Windräder bremsen den Wind – und beeinflussen das Mikro-Klima

Gastbeitrag von Dipl. Phys. Dieter Böhme

Abstract

Ob Windräder den Wind ausbremsen und welchen Einfluss dies auf das Mikroklima hat, wird kontrovers diskutiert. Daher erscheint es sinnvoll, zunächst grundsätzliche Sachverhalte aufzuzeigen. Der Begriff „Erneuerbare Energie“ und die physikalischen Limitierungen für Windrädern (WEA) werde betrachtet. Weiterhin werden die Leistung und die physikalischen Grenzen der Optimierung von WEA erklärt. Die oft falsch verwendeten Begriffe Energie und Leistung werden beleuchtet. Auch wird die These betrachtet, durch immer größere Windräder sei eine erhebliche Steigerung der Leistung möglich. Es wird gezeigt, wie durch die Entnahme von Energie aus der Luft die Windgeschwindigkeit vermindert und die Leistung von Windparks beeinflusst wird. Der Einfluss auf das Mikroklima wird erklärt und ein Ausblick zur der Energie-Entnahme aus der Atmosphäre gegeben. Der Atmosphäre über Deutschland wird durch Windräder täglich Energie von 20 Hiroshima-Bomben entzogen.

Vorbetrachtung – woher kommt die Energie für die Windräder?

Die Bezeichnung „Erneuerbare Energien“ ist ein Euphemismus, denn Energie kann nicht „erneuert“, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden. Dies ist der Energieerhaltungssatz der Physik, auch als 1. Hauptsatz der Thermodynamik bekannt.

Versuche, diesen zu umgehen, sind unter der Bezeichnung „Perpetuum Mobile“ bekannt, und allesamt gescheitert. Wenn ein Windrad Strom erzeugt, oder besser gesagt, elektrische Energie, dann muss diese aus einer primären Energiequelle kommen. Dies ist der Wind, oder besser gesagt, die kinetische Energie (Bewegungs-Energie) der Luft. Doch auch die Luft bewegt sich nur unter Zufuhr von Energie. Diese Energie liefert die Sonne, welche Thermik (warme Luft) erzeugt und im Zusammenspiel mit kälterer Luft, Ausgleichs-Strömungen verursacht, den Wind. Die Sonne wiederum ist ein Kern-Kraftwerk, genauer gesagt ein Kernfusions-Kraftwerk, welches Wasserstoff- zu Helium-Kernen verschmilzt. Der dabei auftretende Massenverlust „m“ wird, gemäß der wohl bekanntesten Einstein-Formel E = m c2 in Wärmeenergie umgewandelt (E-Energie, c- Lichtgeschwindigkeit). Die Sonne liefert der Erde seit diese existiert elektromagnetische Strahlungsenergie, uns als Licht bekannt. Und sie wird dies noch einige Mrd. Jahre tun, bis sie zum „roten Riesen“ wird. Das „Kernfusions-Kraftwerk Sonne“ liefert der Erde Strahlungs-Energie für eine sehr lange Zeit. Man könnte dies als „nachhaltig“ bezeichnen, nicht aber als „erneuerbar“.

Dieter Böhme hat nun einiges zur Physik der Windturbine hergeleitet, wo mein Editor angesichts der Formeln streikt. Hier eine gekürzte Darstellung:

Bei der Nenn-Windgeschwindigkeit von 11 m/s beträgt die dargebotene Leistungsdichte des Windes 815 W/m2 Rotorfläche. Daraus generiert die Siemens SWT-3.15-142 (Datenblatt) eine elektrische Leistung von 199 W/m2, was einem Wirkungsgrad von ca. 0,25 entspricht.

Bei halber Windgeschwindigkeit von 5,5 m/s sinkt das Dargebot des Windes von 815 W/m2 auf 102 W/m2 (entsprechend ½* ½ * ½ = 1/8). Daran erkennt man den drastischen Leistungsabfall, der dem Windrad dargebotenen Windleistung auf ein Achtel, bei Halbierung der Windgeschwindigkeit. Bei der Einschalt-Windgeschwindigkeit von 4 m/s der o.g. WEA ergibt sich die vom Wind dargebotene Leistung zu 39 W/m2 und die von der WEA erzeugte Leistung von ca. 10 W/m2 Rotorfläche. Den höchsten Wirkungsgrad von ca. 0,46 hat die WEA bei einer Windgeschwindigkeiten von 6 m/s bzw. im Bereich von 5 – 8 m/s, was Windstärke vier (4 Beaufort, moderate Briese) entspricht. Eine Herleitung der Formeln zur Physik der Windturbine kann der Literatur entnommen werden. (2)

Der Trugschluss mit der Nennleistung

Oft wird aus dem Begriff der Nenn-Leistung (hier 3,15 MW) der Trugschluss gezogen, dies sei „die reale Leistung“ einer WEA, woraus weitere unzulässige Schlüsse gezogen werden. So wird gern propagiert, ein Windpark versorge „bis zu XYZ“ Haushalte. Dass dies allein für Windgeschwindigkeiten ab Nenn-Windgeschwindigkeit, also etwa ab Windstärke sechs gilt, wird dabei verschwiegen bzw. mit dem Terminus „bis zu“ verbrämt. Dadurch entsteht, nicht nur in der Bevölkerung, sondern auch bei Politikern und Planern ein unrealistisches Zerr-Bild.

