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Elektrizitätserzeugung durch Windenergie

Von Onshore- zu Offshore-Standorten

Diplomarbeit 2002 111 Seiten

Energiewissenschaften

Leseprobe

INHALTSVERZEICHNIS

VORWORT

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

ABBILDUNGSVERZEICHNIS

TABELLENVERZEICHNIS

KARTENVERZEICHNIS

1 EINLEITUNG
1.1 Problemstellung
1.2 Verwendete Quellen und Materialien

2 NOTWENDIGKEIT ERNEUERBARER ENERGIEN
2.1 Zur Frage „Warum erneuerbare Energien?“
2.2 Einleitende Übersicht zu erneuerbaren Energien
2.2.1 Wasserkraft
2.2.2 Windenergie
2.2.3 Photovoltaik
2.2.4 Biomasse/-gas, Grubengas
2.2.5 Solarthermie
2.2.6 Geothermie
2.3 Zusammenfassende Betrachtung erneuerbarer Energien

3 WINDKRAFT UND DIE ENTWICKLUNG VON ONSHORE ZU OFFSHORE-STANDORTEN
3.1 Die Entwicklung der Nutzung von Windkraft
3.1.1 Förderung und Ausbau der Windenergie an deutschen Onshore-Standorten
3.1.2 Entwicklungsstand der Windenergie an deutschen Onshore Standorten
3.2 Energiebedarf und Stromerzeugung aus Windenergie
3.3 Die Verlagerung der Windenergiegewinnung auf See

4 TECHNIK VON WEA IM ONSHORE UND OFFSHORE-BEREICH
4.1 Technische Besonderheiten von WEA
4.2 Komponenten und Aufbau einer WEA
4.3 Funktionsweise einer WEA
4.4 Zertifizierung von WEA

5 HERAUSFORDERUNGEN VON OFFSHORE-STANDORTEN
5.1. Rechtliche Rahmenbedingungen
5.1.1 Raumübergreifende Planungsbelange
5.1.2 Zur Sicherheit auf See
5.1.3 Standortplanung von Offshore-Windparks unter rechtlichen Aspekten
5.2 Ökologische Belange
5.2.1 Zum Stand ökologischer Forschungsvorhaben
5.2.2 Zum Stand der Gebietsabgrenzung unter ökologischen Kriterien
5.2.3 Standortplanung von Offshore-Windparks unter ökologischen Aspekten
5.3 Technische Möglichkeiten
5.3.1 Gründung von Offshore-WEA
5.3.2 Netzanbindung von Offshore-Windparks
5.3.3 Logistik von Offshore-Windparks
5.3.4 Standortplanung von Offshore-Windparks unter technischen Aspekten
5.4 Wirtschaftliche Aspekte
5.4.1 Zur Finanzierung von WEA
5.4.2 Vergütung für Strom aus WEA
5.4.3 Einbindung von Betreiberfirmen und sonstiger Industrien in die Windenergiegewinnung
5.4.4 Standortplanung von Offshore-Windparks unter wirtschaftlichen Aspekten
5.5 Politisch/soziale Aspekte
5.6 Zum Ausbau der Offshore-Windenergiegewinnung

6 ZUSAMMENFASSUNG

7 AUSBLICK

LITERATURVERZEICHNIS

INTERNETQUELLEN

ANHANG „Niedersächsisches Küstengewässer 1:200.000“, Ausgabe 2000

VORWORT

Im Ausbau der Windenergie liegt die Bundesrepublik Deutschland weltweit in Führung. Diese Tatsache wurde auch vom zurzeit amtierenden Bundesumweltminister anlässlich der Eröffnung der „Windtech“ am 18. September 2001 in Husum hervorgehoben. Die Verbrennung fossiler Energieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas) führt sowohl die Atmosphäre wie auch das Wasser und den Boden an ihre Belastungsgrenzen. Die Nutzung konventioneller Energieträger lässt sich nicht mit dem Anspruch nachhaltiger Entwicklung von Energiegewinnung vereinbaren. Gleiches gilt für die Nutzung nuklearer Brennstoffe. Begrenztheit bzw. eingeschränkte Verfügbarkeit der Ressourcen verstärken den Druck auf unsere Gesellschaft nach Alternativen zu suchen. Erneuerbare Energien (EE) gelten als eine Antwort auf die Frage nach einer verträglicheren Form der Energiegewinnung.

Eine dieser Alternativen ist die Windenergie. Hier gilt es zwischen der Windenergiegewinnung an Land (Onshore-Standorte) und den auf See befindlichen Anlagen (Offshore-Windenergieanlagen, kurz: Offshore-WEA) zu unterscheiden. Obwohl weder die Binnenlandstandorte noch die neu geplanten Offshore-Standorte außerhalb des Hoheitsgebiets der Bundesrepublik Deutschland in faktischem Bezug zur Küste (shore) stehen, hat sich die Verwendung dieser Begriffe etabliert. Vor allem aus wirtschaftlichen Erwägungen heraus entwickelt sich die Energiegewinnung aus Windkraft dahingehend, dass die Offshore-Standorte ausgebaut werden sollen. Diese tatsächliche Entwicklung ist der rechtlichen zeitlich vorgelagert. Die nationalen Gesetzgeber sind gefordert, die noch fehlenden rechtlichen Grundlagen zu schaffen. Es bleibt abzuwarten, wie der bundesdeutsche Gesetzgeber die derzeitige Konfliktsituation zwischen den wirtschaftlichen Interessen der Betreiber und den gesellschaftlichen Interessen in Bezug auf Ökologie und Versorgung lösen wird.

