Höchstes Windrad der Welt ist fertig – Welche Erkenntnisse wird das Forschungsprojekt bringen?

„Die Forschungswindanlage in Schipkau ist ein begrüßenswerter Versuch, mehr über die Möglichkeit der Nutzung des Windpotenzials in größeren Höhen zu erfahren. Es ist aus der Meteorologie wohl bekannt, dass die Windgeschwindigkeit mit der Höhe zunimmt. Der Tagesgang der Windgeschwindigkeit, also die Zu- und Abnahme der Windstärke im Laufe eines Tages, wird in größeren Höhen kleiner, die Windgeschwindigkeit gleichmäßiger. Oberhalb von circa 100 Metern über Grund treten die höheren Windgeschwindigkeiten in der Regel nachts auf. Die Turbulenz der Luft nimmt mit der Höhe leicht ab, was der Lebensdauer der Anlagen zugute kommt.“

„Die genaue Windzunahme mit der Höhe kann entweder an entsprechend hohen Messmasten mit Anemometern direkt gemessen werden, mit auf dem Boden stehenden Fernmessgeräten – wie beispielsweise Windlidaren – indirekt gemessen, oder aus Modelldaten wie denen vom Neuen Europäischen Windatlas (NEWA) entnommen werden (Lidar: Laser-Messgerät zur Bestimmung von Geschwindigkeiten und Abständen; Anm.d.Red.). Um klimatologisch belastbare Daten zu bekommen, sollten eigentlich Messreihen über 30 Jahre vorliegen. Für Schipkau gibt es einjährige Messungen mit einem 300 Meter hohen Mast und mit zwei Windlidaren, deren Auswertung vorliegt. Aus dem NEWA gäbe es Daten, denen 30-jährige Modellsimulationen zugrunde liegen. Ideal wäre eine Kombination aus den kurzfristigen Messdaten und den längerfristigen NEWA-Modelldaten.“

„In den vorliegenden einjährigen Mastmessungen ist die höchste beobachtete Windgeschwindigkeit in 300 Metern Höhe circa 26 Meter pro Sekunde oder 94 Kilometer pro Stunde. In einem 30-Jahreszeitraum dürften aber deutlich höhere Extremwindgeschwindigkeiten auftreten, die beispielsweise aus den NEWA-Daten ermittelt werden könnten. Ich schätze, dass diese Windextreme bei circa 35 Metern pro Sekunde oder 125 Kilometern pro Stunde liegen dürften. Die technischen Richtlinie IEC 61400 und die DiBt-Richtlinie für Windkraftanlagen sind konservativ formuliert, so dass sie die in Schipkau zu erwartenden Lastfälle sicher abdecken, wenn die in ihnen formulierten Regeln eingehalten werden.“

„Die Hoffnung auf einen höheren Ertrag ist gerechtfertigt, die veröffentlichten Zahlen sind plausibel. Die vorliegenden einjährigen Mastmessungen zeigen, dass die mittlere Windgeschwindigkeit in 300 Metern Höhe knapp 28 Prozent höher liegt als in 150 Metern Höhe (8,51 Meter pro Sekunde statt 6,66 Meter pro Sekunde). Damit liegt der erwartete Energieertrag um circa 63 Prozent höher (36,6 Gigawattstunden (GWh) statt 22,4 GWh). Der Kapazitätsfaktor – der Wert für die Auslastung einer Windanlage im Jahr – in 300 Metern Höhe liegt bei 43,8 Prozent statt 26,8 Prozent. Die Stillstandzeiten einer Windanlage würden von 12,3 Prozent auf 9,7 Prozent der gesamten Zeit sinken [V].“

„Die Zahlen für Ertrag, Kapazitätsfaktor und Stillstandzeiten beziehen sich auf eine in der Auswertung angenommene 9,5 Megawatt (MW)-Anlage. Die jetzt in Schipkau gebaute 3,8 MW-Anlage wird bei nahezu gleichem Rotordurchmesser wie die 9,5 MW-Anlage einen zwar geringeren Ertrag haben aber einen höheren Kapazitätsfaktor und eine noch geringere Stillstandzeit – genaue Zahlen liegen mir nicht vor. Gicon (das Unternehmen, das die Anlage baut; Anm. d. Red.) gibt lediglich circa 40 Prozent Mehrertrag gegenüber einem Normalwindturm an.“

„Gicon schätzt, dass eine Serienanlage gut zehn Mal teurer als eine Normalanlage wird – 10,8 Millionen statt 1 Millionen Euro – aber nur zwei Drittel so teuer wie die jetzige Versuchsanlage [VI]. Allerdings sind die Höhenwindanlagen nicht als alleinige Anlagen gedacht, sondern als Zubau in bereits bestehenden Windparks mit Normalanlagen, um den Windertrag in zwei Höhen gleichzeitig abzugreifen.“

