Windkraft

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Die Windenergie oder Windkraft ist die großtechnische Nutzung des Winds als erneuerbare Energiequelle.
Die Windenergie wird seit dem Altertum genutzt, um Energie aus der Umwelt für technische Zwecke verfügbar zu machen.
In der Vergangenheit wurde die mit Windmühlen verfügbar gemachte mechanische Energie direkt vor Ort genutzt um Maschinen und Vorrichtungen anzutreiben.
Mit ihrer Hilfe wurde Korn zu Mehl gemahlen, Grundwasser an die Erdoberfläche gefördert, oder Sägewerke betrieben.
Heute ist die Erzeugung von elektrischer Energie mit Windkraftanlagen die mit großem Abstand wichtigste Nutzung.
Ende 2020 waren weltweit Windkraftanlagen mit einer Nennleistung von ca. 743 GW installiert, davon 35,3 GW offshore.
Nicht ganz die Hälfte dieser Kapazität (ca. 347 GW) wurde in Asien und im pazifischen Raum errichtet, ca. 220 GW in Europa und etwa 170 GW in Amerika, während in Afrika und dem Mittleren Osten nur einige GW verbaut sind.
2019 lieferten die weltweit installierten Anlagen nach Zahlen von BP rund 1430 TWh elektrischer Energie; entsprechend etwa 5,3 % der weltweiten Stromproduktion.
Ihr Anteil am weltweiten Primärenergieverbrauch von (162.194 TWh), an dem sie aufgrund der Berechnungsmethode tendenziell unterrepräsentiert ist, lag bei 0,9 %.
Auf guten Standorten waren die Stromgestehungskosten von Windkraftanlagen bereits 2013 günstiger als die Stromgestehungskosten neuer Kohle- und Kernkraftwerke.
Abhängig von verschiedenen Faktoren wie z. B. Windhöffigkeit (meint hier: quantitativ und qualitativ geeignetes Windvorkommen - vor Ort) und Anlagenauslegung erreichen Windkraftanlagen etwa zwischen 1.400 und über 5.000 Volllaststunden (letzteres auf den besten Offshore-Standorten).
== Geschichte der Windenergienutzung
Wann die ersten Windmühlen errichtet wurden, ist umstritten.
Nach schriftlichen Überlieferungen aus dem Codex Hammurapi wurden sie vor mehr als 4.000 Jahren genutzt, andere Forscher betrachten ihren Einsatz erst für das 7. Jahrhundert nach Christus als belegt.
In Europa datieren die ältesten Erwähnungen aus England in die Mitte des 9. Jahrhunderts nach Christus, im 11. Jahrhundert sind sie in Frankreich nachgewiesen.
Im 13. Jahrhundert hatten sie sich bis nach Polen verbreitet.
Eingesetzt wurde die Windenergie zur Verrichtung mechanischer Arbeit mit Hilfe von Windmühlen und Wasserpumpen.
In Europa existierten im 19. Jahrhundert einige 100.000 Windräder, die bei guten Windverhältnissen bis zu 25-30 kW Leistung erzielten.
In Frankreich, England, Deutschland, den Niederlanden, Belgien und Finnland gab es in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts zwischen 50.000 und 60.000 Windmühlen.
Um 1900 waren alleine in den Nordsee-Anrainerstaaten etwa 30.000 Windmühlen mit einer Gesamtleistung von mehreren 100 MW in Betrieb.
Insbesondere in den Niederlanden waren Windmühlen stark verbreitet, hier gab es in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts alleine etwa 9.000 Mühlen.
Einsatzzwecke waren das Mahlen von Getreide, die Baumwollspinnerei und die Tuchwalkerei, zudem dienten die Mühlen als Kraftquelle für das Stoßen von Leder, das Sägen von Holz, die Herstellung von Öl, Papier und Tabak sowie das Entwässern von Sumpfgebieten oder unter dem Meeresspiegel liegenden Landflächen.
In Deutschland stieg die Zahl der Windmühlen während der Industriellen Revolution zunächst bis zur Hochindustrialisierung weiter an und erreichte in den 1880er Jahren ihr Maximum.
In den Jahrzehnten darauf wurden viele der Windmühlen sukzessive durch fossile Kraftquellen bzw. elektrische Antriebe ersetzt.
1895 waren in Deutschland rund 18.000 Windmühlen in Betrieb.
Man schätzt, dass 1914 etwa 11.400 und 1933 noch 4.000 bis 5.000 Windmühlen betrieben wurden.
Ebenfalls bedeutend waren Windpumpen; die vielflügeligen Western-Windräder mit einer Leistung von wenigen 100 Watt waren weit verbreitet.
Bis ca. 1930 wurden über sechs Millionen Westernmills produziert, von denen noch immer ca. 150.000 vorhanden sind.
Die ab 1854 in den USA entwickelten Western-Windräder (eng.
Western Mill) verbreiteten sich als Wasserpumpe in Nord- und Südamerika, Australien und Teilen von Afrika und wurden später auch zur Stromerzeugung genutzt.
In den USA gab es etwa 1000 Hersteller von Windmühlen, die jedoch nach dem Boom nahezu vollständig vom Markt verschwanden.
Nach der Entdeckung der Elektrizität und der Erfindung des Generators lag der Gedanke der Nutzung der Windenergie zur Stromerzeugung nahe.
Die ersten Windkraftanlagen zur Stromerzeugung wurden im späten 19. Jahrhundert errichtet und blieben bis nach dem Zweiten Weltkrieg, als erste größere Anlagen mit wenigen 100 kW auf den Markt kamen, weitgehend unverändert.
Seit den Ölpreiskrisen in den 1970er Jahren wird weltweit verstärkt nach Alternativen zur Energieerzeugung gesucht, womit auch die Entwicklung moderner Windkraftanlagen vorangetrieben wurde.
1979 begannen verschiedene dänische Unternehmen Windkraftanlagen in Serie zu fertigen.
Seit den frühen 1990er Jahren zählt die Windindustrie zu den am schnellsten wachsenden Industriebranchen der Welt.
Nach dem Zweiten Weltkrieg wurden in den amerikanisch besetzten Gebieten, in Bayern mehrere tausend und in Oberösterreich zahlreiche Western-Windräder (Westernmills) aufgebaut, um Wasser zu pumpen.
Um 1958 bzw. um 1970 waren noch einige zu sehen, überlebt bis heute in Bayern hat nur eine in Dietmannsried im Allgäu.
Jene in Unterroithen in Oberösterreich ist Wahrzeichen von Edt bei Lambach und im 1980 verliehenen Wappen symbolisch golden und 12-flügelig dargestellt.