Zumal, wenn dies von Journalisten weithin verbreitet wird. So findet sich die Illusion, man könne bei der Windkraft-Planung mit der Nennleistung von WEA rechnen selbst in Dokumenten von Staats-Ministerien. (3) In der Physik führt ein Karussell sich gegenseitig verstärkender Impulse zu einer Resonanz-Katastrophe. In der Politik kann dies bei Trugschlüssen nicht anders sein.

Energie versus Leistung – ein weiterer Trugschluss

Die typische Argumentation von Windkraft-Befürwortern und Presse führt an, welche Energie eine WEA, oder ein Windpark oder alle WEA zusammen, generiert haben. Dies ist im Kontext mit der Versorgungssicherheit kein relevantes Kriterium, sondern ein Trugschluss.

Die Energie (E) ist das Produkt aus Leistung (P) und Zeit (t) – es gilt: E = P t. Die Maßeinheit der Energie ist die Wattsekunde (Ws), daraus abgeleitete Maßeinheiten sind Kilowattstunde (kWh), Megawattstunde (MWh) usw. entsprechend den Zehnerpotenzen.

Aus der Formel E = P t folgt, dass die erzeugte Energie (E) gering ist, wenn die reale Leistung (P) der WEA entsprechend der Windgeschwindigkeit gering ist. Und dass die Energie (E) gleich Null ist, wenn die Leistung (P) gleich Null ist, falls die Rotoren der WEA stillstehen.

Durch die Argumentation in Energie-Einheiten wird der Eindruck erweckt, man müsse nur eine hinreichende Anzahl WEA aufstellen, um eine sichere Stromversorgung zu realisieren. Dies ist ein völliger Trugschluss, denn dazu müsste die von einer (oder mehreren) WEA erzeugte Energie gespeichert werden, um bei Bedarf zur Verfügung zu stehen. Dies ist angesichts der schieren Dimension völlig unrealistisch. Im Jahr 2021 erzeugten 31.109 WEA in Deutschland in Summe 131,7 TWh, also 360,8 GWh pro Tag. (4) Das Pumpspeicherwerk Goldisthal (das größte PSW in Deutschland) hat eine max. Leistung von 1.060 MW, das Wasser (13 Mio. Kubikmeter) reicht bei einer Fallhöhe von 302 m für 9 Stunden. (5) Die gespeicherte Energie beträgt also 9.540 MWh bzw. 9,54 GWh (= 1060 MW * 9 h). Um die durch WEA an nur einem Tag (im Durchschnitt) erzeugte Energie zu speichern, bedürfte es etwa 38 PSW Goldisthal. In dieser Rechnung sind die Wirkungsgrad-Verluste beim Pumpen nicht berücksichtig. Ebenfalls nicht berücksichtigt ist die Solar-Stromerzeugung, die nachts stets Null ist. Weiterhin nicht berücksichtigt ist der Umstand, dass Dunkelflauten (ohne Wind und Sonne) mehrere Wochen dauern können. Schätzt man die Tageserzeugung von 360,8 GWh Windenergie in Bezug auf Batterie-Speicher ab, so entspräche dies 3,6 Mio. E-Autos  mit großem 100-kWh-Akku. Aber Wind- und Solar-Energie soll noch um Größenordnungen ausgebaut werden. Zur groben Abschätzung kann man dazu die o.g. Zahlen hochrechnen.

Nach jahrelangen Diskussionen über alle möglichen Arten von Speichern, und Forderungen in die Forschung zu investieren, ist man nun beim Hoffnungsträger „grüner Wasserstoff“ angekommen. Jeder, dem der Begriff „Wirkungsgrad“ kein Fremdwort ist, wird erkennen, dass die Erzeugung von Wasserstoff (H2) mittels Windstrom, seine Speicherung und Rückverstromung eine Wirkungsgrad-Kette bedingt, die dadurch bestimmt ist, dass sich die Wirkungsgrade aller Teilschritte multiplizieren. Der System-Wirkungsgrad ist folglich stets kleiner, als der kleinste Wirkungsgrad aus dieser Kette. Und das Reziproke des SystemWirkungsgrades hebelt den Preis für den so gespeicherten Strom um diesen Faktor nach oben. Man könnte wissen, dass China den weltweit ersten Hochtemperartur-Kern-Reaktor
am Netz hat, der auch Wasserstoff durch Dissipation von Wasser in der über 900 C heißen Zone direkt (ohne Umweg über Strom, mit hohem Wirkungsgrad) zu Cent-Beträgen erzeugen kann. (13) Wobei in Deutschland, mit sehr viel Fördergeld (besser Steuergeld) gerade das „grüne Perpetuum Mobile“ erfunden wird. Doch dies wäre ein Thema für einen anderen Artikel.

