Table Of ContentWindenergie
2., vollsta¨ndig neu bearbeiteteAuflage
Lorenz Jarass
Gustav M. Obermair
Wilfried Voigt
Windenergie
Zuverla¨ssige Integration
in die Energieversorgung
2., vollsta¨ndig neu bearbeiteteAuflage
2123
Prof.Dr.LorenzJarass
Rhein-Main-UniversityWiesbaden
Dudenstr.33
65193Wiesbaden
www.JARASS.com
Prof.Dr.GustavM.Obermair
RiversidePlot124
P.O.Box8141
Swakopmund,Namibia
WilfriedVoigt
Brückenstr.29
24148Kiel
ISBN978-3-540-85252-0 e-ISBN978-3-540-85253-7
DOI10.1007/978-3-540-85253-7
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(cid:2)c Springer-VerlagBerlinHeidelberg1980,2009
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987654321
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Vorwort
Im Jahr 1981 erschien im Springer-Verlag unser erstes Buch „Windener-
gie“ als Ergebnis eines fu¨r die Internationale Energieagentur durchgefu¨hrten
Forschungsvorhabens.UmzumeinendieKontinuita¨tderFragestellungen,zuman-
deren aber auch den seither erreichten technischen Fortschritt und die inzwischen
verwirklichtenErwartungenzuverdeutlichen, seihierausdemdamaligenVorwort
zitiert:
„DieKraftunddieLaunenderWindesindindieMythenderMenschheitebenso
eingegangen wie in die Geschichte der Technik: launische Go¨tter, Sinnbild von
WechselhaftigkeitundDauerzugleich.Unddoch:nachjedemScheiterndieseKra¨fte
erneutlistenreichzuza¨hmen, imBu¨ndnismitderNaturderNaturzuwiderstehen,
dasmachtdenOdysseusaus,InbegriffdesMenschen,dernichtnurduldet,sondern
auchhandelt.
ErstmitderErschließungderu¨ppigenfossilenEnergietra¨gerinderindustriellen
Revolution werden fu¨r fast zwei Jahrhunderte die Windkra¨fte aus dem Blickfeld
verdra¨ngt. Dochheute, dadieprinzipielleBegrenztheitfossilerRohstoffeerstmals
weltweitbewusstwird,dabeifossilenwiebeinuklearenEnergietra¨gerndieUmwelt-
belastung durch Immissionen und Abwa¨rme wachsenden Widerstand hervorruft,
steht die Frage nach unerscho¨pflichen und „sauberen“ Energiequellen wieder im
Vordergrund des Interesses; beide Merkmale, Unerscho¨pflichkeit und ein ver-
gleichsweisegeringeso¨kologischesBelastungspotenzial,kommendemWindgewiss
zu.
Bleibt die alte Frage nach der Kraft und den Launen derWindgo¨tter, nach der
Gro¨ße des Windangebots und nach seiner Zuverla¨ssigkeit; technisch gesprochen:
nach dem natu¨rlichen und dem technisch und wirtschaftlich nutzbaren Potenzial
derWindenergieineinembestimmtenLand, nacheinemmo¨glichenAusgleichder
SchwankungendiesesAngebotsdurchtechnischeundorganisatorischeMaßnahmen,
nachderKonkurrenzfa¨higkeitunddemvolkswirtschaftlichenWertderEnergiequelle
Wind.“ Weiter heißt es im Vorwort vor 28 Jahren: ... es werden „Fragen der
folgendenArtbehandelt:
– AnwelchenStandorten,imWesentlichenwohlimnorddeutschenKu¨stenbereich,
besteht u¨berhaupt Aussicht auf wirtschaftlich tragbare Stromerzeugung aus
Windenergie?Wasla¨sstsichu¨berStandorteimLandesinnerenaussagen?
v
vi Vorwort
– Welches Gesamtpotenzial der Stromerzeugung aus Wind ist damit fu¨r die
Bundesrepublikabscha¨tzbar?
– Wie ist der Realzeitverlauf der Gesamtwindenergieerzeugung eines u¨ber die
genannteRegionverteiltenVerbundsvonWindturbinenu¨bervieleJahre?Welche
Schwankungen,Ausfallzeitenetc.derProduktionergebensich?
– LassensichdurchentsprechenderegionaleundlokaleVerteilungendereinzelnen
Windturbinen Verbesserungen dieser Windenergieangebotsstruktur hinsichtlich
geografischerDichtederEnergieerzeugungeinerseits,hinsichtlichverbessertem
AusgleichvonSchwankungenandererseitserzielen?
