Windenergie | springerprofessional.de

Springer Professional

Top

2009 | Book

Read chapter Read first chapter

Windenergie

Zuverlässige Integration in die Energieversorgung

Authors: Prof. Dr. Lorenz Jarass, Prof. Dr. Gustav M. Obermair, Wilfried Voigt

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

Login to get access

About this book

Die Windenergie leistet in Deutschland schon heute einen großen Beitrag zum Klimaschutz und zur Unabhängigkeit von fossilen und nuklearen Brennstoffen. Bis 2030 sollen onshore und offshore mehr als 50 GW Windkraftwerke installiert sein, aber nur noch 20 GW Kohlekraftwerke und keine Kernkraftwerke. Das Buch analysiert die systemtechnischen und ökonomischen Aspekte dieses Totalumbaus des elektrischen Energiesystems unter Berücksichtigung des deutschen und des europäischen Energierechts. Hauptthemen hierzu sind: Optimierung der Windenergieanlagen und ihrer Netzanbindung, Ausbau der Stromnetze mit neuen umweltschonenden Techniken, Ausgleich der großen Fluktuationen des Windenergieangebots durch andere regenerative oder CO2-arme Energieträger, vom Markt bewirkte Verdrängung kohlebefeuerter Großkraftwerke. Mit neu entwickelten Optimierungsmethoden bietet das Buch Grundlagenwissen für Forschung und Lehre und versorgt Entscheidungsträger in Energiewirtschaft, Politik und Verwaltung mit fundiertem Wissen.

Advertisement

Table of Contents

Frontmatter

Teil 0

Kapitel 1. Abkehr von fossilen Brennstoffen: Probleme, Ziele und Lösungsansätze

Zusammenfassung

Schon vor einigen Jahren schlug Lord Browne, der damalige Chef des Konzerns „British Petroleum“, als neue Fassung für den weltbekannten Kurznamen BP den Namen „Beyond Petroleum“ vor. Damit hat er in zwei Wörtern eines der vordringlichsten Ziele benannt, das von der Weltwirtschaft bis zur Mitte dieses Jahrhunderts erreicht werden sollte: eine drastische Verringerung des Einsatzes fossiler Energieträger und der damit verbundenen Emission des Treibhausgases Kohlendioxid.

Lorenz Jarass, Gustav M. Obermair, Wilfried Voigt

Grundlagen der Erzeugung und Übertragung von Windenergie

Frontmatter

Kapitel 2. Physikalisch-technische Grundlagen der Windenergienutzung

Zusammenfassung

Wie fast alle auf der Erde verfügbaren Energieformen ist auch Windenergie eine abgeleitete Form von Sonnenenergie. Die unterschiedliche Erwärmung der Erdatmo-sphäre durch die Einstrahlung der Sonne auf verschiedene Gebiete der Erdoberfläche führt zu Dichte- und Druckunterschieden, die in fluktuierenden Luftströmungen auf allen Längen- und Zeitskalen von Metern bis zu Tausenden von Kilometern und von Sekunden bis zu Wochen und Monaten ihren Ausgleich suchen.

Lorenz Jarass, Gustav M. Obermair, Wilfried Voigt

Kapitel 3. Wind als stochastische Energiequelle

Zusammenfassung

Die Windstärke und damit die mögliche Windenergieproduktion in Nordwesteuropa zeigt einen irregulären zeitlichen Verlauf mit sehr großen und raschen Fluktuationen, der durch statistische Größen wie Häufigkeitsdichten, Verteilungsfunktionen oder „Leistung-Dauer-Kurven“ charakterisiert werden kann.

Lorenz Jarass, Gustav M. Obermair, Wilfried Voigt

Kapitel 4. Versorgungssicherheit im Stromnetz bei hoher Windenergieeinspeisung

Zusammenfassung

Bei der Übertragung von elektrischer Energie aus Wind kann man dieEntsorgungssicherheit im öffentlichen Netz sehr viel kleiner halten als dieVersorgungs-sicherheit der Stromverbraucher, weil man die Einspeisung der Windenergieanlagen im Netzstörfall kurzfristig zurückregeln kann im Gegensatz zur Nachfrage der Stromverbraucher. Bei einer windbedingten Erhöhung der Übertragungsleistung des Netzes ist nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz ein Leitungsneubau nur dann wirtschaftlich zumutbar, wenn die kostengünstigeren Lösungen Netzoptimierung (z.B. durch Temperaturmonitoring) und Netzverstärkung (z. B. durch Hochtemperaturseile) nicht ausreichen.