== Stromerzeugung durch Windenergie
Die Windenergie gilt aufgrund ihrer weltweiten Verfügbarkeit, ihrer niedrigen Kosten sowie ihres technologischen Entwicklungsstandes als eine der vielversprechendsten regenerativen Energiequellen.
Sie zählt mittlerweile zu den Mainstreamtechnologien in der Stromproduktion und spielt, auch aufgrund technologischer Fortschritte sowie der wirtschaftlichen Konkurrenzfähigkeit in vielen Märkten weltweit, eine zentrale Rolle in der Energiepolitik und den Energiestrategien in einer wachsenden Anzahl von Staaten der Erde.
Windenergieanlagen können in allen Klimazonen, auf See und allen Landstandorten (Küste, Binnenland, Gebirge) zur Stromerzeugung eingesetzt werden.
Häufig wird nur zwischen der Windenergienutzung an Land (onshore) und der Nutzung auf See in Offshore-Windparks unterschieden.
Bisher ist vor allem die Windenergie an Land von Bedeutung, während die Offshore-Windenergie global gesehen mit einem Anteil von ca. 3,5 % an der installierten Leistung bisher noch ein Nischendasein fristet.
Auch langfristig wird mit einer Dominanz des Onshore-Sektors gerechnet, allerdings mit steigendem Anteil der Offshore-Installationen.
So geht z. B. die IEA davon aus, dass bis 2035 rund 80 % des Zubaus an Land erfolgen werden.
=== Physikalische Grundlagen
Bei der Leistung ist zu unterscheiden zwischen der elektrischen Nennleistung, die sich aufgrund der technischen Konstruktion ergibt, und dem tatsächlich am Standort erzielbaren Ertrag, der sich noch aus einer Reihe weiterer Faktoren ergibt.
Bei der Planung werden Daten aus Wetterbeobachtungen (Windstärke, Windrichtung) verwendet, um daraus eine Prognose zu berechnen.
Diese Prognosen sind Mittelwerte und können wetterbedingt von den Ergebnissen der einzelnen Jahre abweichen.
Langzeitbetrachtungen sind für eine großmaßstäbliche Nutzung der Windenergie, die Planung von Stromnetzen und Speicherkapazitäten unerlässlich.
Die in elektrische Leistung P {\displaystyle P } umsetzbare Leistung aus dem Windangebot lässt sich aus dem kinetischen Leistungsangebot des Massenstroms m  {\displaystyle {\dot {m}}} der Luft errechnen, multipliziert mit dem Wirkungsgrad nach Betz  B e t z {\displaystyle \eta _{\mathrm {Betz} }} (dessen Maximum beträgt 16/27, also knapp 60 %), aus den Strömungsverlusten  r e i b {\displaystyle \eta _{\mathrm {reib} }} (Reibungsanteil in den Navier-Stokes-Gleichungen) sowie dem mechanischen (Reibungsverluste im Getriebe und den Lagern des Konverters) und elektrischen Wirkungsgrad des Systems  m e c *  e l e k {\displaystyle \eta _{\mathrm {mec} }\cdot \eta _{\mathrm {elek} }} :
Die Formelzeichen bedeuten:
Die erzielbare Leistung nimmt also mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zu.
Das bedeutet, dass doppelte Windgeschwindigkeit zu einem 8-fachen Windenergieertrag führt und umgekehrt eine Halbierung der Windgeschwindigkeit den Ertrag auf 1/8 sinken lässt.
Dieser Zusammenhang erklärt die enormen Schwankungen der Windenergieeinspeisung.
Die Windgeschwindigkeit ist daher ein Schlüsselfaktor für die Wirtschaftlichkeit von Windanlagen.
Die Häufigkeitsverteilung der erzeugten Windleistung kann mit der Weibull-Verteilung gut angenähert werden.
Dieselbe Verteilungsart beschreibt auch die Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit (Hinweis: Auch die erzeugte Leistung aus der Photovoltaik lässt sich mit der Log-Normalverteilung beschreiben).
Die starke Wetterabhängigkeit der aus Windkraft erzeugten elektrischen Energie kann aus dem zweiten Diagramm abgeleitet werden.
Wegen der hohen Variabilität ist eine möglichst genaue Prognose der erwarteten Einspeisung aus Windkraftquellen unerlässlich (siehe auch Artikel Windleistungsvorhersage), um eine entsprechende Planung und Verteilung im elektrischen Stromnetz vornehmen zu können.
=== Potential
==== Weltweit
2015 haben Wissenschaftler des Max-Planck-Institut für Biogeochemie die physikalischen Randbedingungen für den weiteren Ausbau der Windenergie untersucht.
Die Forscher kamen zu dem Ergebnis, dass großangelegte Windparks in windreichen Regionen auf eine Leistung von maximal 1 Watt/ m^2 kommen können.
Als ursächlich für die geringe Leistung wird in der Studie der Bremseffekt gesehen der auf den Wind wirkt wenn viele Windkraftanlagen in einer Region installiert sind.
Der derzeitige Ausbaustatus der Windkraft liegt allerdings noch weit unter den hier beschriebenen Grenzen.
Weltweit bietet die bodennahe Windenergie nach einer 2013 im Fachjournal Nature Climate Change erschienenen Arbeit theoretisch Potential für über 400 Terawatt Leistung.
Würde zusätzlich die Energie der Höhenwinde genutzt, wären sogar 1.800 Terawatt möglich, etwa das 100-Fache des derzeitigen weltweiten Energiebedarfs.
Bei der Nutzung des gesamten Potentials der Windenergie hätte dies ausgeprägte Veränderungen des Klimas zur Folge; bei der Nutzung von nur 18 Terawatt, was dem aktuellen Weltprimärenergiebedarf entspricht, wären keine wesentlichen Einflüsse auf das Klima zu erwarten.
Es gilt daher als unwahrscheinlich, dass das geophysikalische Windenergiepotential dem Ausbau der Windstromerzeugung Grenzen setzt.
2009 ermittelten Forscher der Harvard-Universität unter konservativen Annahmen das globale Windenergiepotential und kamen zu dem Ergebnis, dass es den Weltenergiebedarf weit übersteigt: den damaligen Bedarf an elektrischer Energie um das 40-Fache, den Gesamtenergiebedarf um das 5-Fache.
Laut einer ebenfalls 2009 veröffentlichten Strömungs-Modellrechnung der Stanford University würden Windkraftanlagen, sollten sie den gesamten heutigen Weltenergiebedarf decken, den Energiegehalt der unteren Luftschicht um circa 0,007 % verringern.
Dies sei jedoch mindestens eine Größenordnung kleiner als der Einfluss durch Besiedlung und durch Aerosole aus Abgasen.
Die Aufheizeffekte durch Stromerzeugung mit Windkraftanlagen seien viel niedriger als die Abwärme thermischer Kraftwerke.
