreichen will,[12] lässt für die Zukunft eine deutlich steigende installierte Leistung erwarten. Untermauert wird diese Prognose durch die Entwicklung immer leistungsstärkerer Windkraftanlagen und den fortschreitenden Ersatz kleiner Anlagen an windreichen Küstenstandorten.[13]
Prinzipiell wird in Windkraftanlagen die Strömungsenergie der Luft mit Hilfe eines Rotors und eines daran angeschlossenen Generators in Elektrizität umgewandelt. Die Leistung einer Windkraftanlage wird von der Windgeschwindigkeit, dem Leisungsbeiwert, der Luftdichte und der von den Rotoren überstrichenen Fläche (Rotorfläche) bestimmt.[14]
Man unterscheidet je nach Lage der Rotorachse zwischen horizontalen und vertikalen Rotoren, wobei sich heute Windkraftanlagen mit Horizontalachsenrotoren durchgesetzt haben. Dies lässt sich darauf zurückführen, dass diese Bauart höhere Leistungsbeiwerte (= Rotorleistung im Verhältnis zu Windleistung) aufweist und höhere Schnelllaufzahlen (= Verhältnis zwischen Umfangsgeschwindigkeit am Rotorende und Windgeschwindigkeit) erreicht werden. Nachteilig ist indessen, dass sie nicht unabhängig von der Windrichtung laufen und eine Nachführung zur effizienteren Ausnutzung des vorhandenen Windangebots benötigen.[15]
Zusätzlich lassen sich Windkraftanlagen über die Anzahl ihrer Rotorblätter differenzieren, wobei zur Stromerzeugung fast ausschließlich schnell drehende Zwei- und Dreiblattrotoren mit großen Durchmessern eingesetzt werden. Moderne Anlagen dieser Bauart erreichen einen Wirkungsgrad von ca. 35 % bis 50 %[16] und haben eine maximale Nennleistung von 0,5 bis 3 Megawatt (MW).[17]
Bezüglich der Begrenzung der Generatorleistung zum Schutz vor Überlast bei stärkstem Wind, finden bei Windkraftanlagen zwei unterschiedliche Methoden Anwendung. Die Stall-Regelung ermöglicht einfache und kostengünstige Rotoren und funktioniert nach dem Prinzip, dass die Rotorblätter ab einer bestimmten Windgeschwindigkeit nicht mehr aerodynamisch sauber umströmt werden. Die Pitch-Regelung ist technisch erheblich aufwendiger, aber für alle Anlagengrößen und Betriebsarten anwendbar. Wird die Nennleistung infolge starken Windes überschritten, verstellt sich das Rotorblatt um seine Längsachse und die Anlage kommt zu stehen.[18]
Wie bereits erwähnt, gehen in die Berechnung der dem Windstrom entziehbaren mechanischen Leistung linear die von den Rotoren überstrichene Fläche und die dritte Potenz der Windgeschwindigkeit ein (vgl. Fußnote 14). Daher führt vor allem der zweite Parameter zu einem raschen Anstieg des elektrischen Outputs bei erhöhter Windgeschwindigkeit.[19]
Abbildung 1: Typische Leistungskennlinie stall - geregelter Windkraftanlagen[20]
Veranschaulicht wird die Abhängigkeit zwischen Windgeschwindigkeit und Leistung in einer typischen Leistungskennlinie in Abbildung 1. Es ist zu beachten, dass Windkraftanlagen erst oberhalb einer bestimmten Windgeschwindigkeit (Einschaltgeschwindigkeit) Leistung abgeben. Anschließend folgt ein steiler Teillastbereich und ab Erreichen der Nennleistung ein Bereich konstanter Leistungsabgabe. Bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten schalten sich die Windkraftanlagen ab (Abschaltgeschwindigkeit), um eine Überlastung des Generators und daraus resultierende Folgeschäden der Anlage zu vermeiden.
Die Mindestgeschwindigkeit, die zum Anlaufen des Rotors erforderlich ist, liegt derzeit im Bereich von 4 m/s in Nabenhöhe. Es ist noch anzumerken, dass es zwei kroatischen Wissenschaftlern der Universität Rijeka kürzlich gelang, diesen Wert durch Verkleidung der Rotoren auf 2 m/s zu senken und hierdurch Effizienzsteigerung von Windkraftanlagen zu erzielen.[21]
„Unter externen [sozialen] Kosten werden alle allgemeinwirtschaftlich wirksamen Effekte verstanden, die nicht betriebswirtschaftlich erfasst werden, sondern von der Allgemeinheit getragen werden müssen.“[22]
Ein Ausgleich durch den Verursacher erfolgt nicht.[23]
Externe Effekte regenerativer Energiesysteme werden erst seit der Massenverbreitung regenerativer Energie identifiziert und relevant, da eine umfangreiche Nutzung der Windenergie die Aufstellung einiger tausend Windkraftanlagen unterschiedlicher Größen erfordert. Im Vergleich zu den Vereinigten Staaten, wo Windkraftanlagen in nahezu verlassenen Gegenden Kaliforniens massiert aufgestellt werden können, stellt die Errichtung jeder Anlage in der dicht besiedelten Bundesrepublik einen Eingriff in den Lebensraum dar.
Während bei konventionellen Systemen insbesondere die externen Effekte der Schadstoffemission oder des Risikos folgenreicher Unfälle herausgestellt werden, konzentriert sich das Interesse bei regenerativen Energiequellen auf die bis dahin vernachlässigten externen Effekte.
Neben der Reduzierung der Schadstoffemission als positiver externer Effekt werden im Folgenden weitere, in der Literatur zentral genannte, negative externe Effekte erörtert.
a) Reduzierung der Schadstoffemission (positiv)
Die Gewinnung von Strom aus Windenergie vermeidet die Verbrennung fossiler Rohstoffe. Die dadurch eingesparten Schadstoffe, verglichen mit einem fossilen Kraftwerksmix in Deutschland (1999), belaufen sich bei einem Windpark mit 6 Megawatt installierter Leistung auf jährlich ca.: 14 Mio. kg Kohlendioxid, 20.720 kg Schwefeldioxid, 10.220 kg Stickoxide, 8.550 kg Kohlenmonoxide und 560 kg Staub. Im Vergleich zu einem Atomkraftwerk werden in diesem Windpark 72 kg Atommüll im Jahr eingespart.[24]
b) Visuelle Effekte...