Für alle Belang der Elektrotechnik, einschließlich der öffentlichen Stromversorgung gilt, dass die generierte Leistung zu jedem Zeitpunkt der entnommenen Leistung (Last) entsprechen muss. ansonsten bricht das System zusammen. Bei einer Wechselspannungs-Versorgung gleicht die Änderung der Netzfrequenz (50 +/- 0,2 Hz) Ungleichgewichte zwischen StromErzeugung und Verbrauch (Last) in geringem Maße aus. Die Netz-Frequenz ist jedoch angesichts einer Phasen-asynchrone Einspeisung aus verschiedenen Quellen (Kraftwerke, Übertragungsleitungen) ein äußerst sensibler Parameter. Deshalb muss zur Vermeidung von Spannung-Spitzen, verursacht durch asynchrone Einspeisung der Sinus-Spannung aus verschiedenen Quellen, zu jedem Zeitpunkt positive und negative Regel-Leistung zur Verfügung stehen, damit sich Einspeisung und Verbrauch die Waage halten. Deshalb ist nicht die Energie, die irgendwann generiert wurde, sondern allein die Leistung relevant, die in jedem Moment der Last (Stromverbrauch) entsprechen muss. Ist dies nicht der Fall, und kann keine positive Regelleistung bereitgestellt werden, hilft nur noch Lastabwurf, sprich die Abschaltung von Strom-Verbrauchern. Dies ist längst Realität durch zeitweise Abschaltung von Aluminium-Hütten und anderen Großverbrauchern (6). Auf unseren Stromrechnungen findet sich dafür der Posten „Umlage für abschaltbare Lasten“. Das vermeintliche „Windkraft-Paradies“ Kalifornien ist für seine rollierenden Blackouts bekannt, wobei einzelne Regionen zeitweise vom Netz genommen werden, um einen großen und unerwarteten Blackout zu vermeiden. (7) Unser Strom-Erzeugung läuft nicht nur auf eine Blackout-Gefahr, sondern auch auf eine Strom-Mangelwirtschaft zu Höchstpreisen hinaus.

Die Grenzen der Optimierung von Windrädern

Der physikalisch maximal mögliche (theoretische) Wirkungsgrad von Windrädern beträgt 0,59. (2) Da sich dieser Wert ausschließlich auf eine theoretische ungestörte Aerodynamik bei laminarer Strömung bezieht, kann er praktisch nicht erreicht werden. Die Siemens SWT3.15-142 sei dafür ein Beispiel. Sie hat bei Windgeschwindigkeiten von 5-8 m/s ihren
höchsten Wirkungsgrad von ca. 0,46. Aus diesem Wert zu schlussfolgern, dass noch reichlich Optimierungs-Potential bis zum theoretischen Wirkungsgrad von 0,59 möglich sei, ist falsch. Denn alle modernen WEA sind „Dreiflügler“, und damit bereits die physikalisch optimalste Form einer WEA, weil hier die einzelnen Rotorblätter die Anströmung des nachlaufenden Rotorblattes am wenigsten stören. Mehr als drei „Flügel“ würden den Wirkungsgrad nur verringern. Der dafür relevante Parameter ist die „Schnelllaufzahl“, die den praktisch maximalen Wirkungsgrad für „Dreiflügler“ auf 0,48 limitiert. (2) Mit anderen Worten, das physikalische Limit für den erreichbaren Wirkungsgrad heutiger WEA liegt bei 0,48 und nicht beim theoretischen Wirkungsgrad von 0,59. Mit einem Wirkungsgrad von 0,46 im optimierten Bereich von 5 – 8 m/s kommt die o.g. Siemens WEA dem theoretischen Limit sehr nahe, zumal jede WEA selbst auch einen Verbrauch durch ihre Elektrik und Mechanik hat. Das technisch realisierbare Potential hinsichtlich Wirkungsgrad-Steigerung ist bei
modernen WEA bereits ausgeschöpft. Bei Nennwindgeschwindigkeit der SWT-3.15-142 von 11 m/s beträgt der Wirkungsgrad jedoch nur 0,24. Dies mag zunächst unverständlich erscheinen, denn die WEA hat beim höheren Dargebot an Leistungsdichte des Windes von 815 W/m2 bei 11 m/s einen geringeren Wirkungsgrad, als bei „halbem Wind“ von 5,5 m/s bei einer Leistungsdichte des Windes von nur 102 W/m2 . Zur Erklärung sollte man sich folgendes vergegenwärtigen. Das Rotorblatt eines Windrades funktioniert wie der Tragflügel eines Segelflugzeuges, dessen Profil den bestmöglichen „Auftrieb“ bestimmt, sprich den höchsten Wirkungsgrad bei einer ganz bestimmten Geschwindigkeit. Da die o.g. WEA eine „Schwachwindanlage“ für das Binnenland ist, wurde die Geometrie der Rotorflügel auf Geschwindigkeiten von 5-8 m/s optimiert, so dass sie bei 11 m/s einen geringeren Wirkungsgrad haben muss. Auch daran sieht man, wie die WEA-Hersteller ihre Anlagen technisch optimiert haben. Dies ist der Grund, warum man heute keine Offshore-Anlagen im
Binnenland aufstellt, die für höhere Windgeschwindigkeiten optimiert sind. Denn im Binnenland weht häufiger eine „mäßige Brise“ mit 4 Beaufort, als eine „frische Brise“ oder „starker Wind“ mit 5-6 Beaufort. Im übertragenen Sinne wird also im Binnenland keine fette Kuh auf fetter Wiese (wie in Irland) gemolken, sondern einer mageren Kuh durch Optimierung der Melkanlage, auch noch letzte Tropfen Milch abgepresst. Die „Dreiflügler-WEA“ ist mit einem maximal möglichen Wirkungsgrad von 0,48 die effektivste Form. (2) Der technisch realisierbare Spielraum ist damit de facto Null, wie die SWT-3.15-142 mit einem Wirkungsgrad von 0,46 im aerodynamisch optimierten Bereich von 5-8 m/s Windgeschwindigkeit zeigt. Die Ingenieur-Technik hat ausgeschöpft, was es auszuschöpfen gab. Doch die Gesetzte der Physik können dabei, und vielleicht entgegen mancher Wunschvorstellung, nicht überwunden werden.