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

ABBILDUNGSVERZEICHNIS

Abb. 1: Primärenergieverbrauch in Deutschland nach Energieträgern zum Stand 1999

Abb. 2: Wasserkraftwerk in Kalifornien, USA

Abb. 3: Solarzellen zur Stromerzeugung, Café Mezzo, Hannover

Abb. 4: Rapsfeld bei Hannover

Abb. 5: Sonnenkollektorfeld in Nyckvarn, Schweden

Abb. 6: Darstellung der Stromkosten aus regenerativen Energiequellen

Abb. 7: Darrieus-Anlage (Achse vertikal)

Abb. 8: Klassische Windmühle (Achse horizontal)

Abb. 9: Holländer Windmühle

Abb. 10: Amerikanische Windturbine

Abb. 11: Bundesdeutsche Entwicklung der jährlich installierten und der kumulierten Anzahl von WEA und der jährlich installierten und kumulierten Leistung von WEA

Abb. 12: Schematische Zeichnung einer WEA

Abb. 13: Schematische Zeichnung der Gondel einer WEA

Abb. 14: Simulation eines Ölaustritts aus dem Tank eines Schiffes

Abb. 15: Bodenmontierte Tragkonstruktionen von Offshore-WEA

Abb. 16: Stromentstehungskosten und Einspeisevergütung (reale Werte) der 90/450 MW- Offshore- Windparks in Deutschland

Abb. 17: Marktanteile der Anbieter an der gesamten in Deutschland installierten Windenergie-Leistung seit 1982 in %

TABELLENVERZEICHNIS

Tabelle 1: Anteil des potenziellen Jahresenergieertrags aus Offshore-WEA am Nettostromverbrauch der Bundesländer und Deutschlands

KARTENVERZEICHNIS

Karte 1: Übersicht der beantragten Offshore-Windparks in der Nordsee

Karte 2: Übersicht der beantragten Offshore-Windparks in der Ostsee

Karte 3: Nordsee: Potenzielle Eignungsgebiete und Erwartungsflächen für Eignungsgebiete zur Windenergienutzung in der AWZ

Karte 4: Ostsee: Potenzielle Eignungsgebiete zur Windenergienutzung in der AWZ

Karte 5: Ökologisch besonders wertvolle marine Gebiete im Deutschen Nordseebereich

Karte 6: Ökologisch besonders wertvolle marine Gebiete im Deutschen Ostseebereich

1 EINLEITUNG

1.1 Problemstellung

Im Rahmen des Klimaschutzes gewinnen EE zunehmend an Bedeutung. Der deutsche Nord- und Ostseebereich bietet ein großes Potenzial für die Möglichkeit der Energieerzeugung. Mittels Offshore-WEA soll dieses Potenzial nun zur Elektrizitätserzeugung durch Windenergie genutzt werden. Die Situation, dass statische Elemente in Form großer Anlagen in die bereits vielfältigen Nutzungen des Meeresraums eingebracht werden sollen, ist jedoch eine völlig neue. Speziell außerhalb des Hoheitsgebiets der Bundesrepublik Deutschland seewärts der

12-Seemeilen–Grenze in der Ausschließlichen Wirtschaftszone (AWZ) liegen für Offshore-Windparks weder Erfahrungswerte auf dem technischen, noch dem rechtlichen oder dem ökologischen Sektor vor. (Zur Illustration s. Karte „Niedersächsisches Küstengewässer“ im Anhang).

Die geplanten Offshore-Windparks werden jeweils ein Gebiet von über 100 km² einnehmen (etwas mehr als die Fläche der Insel Föhr). Sie sollen in ein mobiles System, welches bereits durch die Belange von Schifffahrt, Flugverkehr, Vogelzug und nun bald über 100 Meter hohen WEA, die ebenfalls den Luftraum mit beanspruchen, integriert werden. Bestehende Nutzungen wie die der Fischerei, verschiedener Abbauflächen, Förderplattformen, Mülldeponien, militärische Nutzungen, Tourismus, Kabel- und Rohrleitungen, um nur einige zu nennen, müssen dabei berücksichtigt werden. Es gilt sowohl Sicherheitsabstände einzuhalten wie auch den potenziellen Ausbau einzelner Belange durch das Hinzufügen konkurrierender Nutzungen nicht zu gefährden. Eine übergeordnete Planung ist notwendig, um die Windenergiegewinnung unter minimal ökologischen, sicherheitstechnischen und nicht zuletzt finanziellen Risiken innerhalb dieses Systems zu entwickeln.

Mit Ausbau der Offshore-Standorte, mittels derer man das eigentliche Potenzial der Windenergie nutzen will, stellen sich nicht nur wirtschaftlich und technisch neue Herausforderungen, sondern es müssen auch die sozialen und ökologischen Wechselwirkungen, der politische Rahmen sowie Gesetzesgrundlagen berücksichtigt bzw. erst noch geschaffen werden. Durch die sektoral verteilten Zuständigkeiten einzelner Behörden wird eine integrierte Planung derzeit jedoch erschwert.

Mit fortschreitender Erschließung des Meeresraums ergeben sich viele noch ungelöste Fragen und Probleme. Beispielsweise ist in der AWZ unter Zuständigkeit des Bundes noch nicht begründet, wo die Naturschutzgrenzen verlaufen sollen. Auch liegen Ergebnisse zur Umweltverträglichkeit von WEA noch nicht in ausreichendem Maße vor. Konkurrierende Nutzungen mit der Schifffahrt müssen abgestimmt und Sicherheitsfragen geklärt werden.