– WelchesistderEffekteinerEinspeisungdiesesinseinemRealzeitverlaufbekann-
tenAngebotsindaswestdeutscheVerbundsystem?WelcherKapazita¨tseffekt,d.h.
welcheSubstitutionsmo¨glichkeitvonkonventionellenKraftwerken, ergibtsich?
WelcheBrennstoffeinsparungergibtsich?“
Soweit zum Vorwort unseres 1981 vero¨ffentlichten Buches „Windenergie“. Die
ListederdortaufgeworfenenFragenisterstaunlichaktuell,auchwenndamalsnoch
niemandanOffshore-WindenergieanlagenundaneineStrombo¨rsedachte.
DieDimensionendesdamalsvonL.Jarassmit3MWinstallierterLeistungund
100 m Rotordurchmesser mitentworfenen GROWIAN wurden nach 25 Jahren in-
tensiver technischer Entwicklung im Jahr 2005 wieder erreicht, diesmal aber mit
Betriebszeitenvon(hoffentlich)vielenJahren,nicht–wiebeiGROWIAN–vonnur
wenigenStunden.
U¨berraschend viele Ergebnisse des damaligen (noch mit Lochkartentechnolo-
gie ausgewerteten) Simulationsmodells zur Integration von Windenergie in die
Stromversorgung wurden durch Untersuchungen der letzten Jahre besta¨tigt, ins-
besonderezurHo¨heundArtderBrennstoffeinsparung,zurProblematikvonreinen
Windenergiespeichern und zur unabdingbaren Notwendigkeit der Einbindung der
WindenergieindasgesamteStromversorgungssystem.
NochnichtabsehbarwardamalsoffenbardieKontroverseumdenUmfangund
dieKostendeserforderlichenAusbausdesStromnetzes.Seithergibteswachsenden
Widerstand in der Bevo¨lkerung gegen weitere Eingriffe in Natur und Landschaft,
nichtnurdurchdieinmanchenRegionenbiszumHorizontreichendenReihenvon
Windturbinen,mehrnochdurchlangeneueHoch-undHo¨chstspannungsleitungen,
die–jedenfallsnachAngabenderNetzbetreiber–zurU¨bertragungvonWindenergie
zudenVerbrauchszentrenerforderlichsind,einesderProbleme,dieindiesemBuch
ausfu¨hrlichbehandeltwerden.
Die Entwicklung der Windenergienutzung in Deutschland gilt weltweit als Er-
folgsgeschichte.BeiderDarstellungderentscheidendenFaktorenunderforderlichen
Rahmenbedingungen fu¨r diese positive Entwicklung konnten wir auf die umfang-
reichenKenntnisseundErfahrungenvonW.Voigtzuru¨ckgreifen,deralszusta¨ndiger
Staatssekreta¨rinSchleswig-Holsteinvon1996bis2005dieEntwicklungaufallen
Ebenenkonkretmitvorangetriebenundgestaltethat.
In diesem Buch wird verdeutlicht, dass die bisherige und auch die parteipoli-
tisch einvernehmlich beschlossene weitere Entwicklung der Windenergie keine
Selbstversta¨ndlichkeit ist, sondern oftmals durch massive Interessenkonflikte
Vorwort vii
gepra¨gtwurdeundwird.DieszeigtsichauchbeianderenzentralenThemendieses
Buches:
• diefu¨hrendeRollederWindenergiebeiderErreichungderKlimaschutzzieleund
einerverringertenAbha¨ngigkeitvonfossilenundnuklearenEnergietra¨gern;
• die technische und o¨konomische Optimierung der Windenergieanlagen und
der beno¨tigten Stromu¨bertragungssysteme auf der Grundlage von bewa¨hrten
Optimierungsverfahren;
• der notwendige Umbau des gesamten Kraftwerkssystems, in dem hohe
Anteile stark schwankender erneuerbarer Energie mit rasch regelbaren Re-
servekraftwerkenzusammenwirkenmu¨ssen.
