Frischer Wind in der Oberleitung

74.767 Megawatt oder 163 Milliarden Kilowattstunden jährlich – Anfang 2010 sind im EU-weiten Stromnetz Windkraftanlagen mit einer solchen Leistung angeschlossen, sodass sie 4,8 Prozent des Strombedarfs abdecken. Anders ausgedrückt bedeutet dies um 120 Millionen Tonnen weniger CO2-Ausstoß, was wiederum den Abgasen aller Autos in Österreich und Deutschland entspricht. Damit übertrifft die Windenergie zum zweiten Mal alle übrigen Technologien.

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Das Potenzial der Windkraft zur – von der EU bis 2020 – geforderten Treibhausgas-Einsparung ist laut der EWEA (european wind energy association) europaweit gesehen insgesamt ein Fünftel. In Österreich könnte sogar bis zu einem Viertel damit erreicht werden. Und mit dem neuen Einspeisetarif von 9,7 Cent pro Kilowattstunde ist dies auch wieder realisierbar geworden. „Wir sind erleichtert, dass das lange Ringen um neue Einspeisetarife endlich ein positives Ende gefunden hat. Mit 9,7 Cent pro Kilowattstunde liegt der neue Tarif für Windkraft zwar unter unserer Forderung von 9,8, aber nun wird es endlich wieder möglich sein zumindest an den effizienten Standorten Österreichs Windkraftanlagen zu errichten“, so Mag. Stefan Hantsch, Geschäftsführer der IG Windkraft.

Prinzip
Zur Nutzbarmachung der Energie, die im Wind steckt, wird kinetische in elektrische Energie umgewandelt und auch gleich ins Stromnetz eingespeist. Zum Erreichen dieses Ziels gibt es grundsätzlich zwei verschiedene Möglichkeiten.

Beim Widerstandsprinzip wird die Fläche von Luftmassen angeströmt. Die Luftwiderstandskraft (entspricht dem entgegengesetzten Widerstand), die senkrecht zur Anströmung steht, wird zum Antrieb verwendet. Mit Wirkungsgraden von maximal 20 Prozent liegen sie deutlich unter den Werten von Windrädern die nach dem Auftriebsprinzip arbeiten. Diese erreichen theoretisch nach dem Betz’schen Gesetz 59,2 Prozent und auch praktisch können sie sich mit bis zu 50-prozentiger Ausnutzung sehen lassen. Dabei steht der Anströmkörper nicht symmetrisch zur Anströmrichtung. Zusätzlich zur Widerstandskomponente entsteht senkrecht eine Auftriebskraft, die keinen Energieverlust der Strömung bewirkt. Darum findet man in modernen Windkraftanlagen mehr oder weniger nur noch diese Arbeitsweise vor.

Bestandteile
Der Rotor wandelt die im Wind enthaltene Energie in eine mechanische Drehbewegung um. Ein oder mehrere Rotorblätter entziehen so dem Wind nach dem Auftriebsprinzip die Energie. Meistens werden dazu Dreiblattrotoren aus Faserverbund mit Glas-, Kohlenstoff- oder Aramid-Faser, wobei Letztere selten anzutreffen ist, verwendet. Ein Getriebe wird eingesetzt, wenn die Rotor- von der Generatordrehzahl abweicht. Andernfalls findet man einen vielpoligen Ringgenerator mit variabler Drehzahl vor.
Bei veränderlicher Rotordrehzahl muss zur Koppelung an das öffentliche Netz ein Umrichter oder Gleichstromzwischenkreis angeschlossen sein. Zur Ausrichtung der Maschinengondel und somit des Rotors nach der Windrichtung ist, wie der Name schon sagt, eine Windrichtungsnachführung zuständig. Die Gondel sitzt ganz oben und enthält neben dem Triebstrang mit dem Rotor, gegebenenfalls dem Getriebe und dem Generator auch noch die Steuer- und Regeleinheit. Für ausreichend Höhe sorgt der Turm, der die statischen und dynamischen Belastungen aufnimmt und diese über das Fundament in den Boden ableitet.