Gänzlich ungelöst ist auch die Frage nach der Kabeltrassenführung zurück an Land. Die technische Erschließung ausgebauter Windparks, die zusammen mehrere tausend Megawatt Stromleistung liefern, die Aufnahme und Einspeisung des Stroms durch die bestehenden Energieversorgungsunternehmen (EVU), bzw. die vorhandene Netzinfrastruktur, die mit dieser Menge des erzeugten Stroms derzeit völlig überfordert wäre, stellen weitere Herausforderungen dar. Die Koordination verschiedener Interessen seitens der Antragsteller, Planer sowie der Behörden und Institutionen unterschiedlichster Zuständigkeitsbereiche wirft ihrerseits Probleme auf, die im voranschreitenden Prozess der Entwicklung von Offshore-Standorten übergeordnet gelöst werden müssen.

All die sich daraus ergebenden Fragen zu beantworten ist angesichts des sich noch in der Entwicklung befindenden Prozesses der Planung, Inbetriebnahme und des Ausbaus von Offshore-Standorten nicht möglich. Folglich geht es in dieser Arbeit nicht darum, Lösungen anzubieten, sondern vielmehr herauszustellen, wo die Aufgaben bei der Inwertsetzung des Meeresraums liegen, welche Probleme sich durch sie stellen und welche Faktoren es dabei zu berücksichtigen gilt. Ziel dieser Arbeit ist es, das Problembewusstsein auf die komplexe Entwicklung der Energiegewinnung durch WEA im Offshore-Bereich unter den derzeit sich abzeichnenden Schwierigkeiten sowie möglichen zukünftigen Herausforderungen zu lenken. Dafür werden Zielkonflikte herausgearbeitet, die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Aspekten kritisch beleuchtet und auf noch offene oder entstehende Fragen aufmerksam gemacht.

Als Grundlage wird in Kapitel 2 ein kurzer Überblick über die zur Verfügung stehenden EE gegeben. Kapitel 3 befasst sich mit der Entwicklung der Windkraft bis zum derzeitigen Ist-Zustand einschließlich der Frage nach der Deckung des Energiebedarfs aus Windenergie und ihrer Entwicklung in den Offshore-Bereich. Kapitel 4 skizziert in Form eines technischen Exkurses den Aufbau, die Funktion und sonstige Besonderheiten von WEA. In Kapitel 5 wird die heutige Situation von Offshore-Standorten unter verschiedenen Aspekten diskutiert, um Zielkonflikte herauszustellen und Zusammenhänge zu beleuchten. Kapitel 6 fasst die Antworten auf die aufgeworfenen Fragen zusammen und weist besonders auf neue sowie noch offen gebliebene Fragen hin. Das abschließende Kapitel 7 gibt einen Ausblick auf die mögliche Weiterentwicklung der Nutzung der Windenergie sowie darüber hinaus auf potenzielle globale Ansätze einer zukünftigen Energieversorgung.

1.2 Verwendete Quellen und Materialien

Als Literaturquellen für diese Arbeit dienen neben Rechtsgrundlagen (Literaturangaben in den Fußnoten) auch Tagungsbände, die als Quelle im Text wie folgt gekennzeichnet sind, Bsp. Band 3, S. 6: (vgl. S. III-6). Wegen des aktuellen Themas und seines sich ständig weiter entwickelnden Umfangs kommt dem Internet die Rolle als Hauptquelle von Informationen noch vor Bibliotheken zu. Die vollständigen Internetadressen mit Besuchsdatum bzw. letzter Aktualisierung befinden sich im Verzeichnis am Schluss der Arbeit. Im Weiteren werden Veröffentlichungen der wichtigsten Ministerien, Zeitungsartikel zum neuesten Entwicklungsstand und Informationen der Betreiberfirmen ausgewertet. An Hand von Kartenmaterial werden Standort bezogene Themen verdeutlicht. Gespräche mit Behörden tragen dazu bei, ein möglichst umfassendes Bild der derzeitigen Situation zu erlangen.

2 NOTWENDIGKEIT ERNEUERBARER ENERGIEN

2.1 Zur Frage „Warum erneuerbare Energien?“

Mit fortlaufender Verbrennung fossiler Energieträger und nuklearer Energiegewinnung in Kernkraftwerken haben sich die externen Kosten, insbesondere die Emissionen des Treibhausgases Kohlendioxid (CO2) sowie die Entsorgung ausgedienter Brennelemente und radioaktiver Abfälle alarmierend aufsummiert.

Der Abbau bzw. die Förderung der fossilen Energieträger Kohle, Erdöl und Erdgas wird zudem durch regionale Verteilung und erschwerten Zugang zu den Ressourcen eingeschränkt. Dies wirft die Frage nach der Begrenztheit der Ressourcen auf. Die Spanne der zur Verfügung stehenden fossilen Energieträger wird bei derzeitigem Verbrauch für Erdöl mit nur etwa 44 Jahren bis zu Steinkohle mit der weitaus längsten Reichweite von ca. 150 Jahren geschätzt (vgl. BMU 2000, S. 7).