(…) Im optimierten Bereich zwischen 5 – 8 m/s werden Leistungsdichten um die 100 W/m2 plus/minus erreicht. Das heißt, durch einen Quadratmeter Rotorfläche könnte etwa eine 100 W Glühbirne betrieben werden. Daran erkennt man den gigantischen Materialaufwand bei einem Windrad, um eine sehr überschaubare elektrische Leistung zu generieren. Doch damit nicht genug, die (…) genannten Leistungsdichten gelten nur, solange der Wind mit der betr. Geschwindigkeit weht. Da dies nicht immer der Fall ist, gibt es den Begriff der Vollaststunden, welcher die Stunden-Zahl angibt, bei der so getan wird, als liege während dieser Zeit Nennleistung an. Bei einer Jahresstunden-Zahl von 8.760 entsprechen realistische 20% mittlerer Auslastung einer Vollaststunden-Zahl von 1.752. Legt man dies im Vergleich zu Grunde, reduzieren sich die o.g. 100 W/m2 im Mittel auf ca. 20 W/m2. Die beachtliche Megawatt Nennleistung einer WEA kommt also allein aufgrund ihrer schieren Größe zu Stande. Aus dem Rotor-Durchmesser von 142 m ergibt sich eine Rotorfläche von 15.829 m2, was über zwei Standard-Fußballfelder entspricht. Eine WEA kombiniert einen riesigen Material-Aufwand mit einer sehr geringen Leistungsdichte. Dies hat seinen physikalischen Grund in der geringen Dichte der Luft, denn in die Formel der Leistungsdichte geht neben der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit auch die geringe Dichte der Luft von ca. 1,225 kg/m3 ein. Wasser hat eine Dichte von 1.000 kg/m3, und ist damit um das über 800-fache größer als die Dichte der Luft. Da für eine Wasserturbine die gleiche Physik in Bezug auf die Strömungs-Geschwindigkeit des Mediums gilt, ist die Leistungsdichte einer Wasserturbine um mehr als das 800-fache größer, als die einer Windturbine. Wobei noch ein höherer Wirkungsgrad hinzukommt.

Die bittere Erkenntnis – Windräder nehmen sich gegenseitig den Wind weg

Der physikalisch bedingte Mindestabstand in Windrichtung ist das Achtfache des Rotordurchmessers, bei der SWT-3.15-142 mit 142 m Rotordurchmesser wären dies 1.136 m. (2) Wobei dies für die WEA innerhalb eines Windparks gilt. Windräder größer zu bauen, mag eine technologische Herausforderung sein, physikalisch ändert sich dadurch fast nichts, weil sich die Primärenergie, ausgedrückt als Leistungsdichte der anströmenden Luftsäule pro Quadratmeter Rotorfläche nicht ändert. Mit anderen Worten, zwei kleine Windräder haben die gleiche „Effektivität“ (Stromerzeugung), wie ein großes mit der doppelten Rotorfläche, gleichen Wirkungsgrad und Windgeschwindigkeit vorausgesetzt. (9) Die einem Windrad dargebotene Leistungsdichte (Pd) hängt allein von der Dichte der Luft (r ) und der Windgeschwindigkeit ab. Die geringe Dichte der Luft ist der Grund für die geringe Leistungsdichte von WEA in Bezug auf den Landschaftsverbrauch. Man mag einwenden, dass ein größeres Windrad aus dem stärkeren Wind in größeren
Höhen, also aus einer höheren Windgeschwindigkeit „schöpfen“ kann. Dies ist zwar für eine einzelne WEA richtig, jedoch nicht zu Ende gedacht. Denn größere Windräder bremsen den Wind auch in größeren Höhen und nehmen deshalb anderen Windparks in Lee noch in größem Abstand „den Wind weg“.