DieErgebnisseeinerdazufu¨rdasBundesministeriumfu¨rUmwelt,Naturschutzund
Reaktorsicherheitdurchgefu¨hrtenUntersuchungzurwirtschaftlichenZumutbarkeit
desNetzausbausfu¨rWindenergiesowieeineReihevonweiterenvonunsvorgelegten
wissenschaftlichenGutachtenundVero¨ffentlichungenwerdenimvorgelegtenBuch
entsprechend beru¨cksichtigt. Ebenfalls neu und in den na¨chsten Jahren sicher im
Vordergrund stehend sind die hier behandelten technischen und wirtschaftlichen
ProblemederOffshore-Windenergie, derenLo¨sungVoraussetzungfu¨rdenAufbau
großerWindparksindenku¨stenfernenGebietenderNord-undOstseebilden.
Bei den anstehenden strukturellen Umwa¨lzungen von Energieumwand-
lung (massiver Windenergiezubau) und Energieverteilung (Stromnetze) ist die
gesamtwirtschaftliche Kostenoptimierung von besonderer Bedeutung. Die Ein-
speisung von Windenergie, von anderen erneuerbaren Energien sowie von
Kraft-Wa¨rme-Kopplung erlaubt eine Nutzung von schwer regelbaren Grund-
lastkraftwerkeninimmerwenigerFa¨llen,deshalbsinkenderenVolllaststundenweit
unter5.000proJahrab.Damitsindzuku¨nftigneueGrundlastkraftwerkenichtmehr
wirtschaftlichbetreibbar,weilsieihreZins-undTilgungszahlungennichtmehrer-
wirtschaftenko¨nnen.Fu¨rdie(v.a.aufKohlebasis)geplantenneuen,nichtregelbaren
GrundlastkraftwerkegibtesdeshalbkeinewirtschaftlicheZukunft.
Insgesamtzeichnetsichderzeitfu¨rdieIntegrationderWindenergieindieEner-
gieversorgung eine positive Entwicklung ab: Der ordnungspolitische Rahmen,
der durch nationales Recht (Erneuerbare-Energien-Gesetz, Atomausstiegsgesetz)
und europa¨ische Richtlinien (Stromrichtlinie, CO -Abgaben) gesetzt ist, wird den
2
skizzierten Umbau des gesamten Systems der Stromerzeugung und -verteilung
aufgrundderMarktkra¨ftevorantreiben.
WirbedankenunsbeiMRU.PaschedagundT.Falk,beideBMU,Berlin,sowie
bei Dr. J. Nitsch, DLR Stuttgart, und Prof. H. Brakelmann, Universita¨t Duisburg-
Essen,fu¨rdieUnterstu¨tzungunsererArbeiten;beiProf.D.Schulzfu¨rdieDurchsicht
derAbschnittezuthermischenKraftwerken;beistud.jur.L.Jarassfu¨rdieMithilfe
beiderErstellungvonTabellenundGrafikenundbeiDipl.VolkswirtinA.Jarassfu¨r
dieLektorierungdesBuches.
21.Oktober2008 L.Jarass,Wiesbaden
G.M.Obermair,Swakopmund/Namibia
W.Voigt,Kiel
Inhalt
U¨berblickundEinfu¨hrung ......................................... xv
1 AbkehrvonfossilenBrennstoffen:Probleme,ZieleundLo¨sungsansa¨tze 1
1.1 Probleme fossiler Energietra¨ger: abnehmende Ressourcen,
zunehmendepolitischeAbha¨ngigkeit,Klimawandel ............. 1
1.1.1 Energiepreisentwicklung ............................. 3
1.1.2 Abha¨ngigkeitundErpressbarkeitEuropas ............... 5
1.2 ZieleundMaßnahmenzurLo¨sungdesKlimaproblems .......... 6
1.2.1 EffizienzsteigerungenundEinsparungen ................ 7
1.2.2 ErneuerbareundnachwachsendeEnergie ............... 8
1.2.3 NukleareOptionen .................................. 9
1.2.4 Kohlendioxid-Ru¨ckhaltung ........................... 11
1.3 Leitszenarienfu¨rzuku¨nftigeEnergiestrukturen ................. 12
1.3.1 Wie sind dieAussichten, die Energie- und Klimaziele
zuerreichen? ....................................... 12
1.3.2 StromerzeugunginDeutschlandbis2050 ............... 14
1.3.3 RegenerativeStromerzeugunginDeutschlandbis2050.... 16
TeilI GrundlagenderErzeugungundU¨bertragungvonWindenergie
2 Physikalisch-technischeGrundlagenderWindenergienutzung ...... 23
2.1 GlobaleundlokaleLuftzirkulationinderAtmospha¨re–
KlimaundWetter.......................................... 23
2.1.1 Regula¨reundchaotischeStro¨mung..................... 24
2.1.2 WindundWindenergie............................... 27
2.2 VonderBewegungsenergiedesWindeszurelektrischen
Energie .................................................. 28
2.2.1 Umwandlung Stufe 1:
VonderLuftstro¨mungzurDrehungderTurbinenwelle..... 28