==== Deutschland
Der von der Agentur für Erneuerbare Energien im Jahr 2010 erstellte Potenzialatlas Deutschland kam zu dem Ergebnis, dass Windkraftanlagen auf 0,75 % der Landfläche 20 % des deutschen Strombedarfs 2020 decken könnten.
2013 veröffentlichte das Umweltbundesamt eine Studie zum bundesweiten Flächen- und Leistungspotential der Windenergie an Land.
Das Potential wurde vom Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik auf Grundlage detaillierter Geodaten und moderner Windenergieanlagentechnik modelliert.
Demnach stehen auf Basis der getroffenen Annahmen prinzipiell 13,8 Prozent der Fläche Deutschlands für die Windenergienutzung zur Verfügung.
Dieses Flächenpotential ermöglicht eine installierte Leistung von rund 1.190 GW mit einem jährlichen Stromertrag von ca. 2.900 TWh.
Das realisierbare Potential der Windenergie an Land wird aber erheblich kleiner geschätzt, weil verschiedene Aspekte im Rahmen der Studie nicht betrachtet wurden (z. B. artenschutzrechtliche Belange oder wirtschaftliche Rahmenbedingungen).
Eine vom Bundesverband WindEnergie e.V. beauftragte Studie aus 2011 kam zu dem Ergebnis, dass bei einer Nutzung von 2 % der Fläche Deutschlands durch Onshore-Windenergie eine installierte Leistung von 189 GW möglich wäre.
Dazu müssten 62.839 Windenergieanlagen mit jeweils 3 MW installierter Leistung in Betrieb sein.
Der damit mögliche Stromertrag wurde auf 390 TWh pro Jahr geschätzt.
Das würde in etwa 60 % der Deutschen Stromerzeugung entsprechen.
2018 waren rund 30.000 Windenergieanlagen mit durchschnittlich 1,94 MW installierter Leistung im Einsatz und der Stromertrag lag bei 112 TWh.
=== Bereitstellungssicherheit
==== Windleistungsprognose
Windenergie ist Teil eines Energiemix und bildet nur eine Säule der erneuerbaren Energien.
Ihr Hauptnachteil ist - insbesondere bei Onshore-Anlagen - die unregelmäßige, mit dem Wind schwankende Leistungsabgabe, die durch ein sinnvolles Kraftwerksmanagement ausgeglichen werden muss.
Bei starkem Wind erzeugt eine WEA 100 % ihrer Nennleistung (= Volllast), bei Flaute 0 %.
Maßgeblich ist jedoch die Summe der eingespeisten Energie über größere Gebiete, da sich die Schwankungen der jeweiligen Windgeschwindigkeiten durch Kombination von Windenergieanlagen an verschiedenen Standorten teilweise gegenseitig ausmitteln.
2012 betrug z. B. die maximale (am 3. Januar 2012 gemessene) onshore Einspeisung in Deutschland mit 24.086 MW etwa 78 % der installierten Gesamtnennleistung.
Andere erneuerbare Energien können ausgleichend wirken und haben ein im Mittel teils gegenläufiges Angebotsverhalten.
Die über mehrere Jahre gemittelte Kurve der Einspeiseleistung von Windenergieanlagen zeigt in Westeuropa im Durchschnitt tagsüber höhere Mittelwerte als nachts und im Winter höhere als im Sommer, sie korreliert somit über den Tagesverlauf wie auch jahreszeitlich mit dem im Mittel benötigten Strombedarf.
In Deutschland wird in den Wintermonaten üblicherweise etwa doppelt so viel Windstrom erzeugt wie in den Sommermonaten.
Gleichwohl schwankt auch in einer ganzen Regelzone die produzierte Windenergiemenge sehr und kann fast der Last entsprechen oder nahezu null sein.
Meteorologische Prognosesysteme ermöglichen es, die von Windparks in das Stromnetz eingespeiste Leistung per Windleistungsvorhersage im Bereich von Stunden bis zu Tagen im Voraus abzuschätzen.
Bei einem Vorhersagezeitraum von 48 h bis 72 h beträgt die Genauigkeit 90 %, bei einer 6-Stunden-Vorhersage mehr als 95 %.
So werden zur Aufrechterhaltung eines störungsfreien Stromangebotes nur wenige regelenergieliefernde Kraftwerke benötigt.
==== Regelenergiebedarf
Wikipedia:WikiProjekt Ereignisse/Vergangenheit/ 2012
Seit der Novellierung des Gesetzes für den Vorrang erneuerbarer Energien (EEG) zum 1. Juli 2004 sind die Regelzonenbetreiber zum sofortigen horizontalen Ausgleich der Windenergieeinspeisung verpflichtet.
Wird die Summenleistung von aktuell (Stand: Oktober 2019) knapp 30.000 Windenergieanlagen im deutschen Stromnetz betrachtet, so ergibt sich durch die Mittlung, räumliche Verteilung und unterschiedliches Anlagenverhalten in einzelnen Regelzonen dazu (Ausnahme sind extreme Wetterlagen), dass die Schwankung der Windstromeinspeisung mit Mittellastkraftwerken ausgeglichen werden kann.
Teure Regelenergie (Primär- und Sekundärregelung) wird in der Regel nicht benötigt.
Dies belegen zum Beispiel Untersuchungen für das im Auftrag mehrerer Stadtwerke erstellte "Regelmarkt-Gutachten".
Für einen marktrelevanten Zusammenhang zwischen Windstromeinspeisung und Regelenergiemenge und -preis gibt es keine Belege.
Zwar geht man davon aus, dass sich mit einer verstärkten Nutzung der Windenergie auch der Regelenergiebedarf, insbesondere an negativer Regelenergie erhöht, die tatsächlich bereitgestellte Regelenergie blieb jedoch in den letzten Jahren gleich bzw. nahm leicht ab.
Werden fossile Kraftwerke zur kurzfristigen Bereitstellung von (negativer) Regelleistung im Teillastbetrieb gefahren statt vollständig abgeschaltet, nimmt deren Wirkungsgrad etwas ab.
Für die modernen Steinkohlekraftwerke liegt der Wirkungsgrad im Volllastbetrieb bei ca. 45-47 %.
Werden diese Kraftwerke auf 50 % Leistung gedrosselt, sinkt der Wirkungsgrad auf ca. 42-44 % ab.
Bei GuD-Kraftwerken mit einem Volllastwirkungsgrad von 58-59 % reduziert sich der Wirkungsgrad bei 50 % Leistung bei Einblock-Konfiguration auf 52-55 %.
2013 prognostizierte eine Studie des NREL die zusätzlichen Kosten für das vermehrte Regeln bzw. An- und Abfahren konventioneller Kraftwerke aufgrund einer höheren Einspeisung aus Wind- und Solarenergie.