Lorenz Jarass, Gustav M. Obermair, Wilfried Voigt

Windenergieausbau

Frontmatter

Kapitel 5. Systematische Berücksichtigung von externen Kosten: Erneuerbare-Energien-Gesetz

Zusammenfassung

Das Erneuerbare-Energien-Gesetz mit seinen Kernregelungen der festen Ein-speisevergütungen und der Abnahmeverpflichtung des erzeugten Stromes ist ökonomischer Garant für den weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien. Angesichts der Verhältnisse in der deutschen Stromwirtschaft mit dem massiven Angebotsdruck eines oligopolistisch organisierten und weitgehend abgeschriebenen Großkraftwerksparks war und ist dieser Ansatz des Gesetzgebers ohne ernsthafte Alternative. Das Erneuerbare-Energien-Gesetz hat sich mittlerweile zum Exportschlager entwickelt, ähnliche Gesetze wurden in vielen Ländern eingeführt, die ebenfalls den Ausbau der erneuerbaren Energien vorantreiben wollen.

Lorenz Jarass, Gustav M. Obermair, Wilfried Voigt

Kapitel 6. Windenergieausbau und Verwaltungsverfahren

Zusammenfassung

Die auch im weltweiten Vergleich beeindruckende Windenergieentwicklung in Deutschland war nur möglich durch zielführende Rechtsnormensetzung, gerade auch im Bereich der Genehmigungsverfahren und der Flächenausweisungen. Die rapide Entwicklung des Onshore-Windenergieausbaus mit rund 24 GW installierter Leistung Ende 2008 zeigt dies ebenso wie der Offshore-Windenergieausbau, der nach aufwändigem Genehmigungsverfahren für die ersten 8 GW seit 2009 anläuft. Verschiedenste Interessengegensätze wurden soweit überwunden, dass der Rechtsrahmen auch für den windenergiebedingten Ausbau der Stromnetze und für die kostenaufwändige Offshore-Netzanbindung mittels Höchstspannungsseekabeln geschaffen werden konnte. Die so erreichbaren positiven Gesamtwirkungen des Ausbaus der Windenergie belegt nicht zuletzt die wirtschaftliche Entwicklung in Schleswig-Holstein, dem Pionierland der Windenergie.

Lorenz Jarass, Gustav M. Obermair, Wilfried Voigt

Kapitel 7. Windenergie in Deutschland, Europa und weltweit

Zusammenfassung

Die Windenergie ist in Deutschland, Europa und weltweit der erneuerbare Ener-gieträger, der die mit Abstand größte Ausbaudynamik aufweist. Die deutschen Ausbauplanungen können bis zum Jahr 2030 zur Installation von bis zu 60 GW installierter Leistung führen. Dieses setzt sowohl die Fortschreibung und Weiterentwicklung geeigneter Rahmenbedingungen als auch die Lösung teilweise noch anstehender Probleme, v. a. bei der Offshore-Windenergie, voraus. Auch andere europäische Länder, wie z. B. Spanien oder Großbritannien, verfolgen ehrgeizige Windausbaupläne – onshore wie offshore. Die weltweite Dynamik nimmt ebenfalls zu, was die Entwicklung in großen Schwellenländern wie China und Indien ebenso zeigt wie die jüngere Entwicklung in den USA und Kanada. Die Windenergienutzung entwickelt sich so zu einem zentralen Eckpfeiler klimaschonender Stromversorgung und kann als eines der positiveren Beispiele globaler Entwicklung gelten.

Lorenz Jarass, Gustav M. Obermair, Wilfried Voigt

Optimierung des Windenergieausbaus

Frontmatter

Kapitel 8. Grundlagen der Optimierung: Nutzen versus Kosten

Zusammenfassung

Ein Investor oder eine ganze Gesellschaft wird sich für den Einsatz einer bestimmten Technik entscheiden, wenn der damit erzielbare Nutzen höher ist als die dafür zu erbringenden Kosten. Darüber hinaus muss die Rendite der Investition, also das Verhältnis von Nettoertrag zu Kapitaleinsatz, nicht nur positiv sein, sondern mindestens so hoch wie die für Investitionen mit vergleichbarem Risiko erzielbare typische Rendite. Für Investitionen in Windenergie werden Kosten und Nutzen abgeschätzt.