Bauformen
In Österreich werden großteils dreiblättrige Horizontalachsen-Windräder, die die kinetische Energie der strömenden Luft durch Abbremsung der Luftmassen im Rotor in kinetische Energie des Windrotors umwandeln, eingesetzt. Würde man versuchen, dem Wind die gesamte Energie zu entziehen, würde das einem „Verstopfen“ des Rotors gleichkommen und die Querschnittsflächen würden für die nachfolgenden Luftmassen nicht mehr passierbar sein. Die Gondel ist drehbar am Turm gelagert und es erfolgt ein Nachführen entsprechend der Windrichtung. Bei der Vertikalachsen-Bauweise, wie zum Beispiel dem Darrieus-Rotor, ist dies nicht nötig. Ebenso werden die Belastungen besser verteilt und Turbulenzen in Bodennähe eher toleriert. Nachteilig ist aber, dass nur drei Viertel des Drehkreises zur Energieerzeugung genutzt werden, dadurch kann es zu Schwingungen in der Flügelkonstruktion durch diesen zyklischen Lastwechsel kommen.

Highlights
Im September 2006 wurde durch die Firma Fuhrländer in Laasow (Brandenburg, Deutschland) die momentan höchste Windkraftanlage der Welt nach dreimonatiger Bauzeit in Betrieb gesetzt. Mit 160 Meter Nabenhöhe und einem Rotordurchmesser von 90 Metern ergibt sich eine Gesamthöhe von 205 Metern (auf die Rotorspitze bezogen) und eine Maximalleistung von 2,5 Megawatt.
Vier Megawatt Nennleistung hätte der größte Vertikalachsenrotor (Darrieus-Rotor, 110 Meter Gesamthöhe) mit Namen Éole in Cap-Chat (Quebec, Kanada) bieten sollen, ging aber nach Beschädigungen aufgrund heftiger Sturmböen nach mäßigem Erfolg im Versuchsstadium nicht wieder ans Netz. Er ist in den Windpark Le Nordais mit nahezu 100 Megawatt installierter Leistung integriert und nur noch als Touristenattraktion zu besichtigen.
Die RePower 6M ist eine Windkraftanlage mit über sechs Megawatt Nennleistung und einem Rotordurchmesser von 126 Metern. An der deutsch-dänischen Grenze im Bürgerwindpark Westre wurden im März 2009 drei solcher Offshore-Anlagen mit einer Nabenhöhe von 100 Metern und einer Nenngeschwindigkeit von 14 Metern pro Sekunde aufgestellt.

Interview mit Mag. Stefan Moidl, IG Windkraft
Metall hat sich ausführlich mit Mag. Stefan Moidl, zuständig für die Öffentlichkeitsarbeit der IG Windkraft, über die verschiedenen Aspekte der Windkraft unterhalten.

Metall: Sind Sie mit der neuen Regelung des Einspeisetarifs von 9,7 Cent pro Kilowattstunde zufrieden?
Moidl: Mit dem Tarif von 9,7 Cent pro Kilowattstunde für das Jahr 2010 schließt Österreich wieder an das in Europa übliche Vergütungsniveau für Windkraft an. Damit wird ein weiterer relevanter Ausbau der Windkraft in Österreich möglich sein, obwohl die in Österreich geltende Tariflaufzeit von 13 Jahren eher am unteren Rand angesiedelt ist (Deutschland: 20 Jahre, Frankreich: 15 Jahre etc.). Da der Tarif nur für das Jahr 2010 gilt, wird entscheidend sein, ob im Jahr 2011 und den folgenden ein ähnlicher Tarif festgelegt wird.

Ist dadurch die Investition in österreichische Windkraftanlagen wieder gegeben – bzw. ist es bereits absehbar, wie viel bzw. ob dieses Jahr wieder investiert wird?
Investitionen werden an jenen Standorten mit sehr guten Windverhältnissen getätigt werden. Anfang 2010 sind in Österreich 617 Windräder mit insgesamt 995 Megawatt am Netz. Diese Anlagen erzeugen jährlich zirka 2,1 Milliarden Kilowattstunden sauberen Strom.
Im geltenden Ökostromgesetz ist ein weiterer Ausbau von Windkraftanlagen mit einer Leistung von 700 Megawatt bis zum Jahr 2015 verankert. Dies wären zwischen 300 und 350 Anlagen, welche ein Investitionsvolumen von 1,3 Milliarden Euro auslösen und über die gesamte Betriebsdauer nochmals rund eine Milliarde Euro Wertschöpfung in Österreich leisten würden. Da durch die Ökostromnovelle im Jahr 2006 in den letzten Jahren keine Anlagen errichtet werden konnten, wurden dementsprechend auch wenige Projekte fertig entwickelt und die oft kostenintensiven Bewilligungsverfahren häufig auch nicht abgeschlossen. Daher wird im Jahr 2010 mit dem Bau von Anlagen in geringem Ausmaß begonnen. Erst im Jahr 2011 wird die Errichtung von Neuanlagen in größerem Umfang starten. Die Windkraft könnte bis 2020 auf 3500 Megawatt verdreifacht werden, was einer Erzeugung von sieben Milliarden Kilowattstunden, bzw. 10 Prozent des österreichischen Strombedarfs entspricht.