Bei einem Anteil von 33 % dieser fluktuierenden Energieformen an der Gesamteinspeisung würden sich in den westlichen USA die Betriebskosten konventioneller Kraftwerke um 2 bis 5 % erhöhen, entsprechend 0,47-1,28 $/MWh.
Damit würden sich die Mehrkosten auf 35 bis 157 Mio. US-Dollar belaufen, während sich durch den eingesparten Brennstoff Ersparnisse in Höhe von ca. 7 Mrd. US-Dollar ergeben würden.
Verglichen mit den Einsparungen durch den vermehrten Betrieb von Wind- und Solaranlagen sei die Erhöhung der Kohlendioxidemissionen durch vermehrtes Regeln in Höhe von 0,2 % vernachlässigbar.
Die Höhe der vorzuhaltenden Reserveleistung hängt erheblich von der Vorhersagegenauigkeit des Windes, der Regelungsfähigkeit des Netzes sowie dem zeitlichen Verlauf des Stromverbrauchs ab.
Bei einem starken Ausbau der Windenergiegewinnung, wie es in der dena-Netzstudie für Deutschland untersucht wurde, wird der Bedarf an Regel- und Reservekapazität (Mittellastkraftwerke) zwar steigen, kann aber laut Studie ohne Neubau von Kraftwerken (also nur mit dem bestehenden Kraftwerkspark) gedeckt werden.
Ein Zubau von Windenergieanlagen führt nicht automatisch zu einem Abbau der dann schlechter ausgelasteten, nach Bedarf steuerbaren, Kraftwerkskapazitäten.
Die Unstetigkeit des Windes kann im Verbund mit anderen Energiequellen oder mit Speichern wie Pumpspeicherkraftwerken oder der Umwandlung in Windgas für eine kontinuierliche Energiebereitstellung ausgeglichen werden.
Dies kann durch Prognose der Einspeisung und Austausch in und zwischen den Übertragungsnetzen (Regelzonen) im Zusammenspiel mit anderen Kraftwerken wie bei den normalen Verbrauchsschwankungen erfolgen.
Für Deutschland geht man laut einer Studie der DENA derzeit von 20 bis 25 % maximalem Anteil beim nur moderaten Ausbau der Netzinfrastruktur aus.
Weitere Möglichkeiten, zukünftig den Anteil an Windstrom an der Gesamtstromerzeugung über einen solchen Wert hinaus zu erhöhen, sind:
Aufgrund begrenzter Netzkapazitäten kann es insbesondere während Sturmphasen lokal bzw. regional zu Abschaltung bzw. Drosselung von Windkraftanlagen kommen ("Abregelung").
2010 gingen so in Deutschland 150 GWh verloren, 2011 waren es 407 GWh.
Dies entsprach 0,4 bzw. 0,83 % der in den jeweiligen Jahren eingespeisten Windenergie.
In Deutschland werden die Betreiber für solche Produktionsdrosselungen nach Erneuerbare-Energien-Gesetz entschädigt.
Im Jahr 2012 sank die abgeregelte Arbeit auf 385 GWh, was ca. 0,71 % der insgesamt eingespeisten Windstromproduktion entspricht.
Hauptsächlich betroffen waren mit ca. 93,2 % Windkraftanlagen.
Hierfür wurden Entschädigungen in Höhe von 33,1 Mio. Euro gezahlt.
In zahlreichen, zumeist dieselgestützten Inselnetzen mit Windstromeinspeisung (Australien, Antarktis, Falklands, Bonaire), werden neben dem Demand Side Management zudem Batterien und teilweise auch Schwungradspeicher zur kurz- und mittelfristigen Netzstabilisierung und -optimierung eingesetzt, wobei relativ schlechte Wirkungsgrade aus wirtschaftlichen Gründen (Reduktion des sehr teuren Dieselstromanteils) akzeptiert werden können.
Speicherung von Windstrom durch Wasserstoffelektrolyse und -verbrennung (siehe Wasserstoffspeicherung, Wasserstoffwirtschaft) und Schwungradspeicher wurde in einem Modellprojekt auf der norwegischen Insel Utsira erprobt.
==== Blindleistungsregelung
Ältere drehzahlstarre Windenergieanlagen mit Asynchrongeneratoren, die in der Frühphase der Windenergienutzung (d. h. von den 1970er bis in die frühen 1990er Jahre) zum Einsatz kamen, haben zum Teil Eigenschaften, die bei einem starken Ausbau Probleme im Netzbetrieb bereiten können; dies betrifft vor allem den sog. Blindstrom.
Dem kann durch Blindstromkompensation abgeholfen werden; moderne drehzahlvariable Anlagen mit elektronischem Stromumrichter können den Blindstromanteil ohnehin nach den Anforderungen des Netzes beliebig einstellen und auch Spannungsschwankungen entgegenwirken, so dass sie sogar zur Netzstabilisierung beitragen können.
Im Zuge des sogenannten Repowering sind zahlreiche alte Anlagen abgebaut worden.
=== Wirtschaftlichkeit
==== Stromgestehungskosten und Wettbewerbsfähigkeit
Bei der modernen Windenergienutzung handelt es sich um eine Technologie, die nach den Anfängen in den späten 1970er Jahren seit den 1990er Jahren in größerem Ausmaß zum Einsatz kommt.
Die Verbesserungspotentiale werden allmählich durch Skaleneffekte infolge weiterer Erforschung und der mittlerweile bei den meisten Herstellern etablierten industriellen Serienfertigung erschlossen, weshalb noch ein weiteres Kostensenkungspotential aufgrund technischer Weiterentwicklung besteht.
Mit Stand 2018 können Windkraftanlagen in vielen Fällen günstiger elektrische Energie produzieren als konventionelle Kraftwerke.
Aufgrund ihrer Wirtschaftlichkeit kommt der Windenergie eine wichtige Rolle zur Dämpfung des Strompreisanstiegs zu.
Größter Kostenfaktor bei der Windstromerzeugung sind die relativ hohen Anfangsinvestitionen in die Anlagen; die Betriebskosten (u. a. Wartung; ggf.
Standortmiete) und die Rückbaukosten sind relativ gering.
Praktisch weltweit sind auch Standorte im Binnenland wirtschaftlich nutzbar; auf guten Onshore-Standorten sind Windkraftanlagen schon seit 2008 ohne Förderung mit konventionellen Kraftwerken konkurrenzfähig.
Langfristig wird davon ausgegangen, dass die Windenergie entweder in der Zukunft die günstigste Form der Stromproduktion sein oder hinter Photovoltaik-Großkraftwerken auf dem zweiten Rang liegen wird.
Wichtig bei solchen Vergleichen ist es, die tatsächlichen vollen Stromgestehungskosten der einzelnen Technologien über ihren gesamten Betriebszeitraum anzusetzen.
