Wie Deutschland seinen Wind ausbremst

Apologeten der Energiewende wollen noch viel mehr WindrĂ€der. Doch je dichter die ĂŒbers Land verteilt sind, desto mehr bremsen sie sich selbst aus. Der Wind wird regelrecht verbraucht. Das hat auch Folgen fĂŒrs Klima, weil bei weniger Wind die NiederschlĂ€ge abnehmen. Erzeugt die Windkraft womöglich die DĂŒrren, die sie eigentlich verhindern soll? Trotz der weitreichenden Folgen hat das offenbar niemand richtig erforscht.

Der Schutz des Klimas war stets als entscheidender Grund fĂŒr den großangelegten Umbau der deutschen Energieversorgung angefĂŒhrt. In den nĂ€chsten Jahrzehnten sollen daher die fossilen Ener­gien möglichst vollstĂ€ndig durch regenerative Energien ersetzt werden. Die Energieerzeugung aus Wasser und Biomasse lĂ€sst sich allerdings nicht mehr wesentlich steigern. Somit stehen als Ersatz fĂŒr die bisherigen EnergietrĂ€ger im wesentlichen nur Solar- und Windenergie zur VerfĂŒgung.

Im Sommer lĂ€sst sich der Energiebedarf dann vielleicht mit Solarenergie decken. Dabei gibt es im­mer noch das Problem, dass Erzeugung und Verbrauch zeitlich nicht ĂŒbereinstimmen. Zu dieser Jahreszeit mĂŒssten Energiespeicher aber diese Abweichungen nur ĂŒber wenige Stunden und Tage ausgleichen. Wobei selbst dieser kurzzeitige Ausgleich bereits eine gewaltige Herausforderung darstellt. Im Winter ist die Sonneneinstrahlung jedoch etwa um 90 Prozent niedriger als im Sommer. ZusĂ€tzlich wird im Winterquartal wesentlich mehr der Energie benötigt. Dies einfach aufgrund des winterlichen Heizbedarfs und der kĂŒrzeren TageslĂ€nge. Daher lĂ€sst sich der Energiebedarf im Win­ter nicht annĂ€hernd mit Solarenergie decken. Auch (saisonale) Energiespeicher können daran kaum etwas Ă€ndern. Abgesehen von möglichen Speicherverlusten, sind die benötigten Energiemengen fĂŒr einen solchen Ausgleich einfach viel zu groß.

Daher mĂŒsste im Winter der Wind einen wesentlichen Teil der benötigten Energie liefern. Üblicher­weise geht man davon aus, dass man dafĂŒr nur genĂŒgend Windkraftanlagen errichten sowie die entsprechenden Stromleitungen bauen muss. Kritiker wenden an dieser Stelle meist ein, dass dafĂŒr flĂ€chendeckend in ganz Deutschland große Windkraftanlagen mit wenigen Kilometern Abstand gebaut werden mĂŒssten. Diese wĂŒrden aber die Anwohner belasten und die Landschaft verschan­deln. Deswegen wĂ€re dies in diesem dicht besiedelten Land nicht umsetzbar. Allerdings gibt es bei diesen Vorhaben noch schwerwiegendere Probleme. Es gibt dafĂŒr einfach nicht genĂŒgend Wind im Land, und ein solcher Ausbau wĂŒrde zusĂ€tzlich das Klima verĂ€ndern.

Der Wind geht aus und das Klima Àndert sich

Denn mit zunehmender Anlagendichte nehmen sich diese gegenseitig den Wind weg. Der Energie­wende geht also dann der Wind aus. Hinzu kommt, dass eine solche intensive Windnutzung zwangslĂ€ufig Wetter und Klima beeinflussen. Denn mit dem Wind wird im großen Maßstab Feuch­tigkeit und WĂ€rme auch ĂŒber lĂ€ngere Strecken transportiert. Ohne diesen Austausch gĂ€be es auch keinen Regen ĂŒber den großen LandflĂ€chen. Die Windnutzung bremst aber gerade diesen Aus­tausch. Dementsprechend sollten sich mehr DĂŒrren und Wetterextreme dadurch ergeben. Somit dĂŒrfte der Windkraftausbau genau die negativen KlimaverĂ€nderungen fördern, welche die Energie­wende eigentlich abwenden soll.