Auch die Verfügbarkeit des in heutigen Druck- und Siedewasserreaktoren eingesetzten Uran-235 ist begrenzt. Reichweiteschätzungen laufen auf 50 bis 100 Jahre (vgl. KÖRBER 1994, S. 26). Die Nutzung von Kernenergie erfüllt jedoch wegen der Risiken von Kernschmelzunfällen, radioaktiven Abfallstoffen und der nahen Verwandtschaft zur Kernwaffentechnologie (potenzieller Missbrauch) grundsätzlich nicht die Anforderungen der Nachhaltigkeit.

Besorgniserregend ist in erster Linie aber nicht nur die schlagwortartig betitelte „Endlichkeit“ der Ressourcen. Ein Umdenken wird vielmehr auf Grund der Verantwortung zur Nachhaltigkeit, also einer vorausschauenden Planung über Generationen erforderlich. Beispielsweise gelten der Verbrauch nicht nachwachsender Rohstoffe oder hinterlassene Altlasten für Folgegenerationen nicht als nachhaltige Entwicklung.

Speziell bei der Verbrennung von Kohle entstehen mehr CO2-Emissionen als durch andere Energieträger. Da CO2 sich derzeit nicht in unproblematischere

Stoffe katalysieren lässt, sind weltweite Maßnahmen gefragt, die Verbrennung fossiler, nicht regenerativer Energieträger selbst zu reduzieren. Verträglichere Alternativen im Sinne eines globalen Umwelt- und Klimaschutzes sind dringend erforderlich.

1997 wurde auf der Klimakonferenz in Kyoto, Japan ein erster politischer Schritt durch den Beschluss, die CO2-Emissionen zu reduzieren, eingeleitet. Laut Bundesregierung sollen die Emissionen von Treibhausgasen bis zum Zeitraum 2008 - 2012 verglichen zum Jahr 1990 um 21 % gesenkt werden.

Als Maßnahme dahingehend hat sich die Bundesregierung zum Ziel gesetzt, den Anteil der EE an der Energieversorgung bis 2010 mindestens zu verdoppeln. „Bezogen auf das Ausgangsjahr 2000 bedeutet dies bis 2010 einen Anteil von etwa 12,5 % an der dann aktuellen Stromgewinnung“ (vgl. BMU 2001, S. 4).

Die EU-Richtlinie zur Förderung der Erneuerbaren Energien[1] legt mit Inkrafttreten zum 27. Oktober 2001 dieses Ziel für Deutschland fest. Damit soll der Anteil der EE an der Stromproduktion der gesamten EU gemäß der in Kyoto geleisteten Verpflichtung von 14 % zum Stand 1997 auf etwa 22 % bis zum Jahr 2010 gesteigert werden.

Als Grundlage (physikalisches Potenzial) der nutzbaren EE stehen die Quellen Wind, Wasser, Solarenergie, Biomasse und Geothermie zur Verfügung. Die Nutzung dieser ist bis auf die Wasserkraft in Deutschland bisher nur zu wenigen Prozenten erschlossen. Zusammen genommen könnten alle Formen von EE laut Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU 2000,

S. 68) langfristig mindestens 60 % des deutschen Energieverbrauchs decken.

Entsprechend optimistisch lautet auch die Zusage (www.bmu.de) vom 18. Juli 2002: „Mit insgesamt 60 Millionen Mark wird das Bundesumweltministerium in den nächsten drei Jahren die Erforschung und Entwicklung der erneuerbaren Energien fördern.“

Derzeit beträgt der Anteil EE am Weltverbrauch nur 4 % (vgl. BMU 2000, S. 67), EU-weit sind es ca. 6 % (ibid, S. 72). In Deutschland decken EE den Primärenergiebedarf zu gut 2 %. Zum Stand 1999 lag der Anteil fossiler Energieträger bei etwa 84 % (s. Abb. 2). Aufgrund der Fördergelder nach EEG und den Verpflichtungen aus dem Kyoto-Protokoll bieten fast alle deutschen EVU Strom aus EE an. Die Vermarktung erscheint momentan aber hauptsächlich aus Imagegründen zu erfolgen. Der Anteil des Ökostroms ist prozentual noch vernachlässigbar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Primärenergieverbrauch in Deutschland nach Energieträgern zum Stand 1999

Quelle: eigene Darstellung, Daten aus STUMP 2001, S. I-6

2.2 Einleitende Übersicht zu erneuerbaren Energien

Als erneuerbare Energiequellen gelten die regenerativen Energieträger Wasser und Wind sowie die Technik der Photovoltaik zur Stromerzeugung. Biomasse/ -gas, Grubengas, Solarthermie und Geothermie werden hauptsächlich zur Wärme-, teils aber auch zur Stromerzeugung genutzt. Als alternative Treibstoffe stehen Biodiesel bzw. regenerativ erzeugter Wasserstoff zur Verfügung.

2.2.1 Wasserkraft

Die Wasserkraft nimmt in Deutschland bereits seit 1992 mit 90 % den größten Teil der EE ein. Sie wird hier fast ausschließlich zur Stromerzeugung genutzt. Etwa 4 % der gesamten deutschen Stromerzeugung werden durch sie gedeckt. Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Wasserkraft in elektrische Energie liegt mit 80 bis 90 % an der Spitze regenerativer Energieträger (vgl. www.fvls.de).