Windräder bremsen und verwirbeln den Wind großräumig

Da eine WEA dem anströmenden Wind einen Teil von dessen kinetischer Energie entzieht, und diese in elektrische Energie wandelt, wird folglich die Windgeschwindigkeit in Lee der WEA verringert. Die anströmende Luft bringt auf den Rotor mit der Fläche A eine Leistung auf. Die WEA entnimmt dem Wind die effektive Leistung Peff = cp Pw (mit cp – Wirkungsgrad). Die Entnahme von Wind-Leistung (Peff) verringert die Strömungsgeschwindigkeit der Luft von V1 auf V2 entsprechend der Formel. (2)

Auf eine numerische Berechnung des Geschwindigkeits-Verlustes (Delta-V = V1 – V2) bezüglich einer bestimmten WEA und bestimmter Windverhältnisse, kann hier verzichtet werden, da das Prinzip der Verringerung der Windgeschwindigkeit hinreichend erklärt ist. Dies bestätigt auch die Fachliteratur unter dem Titel „Turbinen schwächen die Windenergie“ und gibt für die maximal erreichbare mittlere Leistungsdichte pro Quadratmeter Landschaftsfläche einen Wert von 1,1 W/m2 an. (8). Dieser Wert wird vom selben Autor in einer späteren Studie auf 0,5 W/m2 Landschaftsfläche nach unten korrigiert. (9) Der Grund ist folgender.

Vom Windrad zum Windpark

Bei der Planung zum Windkraft-Ausbau wird gern vom einzelnen Windrad ausgegangen und so getan, als ob man dies für viele Windräder linear nach oben skalieren könne. Diese Annahme ist falsch. Es gibt eine Zunahme der installierten Nennleistung von 28.712 MW (im Jahr 2011) auf 56.166 MW (im Jahr 2017). Dies ist eine Zunahme um 27.454 MW. Analog nahm die mittlere Leistung von 5.066 MW auf 11.720 MW zu, was nur einer Zunahme von 6.654 MW entspricht. Dies heißt, ein Zugewinn pro 1 MW mittlerer Leistung erforderte einem Zubau an Nennleistung von 4.125 MW. Mit anderen Worten, der Zugewinn an mittlerer Leistung erforderte das 4-fache an Neuinstallationen. Und mit weiterem Zubau wird dies Verhältnis immer schlechter. Denn der Vergleich zwischen Nennleistung und mittlerer Leistung zeigt, dass sich die Schere immer weiter öffnet und ein weiterer Zubau an Windkraft immer weniger bringt. Weiterhin wird offenbar, dass die gesicherte Leistung nahe Null ist und nie mehr als etwa 150 MW  betrug, was ca. 0,3% der Nennleistung entspricht. Für ganz Europa beträgt die gesicherte Leistung nur 5% der Nennleistung. Fazit: Mit Windkraft ist eine sichere Stromversorgung nicht möglich.

Quelle: VGB-Power Tech, Verband der Kraftwerksbetreiber „Windenergie in Deutschland und Europa Status quo, Potenziale und Herausforderungen in der Grundversorgung mit Elektrizität Teil 1, S. 8-9“: Entwicklungen in Deutschland seit 2010, Thomas Linnemann, Guido S. Vallana

(…) Der Windkraft-Ausbau kannibalisiert sich selbst und hinterlässt nichts als eine ehemalige Kulturlandschaft, die in ein einziges riesiges Elektrizitätswerk umgewandelt wurde. Wobei die gesicherte Leistung im Bereich der Bedeutungslosigkeit liegt. Warum ist dies so?

Kannibalisierung durch Windkraft.

Dem Wind wird durch eine WEA nicht nur kinetische Energie entzogen und deshalb die Windgeschwindigkeit für Windparks in Lee verringert, sondern die Luft wird auch großflächig und kilometerweit verwirbelt, s. Foto. (10)
Je höher die Windräder sind und je größer ihre Rotorflächen, umso gravierender ist die Energie-Entnahme, umso nachhaltiger sind die Verwirbelungen und um so größer die Höhen in denen all dies stattfindet. Man stelle sich vor, Windräder reichten bis zur Untergrenze tiefhängender Wolken. Dann würden sie durch Erzeugung von Turbulenzen und durch die Entnahme von Energie noch stärker zu „Wetter-Machern“, die sie heute bereits sind.

Wie der Tragflügel eines Flugzeuges braucht jedes Rotorblatt einer WEA eine laminare Strömung, denn deren Auftrieb bzw. Vortrieb geschieht durch die Verdichtung laminar strömender Luft an der Oberseite des Tragflügels. Was passiert, wenn ein Flugzeug in Turbulenzen gerät, ist bekannt, im schlimmsten Falle gibt es Strömungsabriss. Eine WEA kann dadurch zwar weder an Höhe verlieren noch abstürzen, doch verliert sie an Leistung. Dies senkt die „Strom-Ernte“, so dass die Leistungsdichte bei großflächigem WindkraftAusbau von ehemals prognostizierten maximal 1,1 W/m2 auf nur noch ca. 0,5 W/m2 (Watt pro Quadratmeter Bodenfläche) sinkt. (8, 9) Dies ist ein unvorstellbar kleiner Wert. Und diese Halbierung der Leistungsdichte verdoppelt den Flächenbedarf in der Landschaft.