Zur ÜberprĂŒfung der obigen Aussagen gilt es zunĂ€chst zu klĂ€ren, wie groß das Wind­kraftangebot eigentlich ist. Denn zum einen ist das natĂŒrliche Windangebot zwangslĂ€ufig die Ober­grenze fĂŒr den Windenergieertrag. Zum anderen dĂŒrfte aber bereits ein deutlich geringerer Nutzungsumfang das Klima merklich verĂ€ndern. Denn die Windgeschwindigkeit und damit der Luftaustausch verringern sich zwangslĂ€ufig, wenn diesen Strömungen ein signifikanter Teil der Bewegungsenergie entzogen wird. In einer Studie von 2011 findet sich die AbschĂ€tzung, dass die weltweite Windenergienutzung auf dem Festland (ohne Polargebiete) maximal etwa 20 Terawatt bereitstellen kann. Umgerechnet auf den FlĂ€chenanteil Deutschlands ergibt sich daraus ein Wert von 55 Gigawatt. Nun werden hier im Durchschnitt 13 Gigawatt Windstrom erzeugt. Somit legen die Angaben dieser Studie nahe, dass bereits ein wesentlicher Teil des Windenergiepotenzials genutzt wird. Einem weiteren Ausbau wĂ€ren damit erkennbar Grenzen gesetzt, und ein deutlicher Einfluss auf das Klima wĂ€re demnach durchaus zu erwarten.

Daher werden verlĂ€ssliche Daten ĂŒber das natĂŒrliche Windkraftpotenzial benötigt. Zum einen ergibt sich daraus, inwieweit sich die Windstromerzeugung ĂŒberhaupt steigern lĂ€sst. Zum anderen, wie stark die Windkraftnutzung in die Natur eingreift. Das ĂŒbliche Vorgehen in der Physik ist in einem solchen Fall, dass man zunĂ€chst die grundlegenden ZusammenhĂ€nge betrachtet. Ausgehend von den bekannten Rahmenbedingungen und den Naturgesetzen lĂ€sst sich so relativ schnell und zuverlĂ€ssig eine Obergrenze dafĂŒr bestimmen. Welcher Teil davon sich dann tatsĂ€chlich nutzen lĂ€sst – und andere Details –, kann dann darauf aufbauend spĂ€ter analysiert werden.

Eigentlich sollten grundlegende Limitierungen ja bei der Planung der Energiewende berĂŒcksichtigt worden sein. Denn normalerweise macht man bereits in der FrĂŒhphase AbschĂ€tzungen zu grundlegenden Limitie­rungen. Derartige Berechnungen wurden jedoch zumindest nicht in der breiten Öffentlichkeit erör­tert. Daher wird auf diese Thematik hier detaillierter eingegangen. Kurz zusammengefasst kommen die folgenden Berechnungen zu einem Ă€hnlichen Ergebnis wie die oben zitierte Studie. Um die Berechnungen wissenschaftlich nachvollziehbar und so ĂŒberprĂŒfbar zu machen, werden diese hier dargestellt. Ebenso werden die verwendeten Annahmen und AbschĂ€tzungen dargelegt. Auf dieser Basis sind konstruktive EinwĂ€nde durchaus erwĂŒnscht.