Das Hauptpotenzial für die Nutzung der Wasserkraft konzentriert sich in den gefällereichen südlichen Bundesländern. Mittels verschiedener Bauarten von Turbinen werden die Bewegungsenergie und die Fallhöhe des Wassers genutzt. Dadurch dass die Wasserkraft bereits seit etwa zehn Jahren ausgebaut wird, sind die möglichen Standorte für neue Großkraftwerke jedoch knapp. Wasserkraftwerke stellen einen verhältnismäßig großen Eingriff in die Gewässersysteme dar. Aus ökologischen Erwägungen werden daher nur noch kleinere Wasserkraftwerke gebaut. Insgesamt wird das Potenzial der Wasserkraft deshalb als stagnierend eingestuft. Neuerdings haben kleine Wasserkraftwerke durch Zuschüsse aus EEG-Bestimmungen wirtschaftlich an Bedeutung gewonnen, obwohl die Kosten der Stromerzeugung aus Kleinwasserkraftwerken mit etwa 6 – 13 Cent pro Kilowattstunde gut doppelt so hoch sind wie die aus leistungsfähigeren Speicher- und Laufwasserkraftwerken (vgl. BMU 2000, S. 23).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Wasserkraftwerk in Kalifornien, USA

Quelle: eigenes Material

2.2.2 Windenergie

Auf die Windenergie soll hier im Überblick nur kurz eingegangen werden. Eine ausführliche Darstellung folgt in Kap. 3. Genutzt wird die kinetische Energie des Windes. Sie wird mittels Windkraft- oder Windenergieanlagen (im Folgenden WEA), auch Windturbine oder -konverter in elektrische Energie umgewandelt. Dem Markt wird ein hoher Zuwachs prognostiziert. Ende 2003 soll nach ALLNOCH (Vortrag 2002) der Anteil der Windenergie an den regenerativen Energietechnologien die Wasserkraft in Deutschland überholen. Bei der Nutzung der Windenergie wird mit bis zu 40 % der (hinter der Wasserkraft und Biomasse) dritthöchste Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung erzielt. Für Kern- und Kohlekraftwerke ist er vergleichbar (vgl. www.fvls.de). Besonders dem großen Windpotenzial in der Nordsee kommt eine bedeutende Rolle zu. Da Onshore-Standorte zur Windenergiegewinnung rar werden, gilt es, die Offshore-Windindustrie schnellstmöglich voranzutreiben.

2.2.3 Photovoltaik

Bei der Photovoltaik (PV) wird die Globalstrahlung, also solare Direkt- und Diffusstrahlung, die auf eine ebene Fläche wie z. B. Hausdächer, Fassaden oder Freiflächen auftrifft, genutzt. Unter Lichteinfluss (Photonen) werden über bestimmten Halbleiterschichten in den Solarzellen Ladungen freigesetzt, die über einen Photovoltaik-Generator direkt als Gleichstrom zum Antrieb elektrischer Geräte genutzt oder mittels Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt werden können. Auch die Einspeisung in das öffentliche Stromnetz bzw. die Speicherung in Batterien ist möglich.

Während Japan auf dem Gebiet der PV führend ist, sind PV-Anlagen in Deutschland mengenmäßig vernachlässigbar. Die Entwicklung der PV steht der Windkraft hier noch etwa um zehn Jahre nach. Wegen ihres großen Flächenanspruchs bei relativ geringem Wirkungsgrad von nur etwa 5 % werden PV-Anlagen eher zur Einzelhausversorgung oder dezentralen Kleinanwendung als in Form großer PV-Kraftwerke eingesetzt. Durch drastische Kostenreduktion für Photovoltaik-Anlagen in den letzten Jahren sowie Förderung durch das EEG und seit 1999 auch durch das „100.000-Dächer-Solarstrom-Programm“ der

Bundesregierung (zinsgünstige Darlehen für Photovoltaikanlagen ab einer bestimmten Größe, vgl. auch BMU 2000, S. 76) verspricht man sich jedoch ein positives Wachstum in der Marktentwicklung (ibid, S. 27ff).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Solarzellen zur Stromerzeugung, Café Mezzo, Hannover

Quelle: eigenes Material

2.2.4 Biomasse/-gas, Grubengas

Aus der Ressource Biomasse (Holz, Getreide, Zucker-, Stärke- und Ölpflanzen) können über Aufbereitung sowie thermo-, physikalisch- oder biochemische Umwandlung neben Wärme auch Kraftstoff und Strom erzeugt werden. Die einfachste Form ist die Verfeuerung dieser Brennstoffe. In Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK) werden bei der Verbrennung von Biomasse Strom und Wärme gleichzeitig erzeugt. Beides wird nach EEG gefördert. Laut BMU (2000, S. 49) könnten etwa 5 % des Primärenergieverbrauchs in Deutschland durch Biomasse gedeckt werden. Der Wirkungsgrad liegt bei 60 bis 90 % (vgl. www.boxer99.de).

Als kostengünstige Alternative zum Einsatz fossiler Brennstoffe gilt die Mitverbrennung von Biomasse in bestehenden konventionellen Kraftwerken. Reststoffe sind bis zur Hälfte des Preises günstiger als nachwachsende Rohstoffe wie beispielsweise Raps, der wirtschaftlich sinnvoller zur Gewinnung von

Rapsölmethylester (Biodiesel) genutzt werden kann. Für Biodiesel wird 2002 ein hoher Anstieg auf etwa 3 % erwartet. Regenerativ erzeugter Wasserstoff hingegen ist wirtschaftlich vernachlässigbar (vgl. ALLNOCH, Vortrag 2002).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Rapsfeld bei Hannover

