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Können wir mit Windkraft allein den Strombedarf in Deutschland decken?

Wir leben in stürmischen Zeiten, der Wind bläst uns ganz schön um die Ohren, denn wer Wind sät wird Sturm ernten. Und wenn man es dann noch mit windigen Geschäftsleuten zu tun hat, dann ist alles eitel und Haschen nach dem Wind. Und jeder Surfer weiß, der Tag nach zwei Tagen Flaute heißt Montag. Aber wenn der Wind fehlt, dann muss man eben zum Ruder greifen.

Vor vielleicht 30 Jahren haben Visionäre erklärt: „Ihr alle wisst, was in Tschernobyl passiert ist und, dass das jederzeit wieder passieren kann. Ihr alle wisst, dass die Luft verschmutzt wird durch die verbrannte Kohle und, dass fossile Energie endlich ist. Aber vielleicht wisst Ihr nicht alle, dass wir das ändern können. Lasst uns Windräder bauen und die Kraft der Sonne nutzen. Diese Anlagen verpesten keine Luft und sie können nicht außer Kontrolle geraten. Und das Beste ist: der Wind weht und die Sonne scheint ganz kostenlos. Eine sonnige und windige Zukunft liegt vor uns.“

So haben wir beiden Autoren das zumindest rückblickend in Erinnerung. Wie gerne hätten wir damals eine Zeitmaschine genommen und uns diese Zukunft angeschaut, ob man wirklich auf die Atomkraftwerke und Kohlekraftwerke verzichten wird. Vermutlich hätten wir zwar die Zeitmaschine nicht auf das Jahr 2018 oder 2019 gestellt, sondern hundert Jahre weiter. Aber vielleicht wären wir im Jahr 2018 zwischengelandet. Was hätten wir dann vorgefunden?

Was haben wir bisher erreicht?

Tatsächlich sind nun viele Dächer mit Photovoltaik und Solarthermie belegt, anderseits sind wesentlich mehr Dächer immer noch leer. Und wir sehen viele Windkraftanlagen, vor allem im Norden, aber auch einige im Süden von Deutschland. Und diese Anlagen sind teilweise unglaublich groß.

Manche Anlage weist eine Nabenhöhe von 160 Metern auf, d. h. die Flügel sind 160 Meter über dem Boden befestigt. Und die Flügel selbst sind 65 Meter lang, sodass man einen Rotordurchmesser von über 130 Metern erreicht. In dem Moment, wo ein Flügel oben steht, haben wir eine Gesamthöhe von weit über 200 Metern, also deutlich höher als das Ulmer Münster oder der Dom in Köln. Die Größe ist wirklich überwältigend. Bei diesem Anblick könnte man als Zeitreisender vielleicht vermuten, dass schon alle Atomkraftwerke abgeschaltet sind und die Kohlekraftwerke ebenso.

Aber wieviel haben wir wirklich erreicht bis zum Jahr 2018? Und sind eigentlich alle Menschen glücklich, dass wir die Windkraft im großen Stil ausbauen oder sehnen sich nicht viele nach einer anderen Lösung für unsere Energieversorgung? Lassen Sie uns also zuerst kurz den aktuellen Stand analysieren.

Im Moment gibt es in Deutschland grob 30.000 Windräder, davon die meisten an Land, also on-shore. Und gut 1000 Windräder stehen im Meer, also off-shore. Windkraft hat an der Stromproduktion einen Anteil von ca. 19 % (Grafik). Aber Vorsicht, ein Großteil unserer Energie (ca. 80%) wird gar nicht in Form von Strom verbraucht, wie z. B. Heizung und Verkehr. Sich beim Thema Erneuerbare auf die Stromproduktion zu konzentrieren ist also eindimensional. An unserer gesamten Energieproduktion in Deutschland hat Wind einen Anteil von 3 %, wie das folgende Bild zeigt.

Primärenergieverbrauch in Deutschland

Unser Primärenergieverbrauch in Deutschland gleichmäßig auf alle Einwohner aufgeteilt ergibt 125 kWh pro Person und Tag (linker Kreis). Ungefähr 20 % davon verbrauchen wir in Form von Strom. Ein Großteil unserer gesamten Energie stammt aus fossilen Quellen und ca. 13 % aus Erneuerbaren (rechte Säule). Im Jahr 2017 wurden 3,5 kWh aus Windkraft produziert, also 3 %. (Quelle: Zahlen nach ag-energiebilanzen.de)

Hm, etwas ernüchternd, wenn man sich überlegt wie sehr dieses Thema die öffentliche Diskussion dominiert, oder? Wir sind leider nicht schon fast am Ziel, sondern es steht uns noch eine gewaltige Aufgabe bevor und wir müssen uns offensichtlich noch viel mehr anstrengen als bisher.