„Trotzdem ist aus dem mir vorliegenden Material eine direkte Wirtschaftlichkeit nicht abzuleiten, da die Baukosten wesentlich stärker mit der Höhe über Grund steigen als die zu erwartenden Erträge. Allerdings ist die wesentlich gleichmäßigere Stromerzeugung der Höhenwindtürme ein Vorteil für die Netzbetreiber, da die eingespeiste Strommenge deutlich weniger schwankt und damit der Regelungsaufwand sinkt und die Planbarkeit steigt.“

„Es ergibt sich mit Höhenwindtürmen eine Option zur Erhöhung der Erträge, wenn keine weiteren Flächen für Windkraft mehr zur Verfügung stehen sollten. Dieser von Gicon angedachte Zusatznutzen ergibt sich jedoch nur für kleinere Windparks. Bei sehr großen Windparks, deutlich mehr als zehn mal zehn Normalwindanlagen unten und ebenso viele Höhenwindanlagen, würden die Erträge der unteren Windanlagen stark unter den Nachläufen (wakes) der oberen Windkraftanlagen leiden.“

„Die Länge der wakes von Windanlagen hängt stark vom Rotordurchmesser aber kaum von der Nabenhöhe ab. Die horizontalen Abstände von onshore-Höhenwindanlagen sollten daher mindestens fünf bis sechs der Höhenwindanlage Rotordurchmesser betragen.“

„Zusammenfassend kann man sagen, dass die Anlage in Schipkau neue Erkenntnisse zur Höhenwindnutzung und zur Bautechnik bringen wird. Netzbetreiber würden von vielen Höhenwindanlagen sicher profitieren. Die Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen ist allerdings derzeit noch nicht abschätzbar.“

„Physikalisch bedingt wird ein Höhenwindrad mit einer Nabenhöhe von 300 Metern tatsächlich einen höheren Ertrag liefern als ein konventionelles Windrad. Der Grund ist, dass der Wind in niedrigen Höhen durch den Boden gebremst wird, in 300 Metern Höhe hingegen spielt dieser Einfluss nahezu keine Rolle mehr. Weil raue Bodenoberflächen den Wind stärker abbremsen, dürften Höhenwindanlagen insbesondere in bewaldeten Regionen die größten Vorteile haben – vorausgesetzt natürlich, die Standorte sind grundsätzlich für Windkraft geeignet.“

„Die Messdaten aus Schipkau bestätigen eine je nach Monat um etwa 15 bis 39 Prozent höhere mittlere Windgeschwindigkeit in 300 Metern Höhe gegenüber modernen konventionellen Windrädern auf 150 Meter. Besonders deutlich ist der Vorteil im Winter, was interessant ist für unser Energiesystem, weil in dieser Jahreszeit weniger Solarstrom produziert wird.“

„Aus den Mittelwerten lässt sich die Windenergie nur grob abschätzen, weil sie aber sehr viel stärker zunimmt als die Geschwindigkeit, läge der Unterschied auf 300 Metern gegenüber 150 Metern Höhe in Schipkau je nach Monat bei etwa 60 bis 170 Prozent. Dieser Vorteil, insbesondere im Winter, wird sich jedoch nicht vollständig in tatsächliche Stromerzeugung umsetzen lassen, denn Windturbinen können nicht alle Windgeschwindigkeiten voll nutzen. Der genaue Ertrag lässt sich anhand monatlicher Werte nicht berechnen, dazu müsste bekannt sein, wie oft welche Windgeschwindigkeiten genau auftreten. Ein elektrischer Mehrertrag von rund 60 Prozent, wie er für die Höhenwindanlage genannt wird, erscheint auf Grundlage der Messdaten aber grundsätzlich plausibel.“

„Die von der Bundesregierung genannten spezifischen Baukosten liegen aktuell noch fast vier mal so hoch wie für ein ‚normales‘ Windrad im Jahr 2025. Wenn man den genannten Mehrertrag in 300 Metern Höhe an diesem Standort berücksichtigt, müssten die Kosten pro Kilowatt um etwa 60 Prozent der genannten Kosten fallen, um vergleichbare Stromgestehungskosten zu heutigen Turbinen zu erreichen.“

„Für eine belastbare Aussage ist es aktuell allerdings noch zu früh, denn die Kosten dieses ersten Prototyps mit vergleichsweise niedrigen 3,8 Megawatt (MW) Leistung sind nicht repräsentativ. Bereits eine leistungsstärkere Turbine, wie sie heute typisch ist, könnte die Kosten des Turms pro Kilowatt um bis zu ein Drittel senken, zusätzlich zu den Einsparpotenzialen durch Massenproduktion und Standardisierung. Als Beispiel sei der erste Prototyp eines Offshore-Windrades in Schweden im Jahr 1990 erwähnt, eine Untersuchung der Regierung nannte damals 50 Prozent erwartete Kostensenkung durch die Serienproduktion. Die Zahlen kann man nicht direkt vergleichen, aber größenordnungsmäßig ist das Ziel also realistisch, wenn das Konzept wirklich in Serie geht.“