Der in diesem Kontext bisweilen angeführte Strombörsenpreis ist hingegen ungeeignet, da er für konventionelle Kraftwerke Werte ergibt, die aufgrund verschiedener struktureller Faktoren weit unterhalb ihrer Stromgestehungskosten liegen.
Dadurch erscheint der Unterschied zwischen Windenergie und konventionellen Kraftwerken größer, als er in der Realität ist.
Laut Fraunhofer ISE (Stand 2018) können Windkraftanlagen mit 3,99 ct/kWh bis 8,23 ct/kWh zu niedrigeren Stromgestehungskosten produzieren als neue Steinkohle- und Gaskraftwerke, die Stromgestehungskosten von 6,27 ct/ kWh bis 9,86 ct/kWh bzw. 7,78 ct/ kWh bis 9,96 ct/kWh aufweisen.
Auch Braunkohlekraftwerke haben mit 4,59 ct/kWh bis 7,98 ct/ kWh etwas höhere Stromgestehungskosten als Windkraftanlagen an Land.
Offshore-Anlagen sind aufgrund des größeren Bauaufwandes sowie höherer Finanzierungs- und Betriebskosten trotz mehr Volllaststunden deutlich teurer; ihre Stromgestehungskosten lagen 2018 bei 7,49-13,79 ct/kWh.
Auf guten Standorten lagen die Stromgestehungskosten schon 2013 unterhalb derer neuer Kohle- und Kernkraftwerke.
So ermittelte z. B. eine von der Deutschen Windguard publizierte Studie auf sehr guten Onshore-Standorten (150 % des Referenzertrages) Stromgestehungskosten von 6,25 ct/kWh.
Bei einer durchschnittlichen Kostenstruktur und üblichen Renditeerwartungen der Betreiber gelten Standorte bis etwa 80 % des Referenzertrages als rentabel.
Auf diesen Standorten wurden Stromgestehungskosten von ca. 9 ct/kWh erreicht, was in etwa der damals für Windkraftanlagen gezahlten Einspeisevergütung entspricht.
Zwischen 2010 und 2013 sanken die Stromgestehungskosten auf schwächeren Standorten inflationsbereinigt um ca. 11 % pro Jahr, auf guten Standorten um 5,2 % pro Jahr.
Weiteres Kostensenkungspotential sah die Studie in der Weiterentwicklung der Anlagentechnik sowie im Bau von Windkraftanlagen mit größeren Rotordurchmessern und Nabenhöhen.
Diese Grundannahmen wurden 2012 von Bloomberg geteilt.
Windkraftanlagen in einigen Staaten mit guten Windbedingungen und vergleichsweise hohen Stromkosten wie Brasilien, Argentinien, Kanada, Portugal und dem Vereinigten Königreich seien wettbewerbsfähig gegenüber konventionellen Stromerzeugern.
Bis 2016 solle auch in Gebieten mit moderaten Windbedingungen die Netzparität erreicht werden.
Für Australien prognostizierte Bloomberg beispielsweise im Februar 2013, dass Windkraftanlagen eines Windparks deutlich kostengünstiger produzieren könnten als neu zu bauende Kohle- oder Gaskraftwerke.
So lägen die Stromgestehungskosten eines neuen Windparks bei 80 Australischen Dollar pro MWh, bei Kohlekraftwerken 143 A$ und bei Gaskraftwerken 116 A$.
Bei letzteren waren die Kosten des CO2-Ausstoßes mit eingerechnet (mit 23 A$ pro Tonne CO2).
Laut Bloomberg war 2019 die Stromversorgung mit Windenergie die günstigste Technologie in den Ländern Argentinien, Brasilien, China, Dänemark, Deutschland, Großbritannien, Kanada, Marokko, Mexiko, Peru, USA und Uruguay.
In Brasilien, das zu den Ländern gehört, in denen die Nutzung der Windenergie im weltweiten Vergleich mit am günstigsten ist, lagen die Stromgestehungskosten von Windkraftanlagen jedoch auch bereits 2012 bei unter 60 US-Dollar/MWh, umgerechnet ca. 49,7 Euro/MWh.
Nach 20 Jahren läuft die Förderung durch das EEG aus, wodurch der Betrieb von Windkraftanlagen unwirtschaftlich wird.
Peter Altmeier suchte 2020 nach Möglichkeiten, ältere abgeschriebene Anlagen am Netz zu halten, die ohne Förderung unwirtschaftlich würden.
Hauptproblem ist die Selbstvermarktung des produzierten Stromes ohne feste Einspeisevergütung.
==== Förderung
Um die erwünschten Investitionen in Windenergie auch an Standorten mit geringerer Windhöffigkeit zu erleichtern, werden diese in vielen Staaten unabhängig von politischer Ausrichtung gefördert.
Mögliche Förderungsmaßnahmen sind:
Als wichtigstes Kriterium für den Ausbau nennen Gasch u. a. Planungssicherheit, wie sie vor allem bei Mindestpreissystemen auf Basis von Einspeisevergütungen erreicht wird.
Erste Gesetze hierzu wurden 1981 in Dänemark, 1991 in Deutschland und 1993 in Spanien erlassen und führten dort zu einem langfristigen und stabilem Ausbau der Windenergie.
Als wenig zielführend gelten hingegen Quotensysteme, wie sie in England und bis 2002 in Frankreich existierten; ihr Erfolg wird mit "mäßig bis null" beziffert.
Mittlerweile setzen viele Staaten auf Mindestpreissysteme (z. B. Deutschland, Spanien, Österreich, Frankreich, Portugal, Griechenland, Großbritannien), da auf diese Weise mehr installierte Leistung erzielt wird.
In Österreich liegt der Einspeisetarif für Windkraft mit Stand Juli 2008 bei 7,8 ct/kWh für bestehende Anlagen und bei 7,54 ct/kWh für neue Anlagen.
In Deutschland betrug 2017 die nach EEG für mindestens 5 Jahre gezahlte Anfangsvergütung für Onshore-Windenergie 8,38 ct/kWh; die nach Ablauf der Anfangsvergütung gezahlte Grundvergütung lag bei 4,66 ct/kWh.
Beide sinken jährlich um 1,5 %.
In wichtigen Windenergiemärkten wie Deutschland werden auch Zahlungen der Stromverbraucher für nicht produzierten Strom als Entschädigung an die Betreiber der Windkraftanlagen geleistet, wenn Anlagen wegen fehlender Netzkapazitäten für den Abtransport des Stroms abgeregelt werden mussten.
Die Zahlungen für diesen "Geisterstrom" betrugen im ersten Quartal 2019 EUR 364 Millionen, nachdem sie im Jahr davor nur EUR 228 Millionen ausgemacht hatten.