Visionär gesprochen können Sie sich vorstellen, dass irgendwann die Windkraftenergie beziehungsweise die erneubaren Energieträger so weit ausgebaut sind, dass gar kein Einspeisetarif mehr nötig ist?
Dafür braucht man kein Visionär sein – auch wenn die Strompreise derzeit durch die Finanzkrise wieder gefallen sind. Ende 2008 war eine Zeitlang der Strompreis bereits höher, als der damalige Windkraft-Einspeisetarif. Bei anspringendem Konjunkturmotor wird auch der Strompreis wieder steigen. Aber genau wegen der teilweise nicht nachvollziehbaren Preisschwankungen auf dem internationalen Strommarkt ist es in den nächsten Jahren wichtig, durch das Ökostromgesetz langfristig gesicherte Bedingungen für den weiteren Ausbau zu garantieren.
Mittelfristig wird die Windkraft nicht nur ohne Einspeisetarif gebaut werden, sondern zu den billigsten Stromerzeugungstechnologien gehören, nicht zuletzt da Windkraftanlagen keinen „Brennstoff“ benötigen – der Wind bläst gratis. In den letzten zwei Jahren wurde in Europa mehr Windkraftleistung als alle anderen Energieerzeugungstechnologien installiert (2009: Wind: 39 Prozent, Gas: 26 Prozent, Fotovoltaik: 16 Prozent).

Österreich hinkt im EU- und auch im internationalen Vergleich bei Neubauten von Windkraftanlagen ziemlich hinterher – doch wie sieht es bei der Erzeugung von „Windstrom“ aus?
Mit dem Ökostromgesetz 2002 begann die erste große Ausbauphase der Windenergie in Österreich. Die Gesetzesänderung Mitte 2006 setzte dieser österreichischen Erfolgsgeschichte ein jähes Ende. Nach einer Durststrecke von dreieinhalb Jahren ist es 2010 wieder möglich, an einen Windkraftausbau zu denken. Die österreichischen Betreiber nutzten die Stillstandphase und entwickelten im Ausland Windkraftprojekte. Jetzt können sie sich auch dem Heimmarkt wieder zuwenden. Zu hoffen ist, dass das Jahr 2010 als Startpunkt einer weiteren Ausbauphase in die Geschichte eingehen und nicht mit 2011 ein erneuter politscher Ausbaustopp kommen wird.

Wie sieht es mit der Akzeptanz der Bevölkerung aus?
Windkraftanlagen haben eine sehr hohe Zustimmung in der Bevölkerung und sind für viele ein starkes Symbol für eine erneuerbare, nachhaltige Energieversorgung der Zukunft. Bei Meinungsumfragen erhält man für einen weiteren Ausbau der Windkraft rund 90 Prozent Zustimmung bei der österreichischen Bevölkerung. Prinzipiell kann man sagen: Dort, wo bereits Windkraftanlagen in der Region stehen und die Bevölkerung damit Erfahrungen sammeln konnte, ist die Zustimmung für neue Windparks höher. Ablehnung gegen ein Windkraftprojekt hat oft nicht nur etwas mit dem konkreten Projekt selbst, sondern mit schon vorherrschenden Differenzen zwischen den unterschiedlichen Gruppen in einer Gemeinde zu tun. Je mehr die Bevölkerung in den Prozess eingebunden ist, desto leichter ist ein Windkraftprojekt umsetzbar.