Und wenn heute ein neues Windrad geplant wird, dann bildet sich zumindest im Süden Deutschlands in 100 % der Fälle eine Bürgerinitiative, die gegen die Pläne kämpft. Es wird in 100 % der Fälle eine Petition eingereicht und Angehörige des Landtags müssen sich damit auseinander setzen. Die Bedenken lauten:

  • Die Windräder sind laut.
  • Die Windräder erzeugen neben dem lauten Lärm auch leisen Lärm, und der ist noch viel schlechter.
  • Windräder schreddern Vögel.
  • Windräder zerstören das Landschaftsbild, wir verwandeln unsere Natur in Industriegebiete.
  • Am Tag stört die Bewegung der Räder und in der Nacht stört das Blinken der Türme.
  • Windräder erzeugen gar nicht so viel Strom, wie behauptet wird. Windräder sind unverantwortlich teuer.
Plakat Stadtwerke München

Auch wenn die Stadtwerke München schon 2015 Vollzug gemeldet haben, in Wirklichkeit haben Erneuerbare Energien einen Anteil von 13 % an der Primärenergieproduktion (und 38 % an der Stromproduktion). Man sollte also immer das Kleingedruckte lesen, auch auf einem Werbeplakat. (Quelle: Zahlen nach www.ise.fraunhofer.de und ag-energiebilanzen.de)

Wir möchten an dieser Stelle die Bedenken gar nicht groß diskutieren, sondern erst mal nur benennen. Unserer persönlichen Meinung nach stellen sie bei der Wahl, die uns für die Zukunft bleibt, aber das kleinere Übel dar. Dennoch muss man darüber sprechen. Verschaffen Sie sich doch am besten selbst einen Überblick. Die Lautstärke kann man bei einem Spaziergang überprüfen. Und ob man viele tote Vögel unter den Anlagen findet, kann man stichprobenhaft auch selbst überprüfen. Oder man liest entsprechende Studien dazu. Auf jeden Fall werden Sie neben der Autobahn deutlich mehr tote Vögel finden.

Wieviel Energie produziert ein Windrad und kann man das als Laie verstehen?

Die aktuell weltweit größten Windräder stehen in Gaildorf, 50 Kilometer nordöstlich von Stuttgart. Mit ihren 137 Metern Rotorkreisdurchmesser und bis zu 178 Metern Nabenhöhe haben wir hier Windräder mit einer Gesamthöhe von bis zu 246 Metern und das ist Weltrekord. Die überwiegende Zahl der Windräder in Deutschland ist älter und damit auch kleiner. Aber die Windräder, die neu dazu kommen, spielen in dieser Liga und der Rekord wird nicht lange halten. Der prognostizierte Ertrag der vier Anlagen in Gaildorf beträgt 42 GWh pro Jahr. Wieder mal eine dieser großen, unverständlichen Zahlen!

Nun, 42 GWh sind 42 Millionen Kilowattstunden, also 10,5 Millionen Kilowattstunden pro Windrad im Jahr. Die Einheit Kilowattstunden kennen Sie vermutlich von der Stromrechnung. Pro Familie verbrauchen Sie vielleicht 3000 kWh Strom im Jahr und bezahlen knapp 30 Cent pro Kilowattstunde. Die Zahl von 42 Millionen kWh ist zwar eine beeindruckende Zahl, aber wie groß ist sie wirklich?

Wie funktioniert eigentlich ein Windrad?

Zunächst muss man sich klarmachen, dass Windräder keine Zauberei sind. Und sie erzeugen auch keine Energie, sondern sie wandeln die im Wind enthaltene Bewegungsenergie nur um. Wenn der Wind weht, dann ist Luft in Bewegung. Und die bewegte Luft kann man abbremsen. Der Energieerhaltungssatz sagt uns dann, dass sich die Bewegungsenergie in etwas anderes umwandelt, und darauf sind wir scharf, wir wollen elektrische Energie.

Moderne Windräder schaffen diese Umwandlung mit einem Wirkungsgrad von bis zu 50 %. Das ist ein beeindruckend hoher Anteil, zumal der deutsche Physiker Albert Betz 1919 herausgefunden hat, dass 59 % Effizienz die theoretische Obergrenze darstellen. Aber worauf beziehen sich diese 59 % eigentlich? Sie beziehen sich auf die von den Rotoren überstrichene Fläche, die Rotorkreisfläche. Und die durch diese Rotorkreisfläche strömende Energie kann man zu höchstens 59 % in elektrische Energie verwandeln, das ist damit gemeint.

Nun wird klar, wenn die Rotoren länger werden, dann wird die überstrichene Fläche größer und das einzelne Windrad kann mehr Energie erzeugen. Der Turm und das Fundament müssen dabei allerdings so stabil sein, dass sie dem Druck jederzeit standhalten und nicht umknicken. Aber große Windräder sind trotzdem viel attraktiver, denn man muss weniger Türme bauen. Zudem weht in der Höhe der Wind stärker als am Boden.

Wie viele Windräder bräuchten wir, um den gesamten Strom zu produzieren?