Im ersten Quartal 2019 konnten 3,23 TWh (= Milliarden Kilowattstunden) nicht ins Stromnetz eingespeist werden.
Dies sind 2,2 % des gesamten im ersten Quartal 2019 in Deutschland eingespeisten Stroms (149,6 TWh)
==== Auswirkungen auf den Strompreis
Die Windenergie trägt als erneuerbare Energie zum Merit-Order-Effekt bei und senkt durch die Verdrängung konventioneller Kraftwerke den Strompreis an der Börse.
Der Merit-Order-Effekt berücksichtigt allerdings nicht die langfristigen Veränderungen in der Zusammensetzung der Kraftwerke, so dass nachhaltige Auswirkungen in Bezug auf den Strompreis durch den besagten Effekt nicht zweifelsfrei geklärt werden können.
Wird an windstarken Tagen viel aus Windenergie erzeugter Strom eingespeist, sinkt der Großhandelspreis an der Strombörse.
Ist wenig Windenergie vorhanden, steigt der Preis an der Strombörse.
Die Strompreissenkung durch Windenergie entsteht durch die gesetzliche Abnahmepflicht für produzierten Windstrom.
Ist viel Strom aus Windenergie verfügbar, wird der Einsatz teurer konventioneller Kraftwerke, insbesondere Gaskraftwerke, ("Grenzkosten-Theorie") vermindert, was zu einem Absinken der Preise an der Strombörse führt.
Im Jahr 2007 betrug dieser preisdämpfende Effekt ca. 5 Mrd. Euro.
Im 2. Quartal 2008 kostete Strom an der Leipziger Strombörse im Mittel 8,495 ct/kWh, ging aber u. a. durch die verstärkte Einspeisung der Erneuerbaren Energien bis 2012 auf ca. 4 ct/kWh zurück.
==== Vermeidung externer Kosten
Verglichen mit konventionellen Stromerzeugungsformen weist die Windenergie deutlich geringere externe Kosten auf.
Dabei handelt es sich um nicht in die Strompreise mit einfließende Schadenseffekte durch Treibhausgasemissionen, Luftschadstoffe usw., die sich z. B. im Klimawandel, Gesundheits- und Materialschäden sowie landwirtschaftliche Ertragsverluste äußern.
Bei Kohlekraftwerken liegen die externen Kosten in Bereich von 6 bis 8 ct/kWh, bei GuD-Kraftwerken bei ca. 3 ct/kWh.
Erneuerbare Energien liegen zumeist unter 0,5 ct/kWh, die Photovoltaik im Bereich von 1 ct/kWh.
Unter Einbeziehung dieser externen Kosten ergeben sich für die Windkraft deutlich niedrigere Vollkosten als bei der konventionellen Energieerzeugung und damit volkswirtschaftliche Einspareffekte.
Unter anderem vermieden Windkraftanlagen 2017 in Deutschland Treibhausgasemissionen in Höhe von 71,2 Mio. Tonnen Kohlenstoffdioxidäquivalent.
Im Jahr 2011 wurden in Deutschland durch die erneuerbaren Energien insgesamt ca. 9,1 Mrd. Euro an externen Kosten eingespart.
Da die Messung externer Kosten und Nutzen jedoch aufgrund verschiedener Methodiken nicht eindeutig zu beziffern ist, kamen ältere Studien mit Daten nicht neuer als 2004 zu anderen Ergebnissen.
=== Politische und ökologische Aspekte heutiger Nutzung
==== Nachhaltigkeit
Die Windenergie gehört zu den umweltfreundlichsten, saubersten und sichersten Energieressourcen.
Ihre Nutzung wird in der wissenschaftlichen Literatur - auch verglichen mit anderen regenerativen Energien - zu den umweltschonendsten Energiegewinnungsformen gezählt.
Wie andere Arten der Energiegewinnung ist auch die Windstromerzeugung mit Eingriffen in die Umwelt verbunden, jedoch sind diese bei der Windenergie gering, leicht zu beherrschen und treten ausschließlich lokal auf.
Verglichen mit den Umweltbelastungen der konventionellen Energieerzeugung sind sie vernachlässigbar.
Wie auch andere erneuerbare Energien ist die Energie des Windes nach menschlichem Ermessen zeitlich unbegrenzt verfügbar und steht somit im Gegensatz zu fossilen Energieträgern und Kernbrennstoffen dauerhaft zur Verfügung.
Ebenfalls entsteht bei der Windenergienutzung nahezu keine Umweltbelastung infolge von Schadstoffemissionen, wodurch die Windenergie als wichtiger Baustein der Energiewende sowie einer nachhaltigen und umweltschonenden Wirtschaftsweise angesehen wird.
Da sie zugleich weltweit und im Überfluss vorhanden ist und ihre Wandlung vergleichsweise kostengünstig ist, wird davon ausgegangen, dass sie in einem zukünftigen regenerativen Energiesystem zusammen mit der Photovoltaik den Großteil der benötigten Energie bereitstellen wird.
Aufgrund ihres sehr geringen CO2-Ausstoßes von ca. 9,4 g/ kWh gilt sie darüber hinaus als wichtiges Mittel im Kampf gegen die globale Erwärmung.
Zudem gibt es bei der Windenergie keine Risiken von großen oder extrem großen Umweltschädigungen wie bei der Kernenergie infolge von schweren Unfällen.
Über 20 Betriebsjahre liefert eine 5-MW-Anlage bei jährlich 2000 Volllaststunden insgesamt 200 Millionen kWh Ökostrom, wodurch 120.000 Tonnen Kohlenstoffdioxid eingespart werden können.
Befürworter der Windenergie versprechen sich von ihrer Nutzung zudem mehr Gerechtigkeit, da auf diese Weise insbesondere vor dem Hintergrund steigender Preis für fossile Energieträger auch Staaten ohne Energieressourcen einen höheren Grad der Selbstversorgung bis hin zur Autarkie in der Energieversorgung erreichen könnten.
Moderne Windenergieanlagen besitzen eine kurze energetische Amortisationszeit von nur wenigen Monaten.
Bislang nicht gelöst ist das Problem des Recyclings ausgedienter Windkraftanlagen, da die vorhandenen Kapazitäten für die Entsorgung von Windkraftanlagen für die in den nächsten Jahren entstehenden Mengen nicht ausreichen und Verfahren zur Verwertung der aus Verbundwerkstoffen aus verklebten Glas- und Kohlenstofffasern bestehenden Rotorblätter noch entwickelt werden müssen.
Nach Feststellungen in einer durch das Umweltbundesamt veröffentlichten Studie werden bei dem Zersägen der Rotorblätter lungengängige Stoffe freigesetzt, die das Lungenkrebsrisiko erhöhen, und eine Verbrennung der verwendeten carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffe ist nur unter extremen Bedingungen möglich.