Quelle: eigenes Material

Biogas entsteht bei der Zersetzung von organischer Substanz wie Gülle, Biomüll, Klärschlamm etc. unter anaeroben Bedingungen im Biogasreaktor. Nach Aufbereitung und bakterieller Zersetzung wird das durch die Vergärung entstandene Biogas gereinigt. Bei der anschließenden Verbrennung oder elektrochemischen Umsetzung des Methans in Kohlendioxid wird Energie freigesetzt, die den Eigenbedarf der Anlage an Strom und Wärme deckt. Überschüssige Kraftwärme kann unter Vergütung ins Stromnetz eingespeist werden. Oft wird Biogas bereits durch den Entsorgungserlös für die organischen Reststoffe zu einer wirtschaftlichen Alternative. Im Einzelnen hängt dies aber von verschiedenen Faktoren wie Anlagengröße (Zusammenschluss mehrerer Landwirte), Gasausbeute etc. ab (vgl. BMU 2000, S. 51ff). Grubengas sei hier der Vollständigkeit halber mit aufgeführt, ist zur Stromerzeugung in Deutschland aber vernachlässigbar.

2.2.5 Solarthermie

Wie bei der Photovoltaik wird auch in der Solarthermie direkte und diffuse Solarstrahlung genutzt. Dies geschieht über z. B. an Dachflächen und Fassaden angebrachten Sonnenkollektoren. Die Sonnenstrahlung wird für Heizzwecke direkt in Wärme umgesetzt oder eingesetzt, um Wasser zu erwärmen. Die Erwärmung wird über einen Absorber (herkömmlich aus Kunststoff, bevorzugt jedoch ein besser isolierter Flachkollektor aus Metall oder fast gänzlich ohne Wärmeverlust im Fall der Verwendung von Vakuumröhren) erzielt. Sonnenkollektoren werden meist mit Speichern betrieben, die allerdings auf Grund ihres geringen Volumens nur tageszeitliche Schwankungen ausgleichen können. Um das Potenzial dieser Warmwasser bereitenden Systeme über die derzeitige Nutzung von nur etwa 1 % zu fördern, sind größere Anlagen erforderlich (vgl. BMU 2000, S. 36f).

Wenn aus Solarthermie elektrische Energie erzeugt werden soll, geschieht dies über verschiedene Turbinen in solarthermischen Kraftwerken. Rentabel werden Sonnenkollektoren allerdings erst in südlicheren Ländern. In küstennahen Regionen oder im Offshore-Bereich können sie auf Grund der empfindlichen Linsen im Salzstaub nicht angewendet werden. Ihr Wirkungsgrad beläuft sich auf etwa 10 % (vgl. www.klimaschutz.de).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Sonnenkollektorfeld in Nyckvarn, Schweden

Quelle: SCHNEIDER 1996, S. 124

2.2.6 Geothermie

Bei der Geothermie wird die Wärme aus dem Erdinneren über ein Transportmittel (Wasser oder Dampf) genutzt. Die Entwicklung der Geothermie verläuft steigend, jedoch weniger intensiv als die der Windkraft. In geothermischen Kraftwerken wird ein Wirkungsgrad von ca. 10 % erzielt (vgl. www.ipp.mpg.de).

Oberflächennah kann Geothermie mittels Wärmepumpen genutzt werden. Diese benötigen zu ihrem Betrieb allerdings einen hohen Anteil an Fremdenergie. Sie decken Warmwasser und Heiznutzung, dienen aber nicht der Stromerzeugung. In größerer Tiefe können sog. Erdwärmesonden in neue oder bereits vorhandene Bohrlöcher eingebaut werden. Dies ist jedoch mit erheblichen Kosten verbunden.

Preislich günstiger ist das Verfahren Hydrothermaler Erdwärmenutzung. Es kann neben der Heiznutzung auch zur Stromerzeugung mittels Dampfkraftprozess genutzt werden. Niedrigthermales Tiefenwasser wird durch Bohrungen aus über 1000 m Tiefe an die Oberfläche befördert und seine Wärme hier genutzt.

Ebenfalls über Bohrung in derzeit bis zu 5 km Tiefe funktioniert das Hot-Dry-Rock-Verfahren (HDR). Kaltwasser wird injiziert, erwärmt sich unter Druck über heißen Gesteinsschichten (sog. Wärmeaustauschflächen) und wird in einer zweiten Bohrung an die Oberfläche geführt. Nutzungsmöglichkeiten ergeben sich für Nah- und Fernwärmenetze sowie über Dampfkraftwerke zur Stromerzeugung. Trotz hoher Bohrungskosten könnten laut BMU (2000, S. 60) HDR-Heiz-Kraftwerke ca. 30 % des deutschen Stromverbrauchs bereitstellen.

2.3 Zusammenfassende Betrachtung erneuerbarer Energien

EE werden hauptsächlich zur Stromerzeugung genutzt. Ihr Anteil beträgt derzeit etwa 20 % am Weltstromverbrauch, für Wärme und Treibstoff sind laut ALLNOCH (2001) noch keine konkreten Aussagen möglich. Der größte Anteil regenerativer Stromerzeugung entfällt weltweit mit ca. 90 % auf Wasserkraft. In Deutschland folgen die Verbrennung von Biomasse und die Nutzung der Windenergie. In Hinsicht auf weiteren Ausbau steht weltweit für alle EE außer der Wasserkraft ein bedeutender, derzeit noch ungenutzter Anteil zur Verfügung.

