Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V. (SFV)

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vom 24.03.2009, aktualisiert am 27.08.2009, Wolf von Fabeck:

Windstrompotential - Windstrom von 8 % der Land- und Forstwirtschafts-Flächen entspricht dem derzeitigen Jahresstromverbrauch

Eine Grobabschätzung

Windanlagen können nicht beliebig dicht neben- und hintereinander aufgestellt werden. Sie würden sich sonst gegenseitig den Wind "wegnehmen".

Aufstellung von Windanlagen

Eine Faustregel besagt: der Mindestabstand in Hauptwindrichtung soll dem achtfachen Rotordurchmesser entsprechen,
der Mindestabstand quer zur Hauptwindrichtung viermal dem Rotordurchmesser.
Je größer also der Rotordurchmesser, desto größer ist der Flächenbedarf. Da die Aufstellungsabstände dem Rotordurchmesser proportional sind, sind auch Aufstellungsfläche und Rotorfläche einander proportional.

Gedrängte Aufstellung

Wenn man eine gegebene Windparkfläche besser ausnutzen will, kann man auch die Abstände verringern. Bei einem Abstand in Hauptwindrichtung vom 5,5- fachen des Rotordurchmessers d und in Nebenwindrichtung vom 3,5-fachen des Rotordurchmessers treten die ersten Beeinträchtigungen auf. Die Windanlagen beeinflussen sich dann gegenseitig durch die von ihnen ausgehende Luftverwirbelung und ihre Lebensdauer nimmt durch die Wechselbelastungen geringfügig ab. Die Leistungsverluste ("Windparkverluste") betragen dann etwa zwei Prozent. Insgesamt holt man aber dennoch aus einer gegebenen Windparkfläche bei gedrängte Aufstellung etwa 60 Prozent mehr Ertrag heraus. In der folgenden Berechnung werden die Gleichungen für die lockere Aufstellung mit a und die Gleichungen für die gedrängte Aufstellung mit b bezeichnet.

Berechnung

Nach der Faustregel gilt für den Flächenbedarf F einer Anlage:

F = 8<i>d</i> * 4<i>d</i> = 32<i>d</i>2

bzw. bei der gedrängten Aufstellung

F = 5,5<i>d</i> * 3,5<i>d</i> = 19,25<i>d</i>2

wobei d den Rotordurchmesser angibt.


Auf einer großen Aufstellungsfläche A haben n Anlagen Platz.

n = A / F

(1a) n = A / 32<i>d</i>2

bzw.

(1b) n = A / 19,25<i>d</i>2

Dabei ergibt sich auch ein Randabstand von 2 bzw. 4 Rotordurchmessern. Siehe dazu Bild 1, lockere Aufstellung

In Hauptwindrichtung 8 facher Rotordurchmesser, quer dazu 4 facher Rotordurchmesser

 

Die Gesamtleistung, die aus einer Aufstellungsfläche entnommen werden kann, ist die Summe der Einzelleistungen. Bei gutem Wind - wenn die Anlagen mit Nennleistung No arbeiten - ist sie die Summe der Nennleistungen

Nges = n * No

Mit Gleichung (1a) bzw. (1b) folgt daraus

(2a) Nges = No * A / 32<i>d</i>2

bzw.

(2b) Nges = No * A / 19,25<i>d</i>2


Die Leistung einer Windanlage wird dem Wind entnommen, also der durchströmten Rotorfläche. Bei gleicher Windgeschwindigkeit ist die erzielbare Leistung der Rotorfläche und damit der Aufstellungsfläche proportional.

Wenn es nur diese Abhängigkeit gäbe, wäre es vom Ertrag her gleichgültig, ob auf einer bestimmten Aufstellungsfläche viele kleine Windanlagen mit kleiner Nennleistung oder wenige große Windanlagen mit großer Nennleistung aufgestellt würden. Mit Rücksicht auf Geräuschemissionen und Schattenwurf wird man allerdings unterschiedliche Leistungsklassen wählen.

In zersiedelten Gebieten mit vielen verstreuten Wohngebäuden wird man eher kleinere Windanlagen aufbauen, weil die erforderlichen Abstandsflächen kleiner sind und man die relativ kleinen Gebiete zwischen den Wohngebäuden besser ausnutzen kann.

Dort, wo keine Rücksicht auf Wohngebäude genommen werden muss, bieten sich eher große Anlagen an, weil sie ein günstigeres Preis-Leistungsverhältnis haben.

An Einzelstandorten wird man die größtmögliche Anlage wählen.