2.2.2 Umwandlung Stufe 2:
Von der Turbine bis zum Drehstromausgang einer
Windenergieanlage:dieLeistungskennlinie.............. 31
2.3 RegelungundNetzeinspeisung .............................. 37
ix
x Inhalt
3 WindalsstochastischeEnergiequelle ............................. 39
3.1 StatistischeBeschreibungvonWindgeschwindigkeiten .......... 39
3.2 WindenergieproduktionaneinemgegebenenStandort ........... 44
3.2.1 Leistung-Dauer-Kurve ............................... 44
3.2.2 JahresenergieproduktionundVolllaststunden ............ 49
3.2.3 Theoretischversustatsa¨chlichzuerwartende
Volllaststunden ..................................... 50
3.3 ExtremezeitlicheSchwankungenderWindgeschwindigkeit ...... 52
3.3.1 EinzelanlageversusWindpark......................... 53
3.3.2 EnergieproduktionallerdeutschenWindkraftwerke ....... 54
4 Versorgungssicherheit im Stromnetz bei hoher
Windenergieeinspeisung ........................................ 57
4.1 StromnetzeundWindenergie ................................ 57
4.1.1 TrennungvonStromerzeugung,U¨bertragungsnetzbetrieb
undStromverkauf ................................... 58
4.1.2 AusbauderStromnetzeerforderlich .................... 59
4.2 U¨bertragungsleistungundVersorgungssicherheit................ 61
4.2.1 Zuverla¨ssige Versorgung von Stromverbrauchern:
das(n-1)-Kriterium.................................. 61
4.2.2 U¨bertragungvonWindenergiedurcheinvermaschtes
System:modifiziertes(n-1)-Kriterium .................. 64
4.2.3 AnschlussvonWindparksandasHo¨chstspannungsnetz.... 65
4.3 WindbedingteErho¨hungderU¨bertragungsfa¨higkeit
desStromnetzes ........................................... 67
4.3.1 Erho¨hungvonVersorgungssicherheitund
U¨bertragungsleistungohneNetzneubau:
LeitungsmonitoringundHochtemperaturseile............ 68
4.3.2 Netzneubau:FreileitungversusErdkabel................ 75
4.4 NetzanbindungderOffshore-Windparks....................... 81
4.4.1 U¨bernahme der Netzanbindung durch die
U¨bertragungsnetzbetreiber............................ 81
4.4.2 UmsetzungderOffshore-Netzanbindung
inderNordsee...................................... 82
4.4.3 NetzintegrationderWindenergieinEuropa–
Europa¨ischesOffshore-Supergrid ...................... 84
TeilII Windenergieausbau
5 Systematische Beru¨cksichtigung von externen Kosten:
Erneuerbare-Energien-Gesetz ................................... 93
5.1 Beru¨cksichtigung der externen Kosten der konventionellen
Stromerzeugung........................................... 93
5.1.1 Fo¨rderungdererneuerbarenEnergien................... 95
Inhalt xi
5.1.2 ZumCharakterdesErneuerbare-Energien-Gesetzesundder
RollederFo¨rderinstrumente .......................... 96
5.2 VomStromeinspeisungsgesetz1991zum
Erneuerbare-Energien-Gesetz2000/2004 ...................... 98
5.2.1 DasStromeinspeisungsgesetz1991 .................... 98
5.2.2 DasErneuerbare-Energien-Gesetz2000................. 99
5.2.3 DasErneuerbare-Energien-Gesetz2004................. 100
5.3 DasErneuerbare-Energien-Gesetzvon2008 ................... 101
5.3.1 DerEEG-ErfahrungsberichtvonNovember2007......... 101
5.3.2 ErneuerbareEnergienverringerndie
Bo¨rsen-Strompreise ................................. 103
5.3.3 A¨nderungendurchdasErneuerbare-Energien-Gesetz
von2008 .......................................... 104
5.4 Zuku¨nftigeWeiterentwicklungdesErneuerbare-Energien-Gesetzes 105
5.4.1 Reine Bo¨rsenvergu¨tung verhindert Zubau von
Windenergieanlagen–BeispielDa¨nemark............... 105
5.4.2 EigenvermarktungderWindenergiedurch
dieWindmu¨ller ..................................... 106
5.4.3 Vermarktung des EEG-Stroms durch den
U¨bertragungsnetzbetreiber............................ 107
5.4.4 U¨bergangvonderEEG-Mindestvergu¨tungzurStrombo¨rse
risikoreich ......................................... 108