Lorenz Jarass, Gustav M. Obermair, Wilfried Voigt

Kapitel 9. Optimierung von Windenergieanlagen

Zusammenfassung

Seit 1980 wurden die Windenergieanlagen drastisch vergrößert: Die typischen Turmhöhen stiegen von 30 m auf bis zu 120 m, wodurch wesentlich höhere und gleichmäßigere Windgeschwindigkeiten genutzt werden können. Die installierte Generatornennleistung stieg von rund 30 kW auf mittlerweile bis zu 6.000 kW. Der Rotordurchmesser stieg von rund 15 m auf bis zu 127 m, was die für die jährliche Windenergieproduktion entscheidende Rotorkreisfläche von knapp 200 m² auf über 12.000 m² erhöhte.

Lorenz Jarass, Gustav M. Obermair, Wilfried Voigt

Kapitel 10. Optimierung der Übertragung von Windenergie

Zusammenfassung

Die Netzbetreiber sind gesetzlich zur unverzüglichen Erhöhung der Übertragungsleistung („Netzausbau“) für erneuerbare Energien verpflichtet, allerdings nur, soweit dies (volks)wirtschaftlich zumutbar ist. Diese Anweisung zu einer gewissen Beschränkung des windbedingten Netzausbaus drückt eigentlich nur die wirtschaftliche Selbstverständlichkeit aus, dass für die wenig Energie erbringenden sehr seltenen kurzen Spitzen der Windleistung keine teure zusätzliche Übertragungskapazität von den Stromkunden bezahlt werden muss.

Lorenz Jarass, Gustav M. Obermair, Wilfried Voigt

Optimierung des gesamten Kraftwerkssystems bei hohen Windenergieanteilen

Frontmatter

Kapitel 11. Struktur und Entwicklung des Kraftwerksparks: Zielvorgaben und Szenarien

Zusammenfassung

Bis etwa 2000 bestand in Deutschland eine Dominanz von Großkraftwerken auf Kohle- und Uranbasis. Diese Grundlastkraftwerke machten zwei Drittel der installierten Leistung aus und lieferten mehr als vier Fünftel der elektrischen Energie. Die von der Bundesregierung vorgegebenen, großteils gesetzlich festgeschriebenen Ziele des Klimaschutzes und einer verringerten Abhängigkeit von fossilen und nuklearen Brennstoffen sehen schon für die nächsten 20 Jahre schrittweise einen drastischen Wandel vor: Bis 2023 soll das letzte Kernkraftwerk abgeschaltet sein, Erzeuger erneuerbarer Energien sollen bis 2025 50% der installierten Generatorleistung ausmachen (davon wiederum die Hälfte Windenergie), in 2050 über 80%, weitere 15% sollen dann auf dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung entfallen.

Lorenz Jarass, Gustav M. Obermair, Wilfried Voigt

Kapitel 12. Entwicklung des Kraftwerkssystems bei über 50 GW Windleistung

Zusammenfassung

Im Energieprogramm der Bundesregierung ist eine Erhöhung der installierten Leistung von Windenergieanlagen von rund 25 GW in 2008 auf knapp 50 GW in 2025 und bis zu 70 GW in 2040 festgeschrieben. Dadurch wird Zug um Zug eine durchgreifende Änderung des gesamten Kraftwerkssystems notwendig. Erforderlich ist v. a. der Ausgleich der raschen und starken Schwankungen des Windenergieangebots durch Nachfrage- und Angebotssteuerung und den Einsatz einer großen Anzahl von kleinen und mittelgroßen rasch regelbaren neuen Reservekraftwerken, zu deren Betrieb neben Erdgas zunehmend auch ins Gasnetz eingespeistes Biogas beitragen kann. Bewährte und neue Speicher für elektrische Energie werden dabei eine wachsende Rolle spielen.

Lorenz Jarass, Gustav M. Obermair, Wilfried Voigt

Backmatter

Title: Windenergie
Authors: Prof. Dr. Lorenz Jarass
Prof. Dr. Gustav M. Obermair
Wilfried Voigt
Copyright Year: 2009
Publisher: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-540-85253-7
Print ISBN: 978-3-540-85252-0
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-540-85253-7