Die Physik der Windenergie

Wind entsteht aufgrund von Temperatur- und Feuchtigkeitsunterschieden in der AtmosphĂ€re. Die Energiequelle fĂŒr diese AustauschvorgĂ€nge ist letztendlich die Sonne. Die VorgĂ€nge, bei denen ein Teil der WĂ€rme in Bewegungsenergie der Luft umgewandelt wird, beschreibt die Thermodynamik. Physikalisch betrachtet, stellt damit die AtmosphĂ€re eine WĂ€rme-Kraftmaschine dar. Dementsprechend gelten die entsprechenden Gleichungen auch fĂŒr die Umwandlung der SonnenwĂ€rme in Windenergie.

Die Sonne liefert in Deutschland im Mittel 3,6 kWh/mÂČ pro Tag. Dies entspricht einer mittleren Leistung von 150 W/mÂČ. Nutzbare Windenergie kann aber nur aus WĂ€rme entstehen, die großflĂ€chig durch Luftströmungen ausgetauscht wird. Dies dĂŒrften höchstens etwa 20 Prozent der eingestrahlten Sonnenenergie sein. Daraus ergibt sich ein Wert von 30 W/mÂČ. Denn 30 Prozent der Sonnenein­strahlung wird direkt wieder in den Weltraum reflektiert. Und vom Rest wird nur ein kleiner Teil durch die Luft umverteilt. Diese WĂ€rme kann aber nur teilweise in mechanische Arbeit umgewan­delt werden. Diesen Zusammenhang beschreibt der zweite thermodynamische Hauptsatz.

Je grĂ¶ĂŸer die Temperaturdifferenz ist, desto höher ist demnach der mögliche Wirkungsgrad. Grob geschĂ€tzt, dĂŒrften die Temperaturdifferenzen bei der Windentstehung im Bereich von 20°C liegen. Somit können höchstens etwa 7 Prozent der ausgetauschten WĂ€rme in Windenergie umgewandelt werden. In der RealitĂ€t dĂŒrfte der Wirkungsgrad höchstens halb so hoch sein – aufgrund verschiedener Verlustprozesse. Damit verbleibt ein Energieangebot von 1 W/mÂČ.

Normal geht diese Energie verloren, weil der Wind durch Turbulenzen an Hindernissen und am Boden gebremst wird. Auch bei einer Windnutzung bleiben diese Verluste weitgehend beste­hen. Dies gilt zumindest, solange sich dadurch die Windgeschwindigkeit nicht wesentlich verringert. Somit dĂŒrften nur etwa 20 Prozent vom obigen Wert fĂŒr die Energieerzeugung zur VerfĂŒgung stehen. Weitere Verluste ergeben sich bei der Übertragung der Windenergie auf die Rotoren und der Stromerzeugung. An dieser Stelle dĂŒrfte der Wirkungsgrad höchstens etwa 70 Prozent betragen. Somit verbleibt fĂŒr die Stromerzeugung gerade mal ein Potenzial von 0,14 W/mÂČ.

FĂŒr ganz Deutschland entspricht dies einer mittleren Leistung von 50 Gigawatt. Damit stimmt das Ergebnis gut mit den Angaben in der zitierten Veröffentlichung ĂŒberein. Insgesamt legt dies den Schluss nahe, dass 50 Gigawatt mittlere Leistung etwa die Obergrenze fĂŒr die Windkraftnutzung in Deutschland darstellen. Denn die physikalischen Rahmenbedingungen lassen wesentlich höhere WindertrĂ€ge einfach nicht zu.

Eine durchschnittliche Erzeugung von 50 Gigawatt entspricht einer Jahreserzeugung von 400 Tera­wattstunden. Der gesamte Energieverbrauch in Deutschland betrĂ€gt jedoch 3.600 Terawattstunden. Somit könnte die Windenergie selbst bei optimalem Ausbau davon höchstens 11 Prozent decken. UnberĂŒcksichtigt bleiben bei dieser Betrachtung noch die starken zeitlichen Schwankungen beim Windstrom. Mit zunehmender Nutzung wĂ€ren dadurch zudem umfangreiche Speicher oder andere aufwĂ€ndige Ausgleichsmaßnahmen fĂŒr den Windstrom erforderlich.