6 WindenergieausbauundVerwaltungsverfahren.................... 113
6.1 Windenergieausbauonshore ................................. 113
6.1.1 Eignungsfla¨chenundGenehmigungsverfahren ........... 114
6.1.2 PlanungserlasseundFla¨chenoptimierung................ 115
6.2 Windenergieausbauoffshore................................. 119
6.2.1 GenehmigungsverfahrendesBundesamtesfu¨r
SeeschifffahrtundHydrographie....................... 119
6.2.2 EignungsgebieteundRaumordnunginder
ausschließlichenWirtschaftszone ...................... 122
6.3 StromnetzausbauundVerwaltungsverfahren ................... 124
6.3.1 Gesetzliche Vorgaben zur Verkabelung von
Ho¨chstspannungsleitungen............................ 124
6.3.2 Leitlinienfu¨rtranseuropa¨ischeEnergienetze2007 ........ 126
6.3.3 Energieleitungsausbaugesetz2008 ..................... 126
6.4 FallbeispielSchleswig-Holstein.............................. 127
6.4.1 PraxiserfahrungenimWindlandSchleswig-Holstein ...... 127
6.4.2 HandlungsfeldRepoweringoder
auswenigerwirdmehr............................... 130
6.4.3 HandlungsfeldOffshore-Windenergieoder
derWegaufsMeer .................................. 131
6.4.4 HandlungsfeldStromnetzeoderdieErtu¨chtigungder
Infrastruktur........................................ 132
xii Inhalt
7 WindenergieinDeutschland,Europaundweltweit................. 135
7.1 WindenergieinDeutschland................................. 135
7.1.1 AusbauplanungderdeutschenBundesregierung
bis2030 ........................................... 135
7.1.2 WindenergieproduktionundStromverbrauch ............ 139
7.2 Zuku¨nftigeOffshore-WindenergieinDeutschland............... 139
7.2.1 DieEntwicklungderOffshore-Windenergie ............. 140
7.2.2 GenehmigteOffshore-Windkraftwerke.................. 144
7.2.3 ProblemebeimOffshore-Windenergieausbau ............ 146
7.3 WindenergieinEuropaundweltweit.......................... 149
7.3.1 WindenergieinEuropa............................... 149
7.3.2 Windenergieweltweit................................ 151
TeilIII OptimierungdesWindenergieausbaus
8 GrundlagenderOptimierung:NutzenversusKosten............... 157
8.1 NutzenundKostenderWindenergie .......................... 157
8.1.1 NutzenderWindenergie.............................. 157
8.1.2 KostenderWindenergie .............................. 160
8.1.3 Moneta¨re Bewertung von Nutzen und Kosten
derWindenergie .................................... 161
8.1.4 Abgeltung des volkswirtschaftlichen Nutzens durch die
EEG-Mindesteinspeisevergu¨tung ...................... 162
8.2 GrenznutzenundGrenzkosten ............................... 162
8.3 GrenznutzenkurveeinerzeitlichfluktuierendenQuellewie
derWindenergie........................................... 167
8.3.1 MonetarisierungdesNutzens.......................... 167
8.3.2 PrinzipderErstellungeinerDauer-Leistung-Kurve ....... 168
8.3.3 Dauer-Leistung-KurveundGrenznutzen-
Leistung-Kurve ..................................... 170
8.3.4 AnwendungderGrenznutzenfunktion .................. 173
9 OptimierungvonWindenergieanlagen............................ 175
9.1 EntwicklungvonRotordurchmesserundinstallierterLeistung .... 175
9.2 KostenderOnshore-Windkraftwerke ......................... 179
9.2.1 Kostenstruktur...................................... 179
9.2.2 SinkendeStromerzeugungskostenderWindenergie
bis2006 ........................................... 181
9.2.3 SteigendeStromerzeugungskostenderWindenergie
seit2006........................................... 182
9.3 KostenderOffshore-Windkraftwerke ......................... 183
9.4 OptimierungstattMaximierungdesWindenergieausbaus......... 187
9.4.1 OptimierungderinstalliertenLeistungproRotorfla¨che .... 188
9.4.2 VerringerungderWindleistungsspitzen ................. 191