==== Flächenverbrauch
Die Energieerzeugung aus Windenergie weist insgesamt einen vergleichsweise niedrigen Flächenverbrauch auf.
Die von ihr ausgehende Flächenversiegelung durch die Fundamente ist verglichen mit konventionellen Energiegewinnungsformen sehr gering.
Grund hierfür ist, dass die eigentliche Energiegewinnung in der Höhe stattfindet.
Nahezu 99 % der von einem Windpark beanspruchten Fläche können weiterhin für ihre ursprünglichen Zwecke genutzt werden.
Als Standort werden zumeist landwirtschaftliche Flächen gewählt.
In Deutschland stehen etwa 95 % aller Windkraftanlagen auf landwirtschaftlicher Fläche, 3,3 % stehen in Wald- oder Forstgebieten und 1,5 % auf sonstigen Standorten.
Für eine moderne Windkraftanlage geht man von circa 0,4 ha (4.000 m^2) beanspruchter Fläche aus.
Die Fundamentfläche moderner Anlagen der 3-MW-Klasse liegt bei ca. 350-500 m^2, die größten derzeit errichteten Windkraftanlagen vom Typ Enercon E-126 liegen bei einer Leistung von 7,6 MW bei einer Fundamentfläche von etwa 600 m^2.
Hinzu kommt bei Verwendung eines Mobilkranes die Kranstellfläche mit einem Flächenverbrauch von circa 0,3 ha, die während des Betriebes der Anlage dauerhaft erhalten bleibt.
Kranstellflächen werden zumeist geschottert, wodurch sie wasserdurchlässig bleiben und nicht zur Bodenversiegelung beitragen.
Kommt zur Errichtung der Anlage ein Turmdrehkran zum Einsatz, reduziert sich der Flächenbedarf für die Montage des Krans und der Windkraftanlage auf rund 0,12 ha.
Daneben kann ggf. ein Neu- oder Ausbau der Zuwegung zur Anlage notwendig werden, zudem wird während der Bauphase temporär eine Bedarfsfläche von 0,2-0,3 ha für die Lagerung und evtl. Vormontage von Anlagenteilen benötigt.
Insgesamt betrug der Flächenverbrauch von Windkraftanlagen in Deutschland im Jahr 2011 rund 100 km^2.
Zum Vergleich: Der Flächenverbrauch der deutschen Braunkohletagebauten betrug mit Stand 2006 mehr als 2300 km^2, wobei mehr als 300 Siedlungen für den Braunkohlebergbau aufgegeben und ca. 100.000 Menschen umgesiedelt wurden.
Der Anteil der Braunkohle am deutschen Stromverbrauch lag 2017 grob beim 1,5-fachen der Windstromerzeugung.
Geht man von einer Stromproduktion von 6-8 Mio. kWh jährlich und einem Flächenverbrauch von 4.000 m^2 aus, was typische Werte für eine moderne Binnenlandanlage der 3-MW-Klasse sind, so ergibt sich ein Stromertrag von 1.500-2.000 kWh pro m^2 Gesamtfläche pro Jahr.
Auf Starkwindstandorten liegt der Flächenertrag noch deutlich höher.
Zum Vergleich:
Bei der Nutzung von Energiemais als Substrat für Biogasanlagen ergeben sich pro Jahr nutzbare Biomethanausbeuten von ca. 45 MWh pro ha bzw. 4,5 kWh pro m^2 und Jahr.
Hiervon kann in einer Biogasanlage ca. 35-40 % in Strom gewandelt werden.
==== Arbeitsplatz-Zahlen
Die Windenergietechnik erfordert bei gleicher Stromerzeugung ein Mehrfaches an Arbeitsplätzen, verglichen mit konventionellen Kraftwerken.
Verglichen mit Kohlekraftwerken, die mit importierter Steinkohle betrieben werden, ist die Zahl der Arbeitsplätze pro generierter kWh um den Faktor 4 höher, verglichen mit Kernkraftwerken etwa um den Faktor 10.
Weltweit waren im Jahr 2017 ca. 1.148.000 Menschen in der Windenergie-Branche beschäftigt.
In Deutschland stieg die Zahl der Arbeitsplätze von etwas mehr als Hunderttausend im Jahr 2011 auf rund 149.000 im Jahr 2014 an, etwa 130.500 davon im Bereich Onshore- und etwa 18.700 im Bereich Offshore-Windenergie.
2015 waren etwa 80 Prozent dieser Arbeitsplätze im Bereich Produktion und 20 Prozent in Betrieb und Wartung.
Laut einer Studie der 'Gesellschaft für Wirtschaftliche Strukturforschung' (GWS) erstrecken sich die Beschäftigungseffekte auf alle Bundesländer, nicht nur auf die vorwiegend in Norddeutschland befindlichen Zentren des Ausbaus.
2016 waren in Deutschland insgesamt 161.000 Menschen in der Windenergiebranche beschäftigt.
Mit dem Einbruch des deutschen Windenergiemarktes fiel diese Zahl laut IG Metall im Jahr 2017 um 26.000 und von 2018 bis Mitte 2019 um weitere 8.000 bis 10.000.
==== Hemmnisse beim Ausbau
In Deutschland stagniert der Ausbau der Onshore-Windenergie seit 2018.
Der Brutto-Zubau der Windenergie an Land lag 2019 auf dem tiefsten Stand seit Einführung des EEG und betrug 1 Gigawatt (GW) bzw. 325 Anlagen.
Als Hauptgrund für die Stagnation wird die Genehmigungssituation gesehen, insbesondere die Pflicht zum bundesweiten Ausschreiben neuer Windkraftanlagen seit 2017 und Förderzusagen an immissionsschutzrechtlich noch nicht genehmigte Windenergieprojekte.
Auch fehlende Flächen, zunehmende Klagen von Naturschutzverbänden und Konflikte mit der Luftverkehrssicherung spielen eine Rolle.
==== Gesellschaftliche Akzeptanz
Eine große Mehrheit der Bevölkerung befürwortet die Windenergienutzung, auch in Regionen noch ohne Windkraftanlagen, wie Umfragen international belegen (Deutschland, Schweiz, USA).
In der Vergangenheit gründeten sich trotzdem gelegentlich Bürgerinitiativen gegen geplante Projekte.
==== Gesundheitliche Risiken
Durch die Drehung der Rotoren werden sowohl im hörbaren Frequenzbereich als auch im Infraschallbereich Geräusche erzeugt.
Der hörbare Lärm der Windräder wird als "ungleichmäßige, aber dauerhafte Schallemissionen" beschrieben, die insbesondere nachts, wenn Verkehrslärm und andere Geräusche schwächer sind, als störend empfunden werden.
