Erneuerbare Energie: Windräder bremsen sich gegenseitig aus

Limit für Windparks: Zu dicht aneinanderstehende Rotoren nehmen sich gegenseitig Energie

(Foto: dpa)

Die Windkraft lässt sich nicht beliebig ausbauen, weil sich zu dicht platzierte Windräder gegenseitig stören. Für die Menschheit reicht die Energie aber allemal.

Auch der Wind ist eine begrenzte Ressource. Zwar muss niemand fürchten, dass die in Strom verwandelte Luftbewegung in Zukunft unwiederbringlich fehlt; im zeitlichen Sinn ist Wind dann doch eine erneuerbare Energieform. Aber nicht im räumlichen Sinn: Überall, wo sich Windräder drehen und Elektrizität erzeugen, steht windabwärts weniger Energie zur Verfügung.

Rotoren nehmen sich gegenseitig den Wind weg. Das begrenzt die Leistung, die ein hypothetischer, unendlich großer Windpark liefern kann. Forscher um Lee Miller vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena haben jetzt einen einfachen Wert ermittelt: Selbst in besonders windigen Weltgegenden lässt sich kaum mehr als ein Watt pro Quadratmeter Fläche ernten (PNAS, online).

Die Wissenschaftler haben als Beispiel den US-Staat Kansas genommen. Die Landschaft dort ist flach, der Wind weht kräftig. Die Windräder in ihrem Computer-Modell haben sie auf 112 000 Quadratkilometer verteilt. "Der Wind an den Windfarmen weht natürlich horizontal. Nach zehn Kilometern ist seine Energie entweder in Strom umgewandelt oder in Turbulenzen verbraucht", erklärt Miller. "Es kommt aber immer wieder neue Energie aus den Starkwindzonen in größerer Höhe herunter."

Dieser vertikale Nachschub nimmt wegen der unten abgezapften Energie zu und so schwächen die Rotoren dann tatsächlich den gesamten Wind der Region, wie Modellrechnungen zeigten. Aus der Fläche die maximale Leistung zu holen, setzt eine unsinnige Dichte von Anlagen voraus, wie Miller freimütig einräumt. Es müssten mehr als drei Windräder mit drei Megawatt Nennleistung auf jedem Quadratkilometer installiert werden. Bei dieser Dichte von zehn Megawatt pro Quadratkilometer würde aber jede der Anlagen wegen des geschwächten Windes im Mittel nur elf Prozent der Nennleistung liefern, also 1,1 Megawatt pro Quadratkilometer, beziehungsweise Watt pro Quadratmeter.

Im Prinzip könnten Rotoren auch Hurrikane bremsen. Man bräuchte aber sehr viele von ihnen

Würde dagegen nur die Hälfte der Anlagen auf der Fläche errichtet, lieferte jede von ihnen 20 Prozent der maximal erreichbaren Leistung: ein Watt pro Quadratmeter. Mit der halben Investition ließe sich also fast die gleiche Energiemenge erzeugen. "Wo da die wirtschaftlich optimale Lösung ist, müsste jeder Planer ausrechnen", sagt Miller. "Bei kommerziellen Windparks hoffen die Betreiber auf eine Auslastung um 40 Prozent." Solche Werte gibt es in seinem Modell nur, wenn jeder Rotor fast fünf Quadratkilometer für sich hat.

Allerdings beruht die Berechnung des Forscherteams auf der Annahme, der Windpark sei praktisch unendlich groß. In der Wirklichkeit erzielen die Betreiber realer Anlagen auch mit dicht gestaffelten Windrädern gute Resultate. Der größte Offshorepark der Welt, der London Array in der Themsemündung, hat laut Betreibern eine installierte Nennleistung von 630 Megawatt auf 100 Quadratkilometern Fläche und erzielte in seinem ersten Winter eine Auslastung von 56 Prozent; über das Jahr gerechnet waren es 40 Prozent. Dort müssen die Betreiber aber auch nicht darauf achten, was für weitere Rotoren windabwärts übrig bleibt. Der Effekt, dass Windräder den Wind schwächen, beschäftigt auch andere Forschergruppen. Lee Millers Kollege Mark Jacobsen von der Stanford University hat im vergangenen Jahr durchgerechnet, ob sich Hurrikane bremsen ließen, wenn die Anlagen ihnen Energie entziehen. Er kam auf gewaltige Zahlen: Demnach könnten einige Hunderttausend Windräder im Golf von Mexiko die Böen eines Sturms wie Katrina, der vor zehn Jahren New Orleans verwüstete, um 150 Kilometer pro Stunde abschwächen.

Dieses Gedankenspiel ist genauso unrealistisch wie Millers Windpark in der Größe von halb Kansas. Die Berechnungen erlauben aber einen Ausblick auf die Zukunft. Miller hat vor einigen Jahren mit einer etwas einfacheren Methode berechnet, dass im Mittel über alle nicht-vergletscherten Landflächen der Erde vielleicht ein halbes Watt Windkraft pro Quadratmeter zu holen wäre. Das klingt wenig, könnte aber den Energiebedarf der Welt locker decken. Die Menschheit braucht eine Leistung von 18 Terawatt (Billionen Watt). Miller kam damals auf bis zu 68 Terawatt allein an Land; andere Forscher haben mit ihren Modellen einige Hundert Terawatt an Land und auf See berechnet. Auch wenn Windräder also den Wind schwächen; ein prinzipielles Problem für die Energieversorgung ist das nicht.