Windenergienutzung Àndert Wetter und Klima

Die obigen Daten liefern auch wichtige Anhaltspunkte fĂŒr den Einfluss der Windnutzung auf Wetter und Klima. Im Prinzip kann ja bereits der FlĂŒgelschlag eines Schmetterlings das Wetter verĂ€ndern. In der Praxis wird es aber sehr selten passieren, dass ein derartig kleiner Eingriff zu grĂ¶ĂŸeren WetterverĂ€nderungen fĂŒhrt. Und fĂŒr das Klima spielen solche zufĂ€lligen EinflĂŒsse sowieso keine Rolle, weil sich diese ausmitteln. Die Windkraftnutzung stellt an vielen Orten aber keinen kleinen Eingriff mehr dar. Vielmehr wird dem Wind vielerorts ein wesentlicher Teil seiner Energie systematisch entzogen. So wurden 2018 in Deutschland bereits 113 Terawattstunden Windstrom erzeugt. Dies entspricht einem Viertel des deutschen Windkraftpotenzials. ZusĂ€tzlich konzentriert sich die Nutzung auf Norddeutschland.

Das lĂ€sst erwarten, dass die Windnutzung dort Wind und Wetter merklich beeinflussen. Entsprechende VerĂ€nderungen sind auch bereits messbar. So wurde in OsnabrĂŒck seit den 60er Jahren ein RĂŒckgang der mittleren Windgeschwindigkeit um 13 Prozent beobachtet. Somit verringerte sich dort der Energiegehalt des Windes um 35 Prozent. Ähnliche Daten finden sich in einer Studie aus China. In dieser wird berichtet, dass gerade in den Gebieten mit intensiver Windkraftnutzung die Windgeschwindigkeit deutlich zurĂŒckgegangen ist. Und ein RĂŒckgang der Windgeschwindigkeit hat zwangslĂ€ufig Auswirkungen auf Wetter und Klima.

Inso­fern ist es eine berechtigte Frage, ob die auffĂ€llige Übereinstimmung zwischen der regionalen Windkraftnutzung in Deutschland und der DĂŒrrekarte (Juni 2019) nur rein zufĂ€llig ist. Nun ist das Wettergeschehen zu komplex, als dass derartig einfache direkte Zuordnungen möglich wĂ€ren. Insbesondere, weil dabei nicht nur das lokale Wetter, sondern auch die Großwetterlage eine entscheidende Rolle spielen. GrundsĂ€tzlich lĂ€sst aber ein gebremster Luftaustausch eine Abnahme der NiederschlĂ€ge erwarten.

So behindert ein vorgelagertes Gebirge den Luftaustausch und sorgt dahinter tendenziell fĂŒr ein kontinentales Klima. Ähnliches ist auch von der Windkraftnutzung zu erwarten. DarĂŒber hinaus erzeugen Windkraftanlagen Verwirbelungen in der AtmosphĂ€re. Diese beeinflussen ĂŒber viele Kilometer die Wolkenbildung und den Austausch zwischen den verschiede­nen Luftschichten. Ein Foto, auf dem diese Auswirkungen gut zu erkennen sind, wurde 2011 sogar mit einem Fotopreis ausgezeichnet. Nachdem die aktuellen Anlagen noch deutlich grĂ¶ĂŸer und höher sind als auf dem Foto, dĂŒrften bei diesen diese Effekte noch deutlich ausgeprĂ€gter sein.