Mag. Stefan Moidl, IG Windkraft

Moderne Windkraftanlagen arbeiten mit einem Wirkungsgrad von zirka 50 Prozent. Gibt es hier noch einen Weg, diesen zu steigern?
Das Betz’sche Gesetz der Physik besagt, dass eine Windkraftanlage höchstens 59 Porzent der Energie des Windes in mechanische Energie umwandeln kann.
Doch viel entscheidender bei der Entwicklung einer Windkraftanlage ist es, die Anlage auf die Stromproduktion hin zu optimieren. Das heißt, dass nicht immer jene Anlage mit dem besten Wirkungsgrad den meisten Strom erzeugt. Je nach den windspezifischen Standortqualitäten (Schwachwindstandorte, Starkwindstandorte) können mit verschiedenen Anlagen unterschiedliche Ergebnisse erzielt werden. Die Beziehung zwischen Rotor- und Generatorengröße und die Windverteilung sind die drei wichtigsten Parameter in diesem Zusammenhang. Auch in Zukunft wird es hier für die Forschung und Entwicklung ein weites Feld der Optimierung geben.

Welche Bedeutung spielen Offshore-Windparks bzw. werden sie noch an Bedeutung gewinnen?
Von den rund 13 Mrd. Euro in Europa, die im Jahr 2009 in neue Windparks mit einer Leistung von 10.163 Megwatt investiert wurden, waren lediglich 1,5 Milliarden mit einer Leistung von 582 Megawatt für Offshore-Anlagen bestimmt. Allein diese Ausbauzahlen zeigen, dass Offshore beim tatsächlichen Ausbau noch kaum eine Rolle spielt. Offshore wird aber von der EU stark forciert. Gerade im Forschungsbereich ist Offshore ein wichtiges Thema. Die meisten großen Energieversorger sind an Offshore-Projekten beteiligt.

Welche Vorteile bzw. welche Nachteile bringen diese Windkraftanlagen mit sich?
Der Vorteil von Offshore-Windparks liegt auf der Hand. Sie sind weit weg von den Wohngebieten der Menschen und können daher auch größer gebaut werden. Genau das ist aber gleich ihr stärkster Nachteil. Es bedarf langer und teurer Stromleitungen, um den Strom wieder in die Regionen der Verbrauchenden zu bringen. Auch der Aufbau und die Wartung der Anlagen sind teuer und komplizierter als an Land. Im Moment kostet der Offshore-Windstrom mehr als das Doppelte von Onshore.

Welches Potenzial steckt noch in der Technik von Windkraftanlagen? Wo gibt es Verbesserungsmöglichkeiten oder höhere Wertschöpfungsmöglichkeiten?
Die Windkraftbranche wächst jährlich zwischen 20 und 30 Prozent. Derzeit gibt es verschiedene Windkrafttechniken und -konzepte. Gerade die österreichische Zulieferindustrie zur Endfertigung von Windrädern ist breit gefächert und gut aufgestellt. Das Exportvolumen liegt bei rund 350 Mio. Euro pro Jahr mit sehr hohen Zuwachsraten. Gerade in der Metallbranche sind viele österreichische Unternehmen wie zum Beispiel Elin EBG Motoren, NKE, SKF, Voest Alpine und AMAG in der Zulieferung zur Windraderzeugung tätig.
Vor allem die Anlagengröße hat in den letzten Jahren enorm zugenommen, um die Windkraft effizient auch in größeren Höhen nutzen zu können. Ebenso hat sich in den verwendeten Materialien eine starke Entwicklung gezeigt.
Im Offshore-Bereich hat in den vergangenen Jahren eine Entwicklung eingesetzt, um die größte technisch mögliche Windkraftanlage zu entwickeln. Derzeit werden Zehn- bis 20-Megawatt-Anlagen konzipiert. Bis 2020 sollen die ersten dieser Anlagen serienreif sein. Bei den Windkraftanlagen mit Getriebe ist eben diese das Hauptobjekt der Forschungsbemühungen, da die Lasten, die auf die Getriebe wirken, sehr groß sind. Bei Windkraftanlagen ohne Getriebe hingegen wird intensiv an Möglichkeiten geforscht, diesen zu verkleinern. Bei den geplanten Anlagen im Zehn- und 20-Megawatt-Bereich wird bei Fortsetzen der derzeitigen getriebelosen Technologie die maximale Generatorgröße bald erreicht sein.

(Redaktion: Kerstin Schustereder, Metall