Eine Landschaft voller Windräder – „End of Landschaft“

Man müsste 75.000 Quadratkilometer Landschaft mit Windrädern zustellen, nur um die Hälfte (37.500 MW) des mittleren Leistungs-Bedarfes (Last) von Deutschland von ca. 75.000 MW zu generieren. Dazu müsste man ganz Bayern (Fläche 70.500 km2) in einen einzigen Windpark verwandeln, inkl. Städten, Seen und Alpen. Doch bliebe dann immer noch das ungelöste Problem der Strom-Speicherung. Und nein, man das Strom-Netz nicht als Speicher benutzen, auch wenn dies eine sehr attraktive Wunschvorstellung sein mag. Welche treffend das technische Niveau offenbart, auf dem sich politische Entscheidungsträger bewegen.

Für Thüringen mit einer Fläche von ca. 16.000 km2 ließe sich zur Größenordnung folgende Rechnung aufmachen. Thüringen hat eine Netzlast von ca. 1.660 MW für den Strombedarf. Dies ist etwas weniger als die Leistung des Kohle-Kraftwerkes Lippendorf (1.840 MW) südlich von Leipzig. Angenommen, es solle etwa die Hälfte der Netzlast, sagen wir 800 MW, durch Windkraft aufgebracht werden, so würde dies bei einer Leistungsdichte von 0,5 MW/Km2 einen Flächenbedarf von 1.600 km2 bedeuten. Dies wären 10% der Landesfläche, allein für die Hälfte des Strombedarfs von Thüringen. Damit wird das propagierte Ausbauziel von 1% der Landesfläche konterkariert. Wie dies zustande kam, ist dem Autor unbekannt. Wobei Strom nur etwa 20% der Primärenergie (Strom, Verkehr, Heizwärme, Industriewärme) ausmacht. Bei einer 100%-Energiewende mit 50% Windkraftanteil wären folglich 50% der Landesfläche, also 8.000 km2 von Thüringen notwendig. Die Abschätzung der Größenordnungen für Deutschland mit einer Gesamtfläche von 357.582 km2 von Deutschland lässt sich anhand der o.g. Beispiele leicht vornehmen. Wohlgemerkt, die Angabe der max. Leistungsdichte von 0,5 W/m2 stammt nicht vom Autor, sondern von einer Autorengruppe eines Max-Planck-Instituts in Jena, welche sich mit der Effektivität von Windparks befasst und diese durch Studien an Windparks in den USA empirisch ermittelt hat. (9)

Die antagonistischen Wiedersprüche der Windkraft:

a) Die sehr geringe Leistungsdichte bedingt einen extrem hohen Landschaftsverbrauch
b) Die gesicherte Leistung ist nahe Null, so dass Windkraft ohne Speicher oder BackupKraftwerke keinerlei Beitrag zur Versorgungssicherheit leisten kann.
c) Jegliche volatile Stromeinspeisung kann ohne Backup-Kraftwerke oder Speicher nicht funktionieren.
d) Speicher sind in der erforderlichen Größenordnung weder vorhanden noch realisierbar.
e) Batteriespeicher können bestenfalls kurzfristige Regelleistung bereitstellen.
f) „Grüner Wasserstoff“ aus Windkraft ist wegen der Wirkungsgrad-Verluste in der SystemKette eine Illusion. Diese Technologie ist zu Höchstpreisen nicht wettbewerbsfähig, sondern nur durch Subvention und Dirigismus am Leben zu erhalten. Ein Blick nach China zum Hochtemperatur-Kern-Reaktor, mag mache Illusion verfliegen lassen
g) Und zur Erinnerung, Russland hat mit dem BN-800 einen Kern-Reaktor, der mit „Atommüll“ betrieben werden kann. Eine Endlager-Suche in Deutschland fehlt damit die technische Begründung. (15)
h) Ausbau von Windkraft führt zu einer immer geringen Steigerung der mittleren Leistung und damit zu einer Kanibalisierung der Windkraft selbst.
i) Windkraft bedingt eine exorbitante Zerstörung der Natur und die großräumige Umwandlung der Landschaft in ein Elektrizitätswerk.

Erwärmung und Austrocknung der Landschaft

Windräder beeinflussen das Mikroklima auf verschiedene Art und Weise. Die Fläche der Verringerung der Windgeschwindigkeit durch eine WEA ist nicht auf die Fläche ihres Rotordurchmessers beschränkt, sondern die betroffene Querschnitts-Fläche im Lee des Windrades vergrößert sich wie ein Kegel aufgrund der verringerten Windgeschwindigkeit, wie in der Literatur beschrieben. (2) Dadurch verringert sich die Windgeschwindigkeit bis in Hunderte Meter Breite und Höhe im Lee jeder WEA.

Die Luft im Lee von Windparks strömt langsamer und mit großen Verwirbelungen. Durch Reibung an den schnell strömenden Luftschichten in größerer Höhe werden auch diese gebremst. Je höher Windräder sind, umso nachhaltiger ist die Störung in großen Höhen bis in Wolkennähe. Dadurch wird der natürliche senkrechte Gradient der Luftströmung, beginnend mit der Geschwindigkeit Null am Boden bis zu schnell strömender Luft in Wolkennähe nachhaltig gestört. Es wäre interessant zu untersuchen, welchen Einfluss dies auf die Umwelt, wie Flora und Fauna hat.