Entscheidend ist dabei das technische Potenzial, also die für den Verbraucher in nutzbarer Form wie Elektrizität bereitstehende Form der Energie. Diese ist ihrerseits abhängig von Faktoren wie Ortsgebundenheit und der zur Energiegewinnung zur Verfügung stehenden Fläche, Fluktuationen im Energieangebot sowie ökologischen Einschränkungen. Trotz dieser Einschränkungen wird das technisch nutzbare Potenzial EE optimistisch auf das Dreifache des weltweiten Energieverbrauchs geschätzt (vgl. BMU 2000, S. 67).

Laut BMU (2000, S. 17ff) belaufen sich in Deutschland die Kosten für Strom aus

- Windenergie auf 8 - 30 Pf/kWh (4,09 – 15,34 Cent)*
- Wasserkraft auf 5 - 10 Pf/kWh (2,56 – 5,12 Cent)*
- Photovoltaik auf 1,20 - 1,80 DM/kWh (61,36 – 92,04 Cent)*
- Sonnenkollektoren auf 20 - 50 Pf/kWh (10,23 – 25,57 Cent)*
- Biomasse auf 12 – 20 Pf/kWh (6,14 – 10,23 Cent)*
- Biogas auf 12 - 30 Pf/kWh (6,14 – 15,34 Cent)*
- Geothermie auf 15 - 20 Pf/kWh (7,67 – 10,23 Cent)*
- Wärmepumpen auf 10 - 20 Pf/kWh (5,11 – 10,22 Cent)* (s. Abb. 7)

* Cent-Werte: eigene Umrechnung (Excel)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6: Darstellung der Stromkosten aus regenerativen Energiequellen

(minimaler bis maximaler Wert in rot)

Quelle: eigene Darstellung, Daten aus BMU 2000, S. 17ff

Von den unter 2.2 genannten Quellen regenerativer Energieträger ist Windenergie in den nördlichen Bundesländern derzeit technisch und als einzige zu einem rentablen Preis die noch ausbaufähigste Form der EE. Sie wird deshalb als Antwort auf die Aufgabe, die weltweiten CO2-Emissionen auf ein ökologisch verantwortbares Maß zu reduzieren, besonders gefördert.

Langfristig geht man unter Kombination verschiedener Energiequellen davon aus, dass die Kosten der Stromerzeugung aus allen erneuerbaren Energiequellen sinken und diese dank technischer Verbesserungen herkömmliche Energiequellen ablösen werden. (Zu Zukunftsszenarien bis 2050: s. auch NITSCH, Sept. 2001).

3 WINDKRAFT UND DIE ENTWICKLUNG VON ONSHORE ZU OFFSHORE-STANDORTEN

3.1 Die Entwicklung der Nutzung von Windkraft

Finden sich in der Literatur bezüglich des Beginns der Nutzung von Windkraft auch unterschiedliche Zeitangaben, herrscht über die Nutzungsart Einigkeit. Sie war anfangs rein mechanisch, sei es in Form von Segelschiffen, Mühlen oder Pumpen. Beispielsweise schreibt AKKERMANN (1998, S. 3): „Etwa 4000 – 3000

v. Chr. gab es im arabischen Raum bereits windgetriebene Pumpeinrichtungen zum Schöpfen von Wasser, die nur die Widerstandskraft fallschirmartig ausnutzten“.

Je nach Nutzungsform verwendet man nach HEIER (2000, S. 25) spezifische Begriffe, wie „Windpumpe“ zur Wasserförderung oder „Windkraftanlage“ zur Stromerzeugung. Die neueren Begriffe „Windenergieanlage“ (WEA), „Windturbine“ oder „-konverter“ bezeichnen die gesamte der Energieumwandlung dienende Funktionseinheit.

Ferner unterscheidet man zwischen WEA mit vertikal bzw. horizontal angeordneter Achse (s. Abb. 7 + 8). Den ersten Windrädern in Afghanistan und Persien mit vertikaler Achse folgten in Europa etwa seit dem 11. Jh. Windkraftanlagen mit horizontaler Achse, die klassischen Windmühlen. Sie gelten bis heute im Gegensatz zu den erst genannten (wie z.B. den Darrieus-Rotoren) als technisch einfacher. Klassische Windmühlen waren starr zur Hauptwindrichtung hin ausgerichtet und hatten vier bis acht großflächige, mit Segeltuch bespannte Flügel. In ihrer Funktionsweise eher langsam, wurde Windkraft direkt in mechanische Energie umgewandelt. Sie sind vorrangig in Holland verbreitet und wurden meist zur Landentwässerung und zum Mahlen des Getreides genutzt (IHDE/VAUK-HENTZELT 1999, S. 15ff).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 7: Darrieus-Anlage (Achse vertikal) Quelle: GASCH 1996, S. 11

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 8: Klassische Windmühle (Achse horizontal), Quelle: ibid, S. 28

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 9: Holländer Windmühle

Quelle: www.muehlen-dgm-ev.de

Anfang des 16. Jh. entstand aus der ältesten Windmühlenform Europas, der Bockwindmühle, der spätere Typ der Holländer Windmühle. Hier musste statt des gesamten Mühlhauses auf einem Bock nur noch die Haube mit dem dazugehörigen Rotor gedreht werden, bis das 1745 erfundene Seitenrad eine automatische Einstellung zur Windrichtung übernahm. Etwa zeitgleich gelang mit Hilfe von Klappenflügeln eine automatische Begrenzung der Leistungsaufnahme.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 10: Amerikanische Windturbine

Quelle: GASCH 1996, S. 58

Nach AKKERMANN (1998, S. 5) wurde die Idee der

Stromerzeugung durch Windenergie erstmals Ende des 19. Jh. in den USA erprobt. Typische Form dessen sind vielblättrige Rotoren auf Stahlgittermasten (Amerikanische Windturbine, s. Abb. 10) die noch heute zur Wassergewinnung auf Farmen eingesetzt werden (IHDE/VAUK-HENTZELT 1999, S. 18). In Deutschland begann man mit der Fertigung von WEA unter amerikanischer Lizenz bereits vor dem 1. Weltkrieg.