Beispiel für einen Windpark mit Enercon E-112 Anlagen

Bild 3 Windpark mit Enercon E-112

Die Anlagen haben eine Nennleistung von 6 MW, einen Rotordurchmesser von 114 Metern und eine Turmhöhe von 125 m. In Schwachwindgebieten werden die Anlagen mit größeren Flügeln ausgeliefert. Sie haben dann einen Rotordurchmesser von 128 Metern. Ihre Leistung bleibt bei 6 MW

Die Volllaststundenzahl

Da wegen der Ungleichmäßigkeit des Windes die Nennleistung nicht das ganze Jahr über erbracht wird, muss man die Zeiten beachten, in denen die Windanlagen Strom erzeugen. Man gibt dazu die Volllaststunden an, einen aus tatsächlichen Betriebsergebnissen errechneten Zeitraum tv, in dem die Anlagen mit Nennleistung arbeiten müssten, um den tatsächlichen Jahresertrag zu erzielen. Das heißt jedoch nicht, dass die Anlagen nur die Zeit tv (z.B. 2500 Stunden im Jahr) laufen und die restliche Zeit stillstehen. Tatsächlich laufen die Anlagen sehr viel länger im Jahr, aber natürlich oft nicht mit ihrer vollen Leistung.

Die Vollaststundenzahl hängt besonders in hügeligem Gebiet - entscheidend von der Nabenhöhe ab.
Windanlagen auf höheren Masten ragen in höhere Luftschichten hinein und dort ist die Windgeschwindigkeit höher. Deshalb können sie dem Wind öfter im Jahr die Nennleistung abgewinnen. Ihre Volllaststundenzahl ist deshalb größer.

Zu den höchsten Windmasten zählen zur Zeit SeeBa-Gittermasten mit einer Nabenhöhe von 160 Metern, die z.B. von Fuhrländer in Waldgebieten im Binnenland eingesetzt werden.

Eine Verdoppelung der Nabenhöhe bringt erfahrungsgemäß (zumindest wenn man die bisherigen Baugrößen zugrunde legt) 35% bis 45% mehr Ertrag (und kostet nur 35% mehr).

Windertrag in Abhängigkeit von der Aufstellungsfläche und der Vollaststundenzahl

Der Gesamtertrag E der Anlagen auf der Fläche A liegt also bei

E = Nges * tv

mit Nges aus Gleichung (2a) bzw. (2b) folgt

(3a) E = A * tv * No / 32<i>d2</i>

(3b) E = A * tv * No / 19,25<i>d2</i>

Ein Anwendungsbeispiel: Windanlagen auf 8 Prozent der deutschen Acker- und Waldflächen

Hier ist nur eine sehr grobe Gesamtabschätzung möglich, da die Verhältnisse in den verschiedenen Regionen sehr unterschiedlich sind.

Wir setzen
tv = 1600 h
ein vorsichtiger Mittelwert zwischen Küste und Alpenvorland, der auch windschwache Gebiete berücksichtigt

Statistisches Bundesamt - Bodenfläche nach Nutzungsarten

357 100 qkm Fläche der Bundesrepublik

189 324 qkm Landwirtschaftsfläche
106 488 qkm Waldfläche

Auf 8 Prozent der Landwirtschaftsflächen und Waldflächen werden Windanlagen aufgestellt
(dabei kann natürlich unter diesen Windanlagen weiterhin Landwirtschaft und Forstwirtschaft betrieben werden.).

Die Aufstellungsfläche beträgt

Aland = (189 324 + 106 488) * 0,08 qkm = 23 665 qkm

(dieser Wert enthielt in der ursprünglichen Version vor dem 27.8.09 einen Tippfehler)

 
Auf dieser Fläche werden Windanlagen mit einer Leistung von No = 2 MW errichtet.
Ihr Rotordurchmesser ist 82 m

Die geerntete Jahresenergie beträgt dann nach Gleichung (3a) bzw. (3b)

E = 370 Mrd kWh
===================

bzw. bei dichtgedrängte Aufstellung sogar

E = 550 Mrd kWh
===================

Zum Vergleich:
Der Stromverbrauch im Jahr 2006 betrug 520 Mrd kWh. Er ist inzwischen nur unwesentlich gestiegen.

Ergebnis der Beispielrechnung:

Bei einer Nutzung der Windenergie auf 8 Prozent der deutschen landwirtschaftlichen und forstwirtschaftlichen Flächen kann so viel Strom gewonnen werden, wie im Jahr 2006 in ganz Deutschland verbraucht wurde.
Und unter den Windanlagen kann weiter Land- und Forstwirtschaft betrieben werden.

Bodenverbrauch

Die hier angegebenen Nutzungen bedeuten sowohl auf dem Acker als auch im Wald nur eine minimale Bodenversiegelung durch die Betonfundamente von etwa 2 Prozent der Aufstellungsfläche. Außerdem sind Wege für den Transport und die Verlegung des Netzanschlusses erforderlich.

Im wesentlichen ist die Frage, wie weit man mit dem Ausbau der Windenergie geht, nicht eine ökologische Frage, sondern eine Frage der Akzeptanz. Die im Beispiel genannten 8 Prozent stellen keine obere Grenze dar.

Vorurteile

Mit Vorurteilen gegen die Nutzung der Windenergie im Binnenland befasst sich ein Beitrag von Dr. Eberhard Waffenschmidt 12 Argumente für die Windkraft im Binnenland.




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