Beeinflussung des Mikro-Klimas durch Windräder

Zu einer Temperatur-Erhöhung am Boden kommt es lt. einer Publikation vor allem nachts, weil dann geschichtet kühlere Luft in Bodennähe mit wärmer Luft aus größerer Höhe vermischt wird. (8, 12) Dabei wird auch kühle, feuchte Luft am Boden verdrängt. Dies führt nicht nur zu einer direkten Erhöhung der Lufttemperatur in Bodennähe, sondern es vermindert auch die Kühlwirkung am Boden. Denn wenn Feuchtigkeit normal am Boden verdampft, führt dies aufgrund der Verdunstungskälte von Wasser zu einer Kühlwirkung.

Diese entfällt, wenn die Feuchtigkeit durch die Turbulenzen der Windräder verweht wird. Die Folge ist eine Austrocknung der Landschaft. Die Diskussionen von Politik und Medien konzentrieren dann sich dann gewöhnlich auf das Thema „Borkenkäfer“. Woraus die typische Forderung entstehet, „wir brauchen noch mehr Windräder“ wegen dem „Klimaschutz“. Wobei die unmittelbare Beeinflussung des Mikroklimas durch Windparks aus der Diskussion ausgeblendet wird.

Was würden 20 Hiroshima-Bomben täglich über Deutschland bewirken?

Es mag schwer vorstellbar sein, dass Windräder weiträumig das Klima verändern können. Deshalb sei hier ein Vergleich zur Entnahme von Energie aus der strömenden Luft gezogen. In der Geologie werden große Ereignisse, wie Erbeben, zur Veranschaulichung mit der Explosions-Energie der Hiroshima-Bombe verglichen. Diese ist mit „60000000000000 joules“ angegeben, oder in Zehnerpotenzen 6*1013 Joule bzw. Ws. (11) Die durch Windkraft im Jahr 2021 in Deutschland generierte Energie betrug 131,7 TWh. (4) Umgerechnet sind dies 4.7*1017 Ws. Damit entspricht die durch Windkraft der Atmosphäre entzogene Energie etwa 7.000 Hiroshima-Bomben. Die Beeinflussung der Atmosphäre wäre damit vergleichbar mit der Explosion von täglich 20 Hiroshima-Bomben über Deutschland, nicht als Eintrag, sondern als Entzug von Energie. Abgesehen von all den bekannten Umwelteinflüssen, lässt diese gewaltige Beeinflussung den Euphemismus von der „sauberen Energie für gutes Klima“ in einem etwas anderen Licht erscheinen. Um die Beeinflussung des Klimas zu quantifizieren, vor allem auf den Regen durch Verminderung des Luftdruckes, wären weitere Berechnungen zu diesem Thema erforderlich. (to be continued?)

Zusammenfassung

• Die Nennleistung (lt. Typenschild) einer WEA wird nur bei Nenn-Windgeschwindigkeit (typisch ab Windstärke 6) erreicht. Darunter sinkt die reale Leistung drastisch, da die dargebotene Windleistung mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit abnimmt. (1,2)
• Bezüglich der Nennleistung besteht der weit verbreitete Irrglaube, dies sei „die Leistung“ welche eine WEA stets liefert. Selbst Berechnungen staatlicher Stellen rechnen in „Nennleistung“, was die daraus resultierenden Schlussfolgerungen irrelevant macht. (3)
• Oberhalb der Nenn-Windgeschwindigkeit ist eine Leistungs-Steigerung aus Gründen der
Anlagen-Sicherheit nicht möglich. (1)
• Die Nenn-Windgeschwindigkeit beträgt bei Schwachwind-Anlagen für das Binnenland ca. 10 – 11 m/s und bei Offshore-Anlagen ca. 12 m/s. (1)
• Die Nenn-Windgeschwindigkeit ist ein vom Hersteller für den Einsatzzweck vorgegebener Parameter, dessen Optimierungs-Potential innerhalb der Baureihen ausgeschöpft ist. (1)
• Der maximal von einer WEA erreichbare Wirkungsgrad ist nicht der „physikalischtheoretische Wirkungsgrad“ von 0,59 sondern der für „Dreiflügler“ geltende maximale Wirkungsgrad von 0,48. Heutige WEA, haben dieses Potential technisch ausgeschöpft. (2)
• Berechnungen zum Ausbau der Windkraft, welche in Energie-Einheiten (kWh, MWh) erfolgen sind unphysikalisch, da bei volatilen Stromerzeugern allein in LeistungsEinheiten (W, MW) gerechnet werden kann.
• Windräder verringern selbst noch in größeren Höhen die Windgeschwindigkeit und führen großräumiger zu turbulenten Strömungen, so dass sich Windparks zunehmend gegenseitig ausbremsen. Die max. Leistungsdichte für Windparks ist auf 0,5 W/m2 in Bezug auf den Landschaftsverbrauch limitiert. (9)
• Im Lee von Windparks wird das Mikroklima beeinflusst, die Landschaft wird erwärmt und ausgetrocknet. (8, 11)
• Die Entnahme von Windenergie in der Größenordnung von 20 Hiroshima-Bomben täglich aus der Atmosphäre über Deutschland ist ein Thema, dem sich nach Wissen des Autors, noch kein Institut gewidmet hat. Wäre die damit verbundene Wetter-Beeinflussung denn nicht ein herausragendes Forschungs-Thema? (12)

