Windkraft

 

E   Energie pro Fläche

Die Erträge aus Windkraft sind ebensogroß wie jene aus Solarstrom pro Fläche – mit dem Unterschied, daß die Fläche bei Windenergienutzung weitgehend weiter als Ackerland genutzt werden kann, bei Solarstrom aber nicht.

In einer Studie des Umweltbundesamtes wurde Jahr 2013 das Potenziel der Windenergie an Land wie folgt ermittelt (Seite 43):

2.900 TWh auf einer Fläche von 49.400 km2.

Dies entspricht 2.900 Mrd. kWh / 4.940.000 ha = 587.000 kWh/ha.

Seitdem sind die Windkraftanlagen deutlich grösser geworden – statt 117 Meter Rotordurchmesser sind Anlagen mit 156 Meter Rotordurchmesser und 4 MW verfügbar. Diese Anlagen können in Norddeutschland ca. 16.000.000 kWh erzeugen bei Abständen von 2,5 Rotordurchmessern. Daraus ergeben sich folgende Flächenerträge:

\dfrac {16\times 10^{6}kWh}{\left( 156m\times 2,5\right) ^{2}}\cong 10^{6}\dfrac {kWh}{ha}

Mit wachender Anlagengröße kommt ein weiterer Effekt dazu – anstelle von Windfeldern mit ca. 10 Anlagen werden Einzelstandorte interessanter, welche mit einer großen Anlagen ebensoviel Energie erzeugen, wie früher 10 Anlagen.

Besonders interessant ist in diesem Zusammenhang auch die mit Anlagengrößen im Bereich von 150 Metern Rotordurchmesser deutlich gestiegene Gleichmäßigkeit der Windstromerzeugung.

Während Windkraftanlagen lange Zeit unter 2000 Volllaststunden im Jahr erreichten, sind inzwischen Werte von 4000 Volllastunden auch im Binnenland üblich.

An einem solchen Standort mit einer mittleren Windgeschwindigkeit in 100 Metern Höhe von 6,4 m/s erreicht eine Enercon E70 nur 1.750 Volllastunden, eine Nordex N149 aber bereits 4.300 Volllastunden.

Dafür gibt es 2 Ursachen:

  1. Das Verhältnis von Rotorfläche zu Generatorleistung bei der E70 nur 1,9 – bei der N149 aber 4,0. Die doppelte Fläche pro Leistung führt direkt zum doppelten Ertrag bei gleicher Leistung.
  2. Weiterhin hat die Rechtsverschiebung der Windhäufigkeit, siehe Graphik, einen zusätzlichen Einfluß: der zeitliche Anteil hoher Windgeschwindigkeiten steigt, der niedrigerer Windgeschwindigkeiten verringert sich und insgesamt wird die Verteilungskurve breiter, also gleichmäßiger.

Die Zusammenhänge zeigt folgende Graphik: Die Ernte (Energieproduktion, MWh) einer Windkraftanlage ergibt sich aus der Multiplikation ihrer Leistungskurve (kW) mit der zeitlichen Verteilung der Windgeschwindigkeit (h), hier für beide Anlagentypen dargestellt.

4000 Vlh

Hier die einzelnen Daten dazu:
Anlagentyp: Enercon E70 bzw. Nordex N149
Rotordurchmesser: 70 m bzw. 149 m
Nabenhöhe: 98,5 m bzw. 164 m
Nennleistung: 2,05 MW bzw. 4,38 MW
Jahresertrag: ca. 3600 MWh bzw. ca. 19.000 MWh
Volllaststunden (Jahresertrag/Nennleistung): ca. 1750 bzw. 4.300 Vlh
mittlere Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe:  6,4 bzw. 7,4 m/s
k-Faktor der Weibullverteilung: 2,58 bzw. 2,51

Die Berechnung ist in dieser Datei 4000 Vlh einhalten, wobei die Berechnung der Windhäufigkeitsverteilung nach der Weibullverteilung ermittelt wurde (letztere Rechnung ist nicht enthalten, sondern wurde als bekannt vorausgesetzt).