„Weil die Länge von Wirbelschleppen vom Rotordurchmesser abhängt und das Höhenwindrad in Schipkau noch eine konventionelle, relativ kleine Turbine hat, wären die Mindestabstände in Hauptwindrichtung mit circa einem Kilometer nicht höher als bei konventionellen Windrädern. Später steht zu erwarten, dass die Rotoren wachsen werden, dann steigt der nötige Abstand entsprechend linear.“

„Interessant ist aber der Aspekt, dass sich das Höhenwindrad mit der gesamten Rotorfläche oberhalb der Rotorspitzen konventioneller Windräder befindet. Damit wird es nicht von der Wirbelschleppe konventioneller Windräder getroffen und umgekehrt, und benötigt entsprechend wenig Abstand zu niedrigeren Windrädern. Das erlaubt, Höhenwindräder zwischen jeweils zwei konventionelle Windräder zu platzieren und so die installierte Leistung pro Fläche zu verdoppeln, indem man sozusagen zwei Windparks übereinander baut. Das ginge sogar nachträglich und ist unabhängig von den Kosten attraktiv angesichts begrenzter Flächenverfügbarkeit für Windkraft in einem dicht bevölkerten Land wie Deutschland.“

„Noch zu analysieren wäre, wie sich die viel weiter sichtbaren Höhenwindräder mit ihrer nahezu doppelten Höhe und der speziellen Turmkonstruktion auf die Akzeptanz durch die Bevölkerung auswirken, speziell in landschaftlich als schön wahrgenommenen Regionen. Klar ist aber bereits: Sie werden aufgrund von Abstandsvorgaben für einige Schutzgüter nicht überall gebaut werden können, wo heutige Windräder möglich sind. Ob beispielsweise eine ‚optische Bedrängung‘ vorliegt, wird in Deutschland regelmäßig von Gerichten angesichts des Verhältnisses zwischen dem Abstand und der Gesamthöhe entschieden. Das bedeutet, dass ein nahezu doppelt so großes Höhenwindrad teils auch doppelt so große Mindestabstände einhalten muss, was die Potenzialflächen stark reduziert; es heißt aber auch, dass niemand in Zukunft mit einem solchen Höhenwindrad in unmittelbarer Nachbarschaft seines Wohnhauses rechnen muss.“

Dem Statement lagen die Quellen [III] und [V] sowie [1] [2] [3] [4] zugrunde.

„Das Projekt ist in erster Linie ein Innovations- und Forschungsprojekt. Das Wichtigste ist daher der Erkenntnisgewinn. Es werden wertvolle Daten und Erfahrungen gesammelt, um solche Technologien künftig umsetzen zu können.“

„Meteorologisch ist dieser Teil der atmosphärischen Grenzschicht allerdings noch wenig erforscht. Die unteren rund 150 Meter kennen wir durch viele Messungen und die Erfahrung aus zahlreichen Windparks gut. Darüber wird das Bild deutlich komplexer: Gerade nachts, bei stabiler Schichtung, entkoppeln sich die oberen Luftschichten vom Boden. Dort können sich sogenannte Low-Level-Jets – Starkwindbänder, bilden.“

„Low-Level-Jets können den Ertrag deutlich steigern. Sie bringen aber auch starke Windscherung und Windrichtungsänderung über die Rotorfläche mit sich. Das beeinflusst sowohl den tatsächlichen Energieertrag als auch die Belastungen der Anlage. Der tatsächliche Mehrertrag und die Belastung müssen sich daher im Betrieb über längere Zeit durch Messungen bestätigen – genau hier liegt der große wissenschaftliche Wert der Pilotanlage.“

„Eine weitere Idee hinter diesem Konzept ist, dass man Windenergieanlagen mit unterschiedlichen Nabenhöhen miteinander kombinieren kann, diese führt zu einer effizienteren Nutzung der verfügbaren Fläche.“

„Technisch ist das Projekt eine große Herausforderung, vor allem logistisch – angefangen damit, die Anlage überhaupt auf diese Höhe zu bringen. Auch Wartung und Betrieb sind anspruchsvoll, zum Beispiel wie man den Großkomponententausch realisieren kann. Ich halte diese technischen Herausforderungen aber für lösbar. Die Erfahrungen, die durch das Projekt gesammelt werden, sind daher sehr wertvoll.“

„Die Schallausbreitung hängt stark von der atmosphärischen Stabilität, der Turbulenz und der Windscherung ab. Temperatur- und Windgradienten können Schallwellen zum Boden hin oder vom Boden weg beugen. Die etablierten vereinfachten Prognoseverfahren wurden für deutlich niedrigere Nabenhöhen entwickelt und validiert. Das Projekt kann neue Erkenntnisse darüber liefern, wie sich die Schallausbreitung in dieser Höhe in der Praxis verhält. Es muss aber nochmals betont werden, dass es um ein Vorzeigeprojekt geht, das wichtige Erkenntnisse für die Nutzung der Windenergie auf großer Höhe gewinnen wird.“