Gesellschaftliches Fazit:

Der weitere Ausbau der Windkraft erfordert immer größere Windparks, die sich deshalb immer mehr gegenseitig den Wind wegnehmen und somit den weiteren Ausbau immer ineffizienter machen. Und dies bis zur vollkommenen Nutzlosigkeit? Doch solange Institute und die Wirtschaft nur dann mit sattem Steuergeld gefördert werden, wenn sie Studien und Anlagen pro-Windkraft liefern, wird sich daran nichts ändern. Erst wenn auch Institute Fördergelder erhalten, welche die Limits der Windkraft und die physikalische Unmöglichkeit einer (noch dazu weltweiten) „Energiewende“ belegen, wird diese pro-WindkraftSteuergeld-Spirale ihr Ende finden. Deshalb macht uns die „Energiewende“ wohl auch niemand nach? Oder kennt jemand ein „alternativ“ forschendes Institut im Deutschland der
propagierten „Alternativlosigkeit“?

Das Max-Planck-Instituts in Jena, das die extrem geringe Leistungsdichte von 0,5 W/m2 Landschaftsfläche (mittlere Leistung) in einer Studie belegt hat, mag dabei zu einer Art „Betriebsunfall“ der Energiewende beigetragen haben? Denn wenn man als strikter Befürworter der Windkraft, Messungen an Windparks durchführt, um die Vorteile zu beweisen, muss man auch ein Ergebnis abliefern. Doch was ist, wenn das Ergebnis nicht den möglicherweise enttäuschten Erwartungen entspricht, sondern den Gesetzten der Physik? Haben Physiker dann etwa ein Problem? (9) Dies hört sich in der Presse so an:„Jenaer Max-Planck-Forscher stoßen in Studien zu Windenergie auf Probleme“. (14) Wer hätte das gedacht? Die Erkenntnis der enttäuschenden Leistungsdichte von 0,5 W/m2 ist aber wohl noch nicht von der Presse (welche die Brisanz dieses des Inhaltes möglicherweise noch nicht vollständig realisiert hat) bis zur Thüringer Landesregierung und in das grüne Energie-Ministerium vorgedrungen? Denn dieses berechnet immer noch mit der
Nennleistung der Windräder und extrapoliert von einem Windrad auf etwa Tausend. (3) Kann Windkraft denn so einfach sein?

Quellen:
(1) Technische Daten Siemens SWT-3.15-142 https://www.wind-turbine-models.com/turbines/1469-siemens-swt-3.15-142
(2) Physik der Windturbine https://home.uni-leipzig.de/energy/energie-grundlagen/15.html
(3) Antwort Thüringer Landesregierung auf eine parlamentarische Anfrage. Das Dokument liegt dem Autor vor
(4) WINDENERGIE IN DEUTSCHLAND https://strom-report.de/windenergie/
(5) Fakten zum Pumpspeicherkraftwerk Goldisthal https://powerplants.vattenfall.com/de/goldisthal/
(6) Der Tag an dem der Strom knapp wurde https://zeitung.faz.net/faz/wirtschaft/2019-01-12/0ef138ca4a91f74600c9c37e8a8d9a2d/?GEPC=s9
(7) California Faces Rolling Blackouts As Heat Wave Begins https://www.dailywire.com/news/california-faces-rolling-blackouts-as-heat-wave-begins
(8) Turbinen schwächen die Windenergie https://www.mpg.de/9379767/windenergie-wind-strom
(9) NEUE STUDIE AUS JENA: DAS POTENZIAL UND DIE GRENZEN DER WINDKRAFT https://www.mdr.de/wissen/energiewende-potenzial-und-grenzen-der-windkraft-100.html
(10) Einfluss von Windrädern auf das Klima https://ruhrkultour.de/beeinflussen-windraeder-das-klima/
(11) Climatic Impacts of Wind Power https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S254243511830446X
(12) 1 Hiroshima Bomb Explosion (hbe) to all energy units https://www.justintools.com/unit-conversion/energy.php?k1=hiroshima-bomb-explosion
(13) China Starts Up First Fourth-Generation https://www.powermag.com/china-starts-up-first-fourth-generation-nuclear-reactor/
(14) Jenaer Max-Planck-Forscher stoßen in Studien zu Windenergie auf Probleme
https://www.thueringer-allgemeine.de/leben/wissenschaft/jenaer-max-planck-forscher-stossen-in-studien-zu-windenergie-auf-problemeid225152263.html
(15) Strom aus Atommüll: Schneller Reaktor BN-800 im kommerziellen Leistungsbetrieb https://nuklearia.de/2016/12/09/strom-aus-atommuell-schneller-reaktor-bn-800-im-kommerziellen-leistungsbetrieb/