Lassen Sie uns die Gaildorf-Anlage als Standardanlage betrachten, und lassen Sie uns nun ausrechnen, wie viele wir davon bräuchten um den deutschen Strombedarf zu decken. In Deutschland benötigen wir netto pro Jahr etwas mehr als 500 Terrawattstunden Strom, also 500 Milliarden Kilowattstunden. Die Privathaushalte konsumieren ein Viertel davon, drei Viertel benötigt die Industrie und das Gewerbe. 500 Milliarden Kilowattstunden entsprechen übrigens einem durchschnittlichen Verbrauch von 17 kWh pro Person und Tag.

Kommen wir zur entscheidenden Rechnung und teilen wir 500 Milliarden kWh Verbrauch durch 10,5 Millionen kWh Ertrag eines Gaildorf-Windrads und wir erhalten die Antwort auf unsere Frage: 48.000 Anlagen. Lassen Sie uns nicht detailversessen sein, wir haben mit gerundeten Zahlen gerechnet, sagen wir 50.000 Gaildorf-Windräder sind notwendig, um den gesamten deutschen Strombedarf zu decken.

Im Moment stehen wir, wie gesagt bei 30.000 Anlagen, allerdings fast alle deutlich kleiner als die in Gaildorf. Und wir können diese nicht einfach durch größere Anlagen ersetzen, denn oft stehen die Anlagen in geringem Abstand zueinander und wenn wir die Anlagen größer machen, dann benötigt man auch mehr Abstand, damit sich die Anlagen nicht gegenseitig den Wind wegnehmen. Im Augenblick produzieren wir mit den bestehenden Anlagen grob 3,5 kWh Strom pro Person und Tag. Um den gesamten Strombedarf von Deutschland zu decken, müssten wir aber auf 17 kWh kommen, also fünfmal so viel.

Um ein zusätzliches Gefühl zu bekommen, lassen Sie uns die 50.000 Anlagen noch gedanklich gleichmäßig über Deutschland verteilen. Ordnen wir die Anlagen schachbrettförmig an, dann erhalten wir einen Abstand von 2,7 km zwischen den Windrädern. Übrigens noch was, wenn wir stattdessen nur Mikrowindanlagen auf Hausdächern verwenden würden, also Kleinanlagen mit einem Meter Rotordurchmesser, dann bräuchten wir deutlich mehr als eine Milliarde Windräder für denselben Ertrag – verblüffend, oder?

Was sagt uns das?

Vielleicht erwarten Sie von uns jetzt ein Fazit nach dem Motto „50.000 Anlagen wäre ja kompletter Wahnsinn“ oder „ist doch gar kein Problem“. Aber wir wollen diese rechnerische Erkenntnis gar nicht kommentieren. Wir wollen Ihnen ein Gefühl für die Größenordnungen geben, und Sie auffordern, selbst zu entscheiden, ob das realistisch ist oder nicht. Aber das Offensichtliche wollen wir dennoch sagen: Wenn wir es mit der Energiewende ernst meinen, dann müssen wir uns viel mehr anstrengen als bisher, egal ob wir Wind, Sonne oder unseren Energieverbrauch betrachten!

So, nun ist es Zeit wieder in die Zeitmaschine zu steigen und hundert Jahre weiter zu reisen. Ob wir da wohl die Energiewende geschafft haben werden? Falls ja, dann sicher nicht aufgrund des allseits beliebten Mottos „Jeder kleine Schritt zählt“. Denn wenn wir alle nur kleine Schritte unternehmen, schaffen wir am Ende gemeinsam auch nur wenig. Wenig bring wenig, viel bringt viel!

Anmerkung der Autoren:

Am Ende wollen wir noch zwei Punkte erwähnen: wir möchten betonen, dass es uns mit dieser Darstellung darum geht, ein Gefühl für die physikalischen Größenordnungen zu vermitteln – vor allem für Leser, die keine Experten in dem Bereich sind. Selbstverständlich bleiben viele Fragen offen, wie die der Wirtschaftlichkeit oder der technischen Machbarkeit. Unserer Meinung nach ist aber für eine zielführende gesellschaftliche Diskussion über Erneuerbare dieses Verständnis der physikalischen Größenordnungen als Grundlage unabdingbar.

Zudem haben wir in der Rechnung implizit unterstellt, dass der Ertrag aus den Windrädern und die Nachfrage nach elektrischer Energie zeitlich immer schön perfekt zusammenpassen. Das ist aber nicht der Fall und das wirft die Frage nach der Speicherung auf, bzw. wie man sonst mit den Fluktuationen umgehen soll. Das ist nicht unlösbar aber ganz und gar nicht banal!

In unserem Buch “Erneuerbare Energien – ohne heiße Luft” untersuchen wir viele weitere Themen etwas genauer und ausführlicher, aber jederzeit verständlich  www.ohne-heisse-luft.de.

Autoren: Christian Holler, Professor an der Hochschule München, sowie Joachim Gaukel, Professor an der Hochschule Esslingen