Mit zunehmender Elektrifizierung im 20 Jh. und wachsender Kenntnis über Aerodynamik entstanden schnell laufende Rotoren mit entsprechend schlankem Flügeldesign. Die konventionellen Energieträger Kohle, Erdöl und Erdgas bzw. später auch die Kernenergie waren jedoch preislich soweit überlegen, dass WEA in den 50er Jahren nicht mit ihnen konkurrieren konnten. Erst die in Kapitel 2 beschriebene Problematik der zunehmenden Verknappung konventioneller Energieträger verdeutlichte die Notwendigkeit der Einführung von EE. Zudem verhalf die Ölkrise der 70er unter dem Bewusstsein der Abhängigkeit des Imports von Energieträgern besonders der Windkraft zu neuem Ansehen (vgl. IHDE/VAUK-HENTZELT 1999, S. 16f).

1975 erfolgte daraufhin die vom Bundesministerium für Forschung und Technologie in Auftrag gegebene Studie als Schritt in die Richtung großtechnischer Nutzung von Windenergie mittels der GROssWIndANlage (GROWIAN). 1983 wurde die Anlage mit 100 m Rotordurchmesser (zweiflügelig à 50 m), 96 m Masthöhe und einer Nennleistung von 3 Megawatt errichtet. Sie wurde jedoch 1986 auf Grund hoher Kosten, technischer Mängel und daraus resultierender Stillstandszeiten als gescheitertes Projekt wieder abgebaut. Während der gut drei Jahre ihrer Betriebszeit belief sich ihre ins Netz eingespeiste Leistung auf nur 80 Megawattstunden. Parallel dazu hatten sich jedoch die ersten Firmen etabliert, die, aus dieser Erfahrung lernend, kleinere Anlagen entwickelten (vgl. AKKERMANN 1998, S. 5).

Diese Anlagen mit meist nur bis zu 16 Metern Rotordurchmesser wurden bis etwa 1988 installiert. Mitte der 80er Jahre waren es vorrangig die Länder Dänemark, die Niederlande und Deutschland, welche die Stromerzeugung aus Windenergie weiter entwickelten. In den folgenden zehn Jahren kamen hauptsächlich Anlagen mit 22 bis 48 m Rotordurchmesser hinzu. Große Anlagen (48 bis 60 bzw. 90 m) werden seit 1994 installiert und bilden derzeit den zukunftsweisenden Markt mit Anlagen bis zur 5-MW-Leistungsklasse (vgl. ENDER 2001, S. 40).

3.1.1 Förderung und Ausbau der Windenergie an deutschen Onshore-Standorten

Als Maßnahme auf den Beschluss der Bundesregierung 1990, die CO2-Emissionen zu reduzieren, wurde mit Inkrafttreten des Stromeinspeisungsgesetzes (StrEG)[2] am 01. Januar 1991 erstmals eine gesetzliche Mindestvergütung für Strom aus WEA festgelegt. Die Vergütung erfolgte über das jeweilige EVU an den entsprechenden Windenergieanlagenbetreiber für den durch ihn eingespeisten Strom. Der Bau und Betrieb von WEA wurde dank dieser Vergütung erstmals rentabel für private Investoren, was sich insgesamt an einem zahlenmäßigen Anstieg installierter Anlagen bemerkbar machte.

Mit Änderung des Baugesetzbuches (BauGB)[3] wurden ab 01. Januar 1997 kraft

§ 35 BauGB Außenparks von WEA allgemein zulässig und als privilegiertes Vorhaben dem Bau/Betrieb von beispielsweise Kraftwerken gleichgestellt. Sie sind danach im Außenbereich zu errichten und dürfen nur noch abgelehnt werden, wenn ihnen öffentliche Belange entgegenstehen (vgl. § 35, Abs. 1 BauGB). Seither steigt die Anzahl deutscher WEA sowie auch ihre Leistung stetig.

[...]


[1] Richtlinie 2001/77/EG des Europäischen Parlaments und des Rates zur Förderung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen im Elektrizitätsbinnenmarkt vom 27.09.2001 (Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaften vom 27.10.2001, L 283/33ff)

[2] Stromeinspeisungsgesetz (StrEG) vom 07.12.1990, BGBl. I S. 2633, geändert durch Art. 5 des Gesetzes vom 19.07.1994, BGBl. I S. 1618, geändert durch Art. 3 des Gesetzes zur Neuregelung des Energiewirtschaftsrechts vom 24.04.1998, BGBI. S. 730, 734

[3] Baugesetzbuch (BauGB) vom 27.08.1997, BGBl. I S. 2141, ber. BGBl. 1998 I S. 137

Details

Seiten
111
Erscheinungsform
Originalausgabe
Jahr
2002
ISBN (eBook)
9783832467920
ISBN (Buch)
9783838667928
Dateigröße
7.1 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v222145
Institution / Hochschule
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover – Geowissenschaften und Geographie
Note
1,7
Schlagworte
windkraftanlage energie nordsee ostsee offshore-windparks

Autor

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Titel: Elektrizitätserzeugung durch Windenergie