Nun werden die Windströmungen auch von natĂŒrlichen Hindernissen gebremst und abgelenkt. So verĂ€ndern nicht nur Gebirge, sondern auch WĂ€lder, GebĂ€ude oder Windschutzstreifen diese Strö­mungen. Im Vergleich dazu erscheint der Einfluss der Windkraftanlagen zunĂ€chst recht klein. Windkraftanlagen bremsen diese Luftströmungen jedoch weit stĂ€rker als vergleichbare einfache Hindernisse. Denn Hindernisse entziehen dem Wind direkt keine Energie. Lediglich die dort entstehenden Turbulenzen entziehen der Luftströmung Energie. Bei der Windenergienutzung wird im Gegensatz dazu dem Wind ein wesentlicher Teil seiner Energie direkt entzogen. Dadurch wird dem Wind weit mehr Energie entzogen als durch die Turbulenzen, die dabei ebenfalls entstehen. Insofern legt auch diese Betrachtung nahe, dass eine umfangreiche Wind­kraftnutzung Wetter und Klima merklich verĂ€ndern könnte. Vor einem weiteren Ausbau sollten daher diese Auswirkungen unbedingt genauer untersucht werden.

Klimaeinfluss bestimmen durch Messungen und Simulationen

Im ersten Schritt sollten dafĂŒr die Luftströmungen im weitrĂ€umigen Umfeld von Windparks gemessen werden. Diese sind dabei systematisch sowohl wĂ€hrend des Betriebes als auch bei abgeschalteten Anlagen zu analysieren. Auf diese Weise lĂ€sst sich zumindest der lokale Einfluss auf die Windströ­mungen bestimmen. Diese Daten bilden dann die Grundlage, um die Auswirkungen auf Wetter und Klima genauer zu berechnen. Als Grundlage fĂŒr diese Simulationen bieten sich dabei die fĂŒr die Wettervorhersage verwendeten Rechenmodelle an. Dazu gilt es in diesen Modellen den Einfluss der Windnutzung auf die Strömungen zu berĂŒcksichtigen. Dann ĂŒber eine lĂ€ngere Zeit statistisch zu erfassen, inwieweit die BerĂŒcksichtigung dieses Einflusses zu anderen Ergebnissen fĂŒhrt.

NatĂŒrlich gehört dazu auch ein Vergleich der tatsĂ€chlichen Wetterentwicklung mit den Simulations­ergebnissen. Insbesondere, ob die BerĂŒcksichtigung der Windkraftnutzung zu besseren Ergebnissen fĂŒhrt. Denn nur durch den Vergleich mit der Wirklichkeit lĂ€sst sich feststellen, inwieweit die Simulationen die tatsĂ€chlichen AblĂ€ufe richtig beschreiben. Insgesamt sind solche Simulationen auf jeden Fall ein wichtiges Hilfsmittel, um die Klimafolgen der Windnutzung besser einschĂ€tzen zu können. Mit diesen Informationen lĂ€sst sich dann weit besser beurteilen, inwieweit die Windnutzung ĂŒberhaupt sinnvoll und vertretbar ist.

Aus den obigen Berechnungen geht aber bereits eindeutig hervor, dass Windenergie nur einen kleinen Teil des deutschen Energiebedarfs decken kann. Zudem ist zu befĂŒrchten, dass eine intensi­ve Windnutzung das Klima wesentlich beeinflusst. Denn diese Energienutzung greift massiv direkt in atmosphĂ€rische Austauschprozesse ein. Es bleibt daher dringend zu klĂ€ren, inwieweit der Wind­kraftausbau ĂŒberhaupt zum Klimaschutz beitrĂ€gt, oder ob die negativen Auswirkungen ĂŒberwiegen. Daher gilt es diese unbedingt genauer zu untersuchen. Nur auf der Basis von entsprechenden Daten ist eine gute Energie- und Umweltpolitik möglich.

Quelle: Peter Adel

Peter Adel ist promovierter Physiker und in der Laserentwicklung tĂ€tig. Er war ein Jahr in der Arbeitsgruppe von NobelpreistrĂ€ger Professor Theodor Wolfgang HĂ€nsch am Max-Planck Institut fĂŒr Quantenoptik tĂ€tig. Er arbeitet er als Laserentwickler in der NĂ€he von MĂŒnchen.

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