In einer Studie von Psychologen der Universität Halle-Wittenberg gaben etwa 10 % der befragten Anwohner körperliche und psychische Beschwerden an.
Diese reichten von erschwertem Einschlafen über weniger tiefen Schlaf bis hin zu negativer Stimmung oder seelischem Unwohlsein.
Bei Wiederholung der Befragung nach zwei Jahren litten nur noch 6,8 % der Befragten unter konkreten Symptomen, da viele Anwohner sich mit den Geräuschen des Windparks abfanden.
So schloss gut ein Viertel der Betroffenen nachts ihre Fenster, um nicht mehr von den Geräuschen gestört zu werden.
Die WHO empfiehlt als Obergrenze für die Lärmemissionen von Windenergieanlagen, dass diese durchschnittlich 45 Dezibel tagsüber nicht überschreiten sollten, da Lärm "oberhalb dieses Wertes mit schädlichen gesundheitlichen Auswirkungen verbunden" sei.
Für die nächtliche Höchstbelastung spricht die WHO keine Empfehlung aus, da es dafür noch nicht genügend aussagefähige Studien gäbe.
Der Grenzwert in Deutschland beträgt derzeit tagsüber 50 Dezibel.
Als Infraschall gilt Schall mit Frequenzen unter 20 Hertz.
Diese niedrigen Frequenzen gelten als nicht hörbar, es gibt aber Hinweise, dass Infraschall dennoch die Gesundheit beeinträchtigen kann.
Im Rahmen von Versuchsreihen an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz wurde im Labor eine Verminderung der Kontraktion zuvor operativ entfernter Herzmuskelteile bei Beschallung mit Infraschall-Signalen beobachtet.
Der Studie wird vom Bundesverband WindEnergie entgegengehalten, die verwendeten Schalldruckpegel lägen erheblich über denen von Windenergieanlagen und die Laboruntersuchung widerspreche einer Langzeitstudie zu Schallemissionen mit Anwohnern von Windenergieanlagen, die keine gesundheitlichen Auswirkungen des Infraschalls festgestellt habe.
==== Umweltauswirkungen
Die ökologischen Folgen der Windkraft insbesondere für Vögel, Fledermäuse und Insekten sind zwar bereits seit langer Zeit bekannt, wurden aber kaum wissenschaftlich erforscht.
Erst in jüngerer Zeit belegen Studien, dass die Auswirkungen massiver sind als vermutet.
So sterben alleine in den vier norddeutschen Bundesländern jedes Jahr mehr als 8500 Mäusebussarde an Windkraftanlagen, was fast 8 % der gesamten Population in diesen Ländern entspricht.
In Deutschland kommen jährlich 250.000 Fledermäuse durch die Rotoren um, da der Unterdruck in der Nähe der drehenden Rotoren Barotraumata hervorruft.
Eine Schätzung des Deutschen Instituts für Luft- und Raumfahrt geht davon aus, dass jährlich in Deutschland 1200 Tonnen Insekten durch Windräder sterben.
Dieser Wert wird vom Naturschutzbund NABU in Relation zu geschätzten 400.000 Tonnen Insekten gesetzt, die jährlich von Vögeln gefressen werden.
Dagegen warnt der Vorstand der Deutschen Wildtierstiftung, dass unter den 1200 Tonnen überwiegend Weibchen seien (diese suchen kurz vor der Eiablage hohe schnelle Luftströmungen auf, um sich vom Wind zu entfernten Brutplätzen tragen zu lassen), von denen jedes bis zu 1000 Eier hätte legen können und Windräder so "die nächste Generation erheblich dezimieren" können.
Da eine Windkraftanlage aus der Energie des Windes Elektrizität erzeugt, muss der Wind hinter der Anlage weniger Energiegehalt aufweisen als vor ihr.
Eine Windkraftanlage wirft immer einen Windschatten auf die windabgewandte Seite (Leeseite).
Hinter der Anlage entsteht stets ein Nachlauf (Wake-Effekt), ein turbulenter Windschweif mit einer geringeren Geschwindigkeit im Vergleich zum Wind vor der Anlage.
Hierdurch entstehen Strömungen und Verwirbelungen.
Windparks durchmischen die unteren Luftschichten, was insbesondere in der Nacht zu lokaler Erwärmung führt.
Eine Studie, der ein Szenario zugrunde liegt, dass die USA den gesamten derzeitigen Strombedarf aus Windkraft deckt, kommt zu dem Schluss, dass sich dadurch die Luft in 2 m Abstand zur Erdoberfläche auf dem Gebiet der USA um durchschnittlich 0,24 °C erwärmen würde.
Als Ursache wurde neben dem direkten Durchmischungseffekt auch die Erhöhung des vertikalen Gradienten der Windgeschwindigkeit genannt, was verstärkte Turbulenzen bewirke.
Im Gegensatz zur durch Treibhausgase hervorgerufenen globalen Erwärmung kommt es also nicht zu einer Erhöhung der in der Atmosphäre befindlichen Wärmeenergie, sondern zu einer Umverteilung bereit vorhandener Energie.
Langfristig würde sich diese Erwärmung der oberflächennahen Luftschicht zugleich mit der Abkühlung aufgrund geringerer Kohlendioxid-Emissionen relativieren.
Insgesamt seien die klimatischen Effekte der Windenergie nicht notwendigerweise vernachlässigbar, aber klein im Vergleich zur Verbrennung fossiler Brennstoffe.
Zugleich schneide die Windenergie "pro gewonnener Energieeinheit in jeglicher vernünftigen Maßeinheit langfristiger Umweltauswirkungen" besser ab als fossile Brennstoffe.
Laut einer Mitteilung des Westdeutschen Rundfunks betragen die Umweltkosten der Windenergie 0,28 ct/kWh, wobei 0,18 ct davon auf Treibhausgase entfallen (Herstellung, Transport, Rückbau, Recycling).
=== Internationale Entwicklung
==== Globale Statistik
International liegen nach installierter Leistung die Volksrepublik China, USA, Deutschland, Indien und Spanien auf den ersten fünf Rängen.
Österreich lag Ende 2017 mit 2828 MW außerhalb der Top 20, die Schweiz verfügt bisher nur über eine geringe Windenergieleistung.
2017 deckte die Windenergie in mindestens 13 Staaten mehr als 10 % des Elektrizitätsbedarfes.
Auch in der EU lag der Anteil mit ca. 11,6 % über diesem Wert, wobei insgesamt 8 EU-Mitgliedsstaaten über dem Durchschnitt lagen.
Den höchsten Windstromanteil hatte mit 43,4 % Dänemark.
Ein besonderes schnelles Wachstum hatte Uruguay vorzuweisen, das den Windstromanteil in nur drei Jahren von 6,2 auf 26,3 % steigerte.
Die Ende 2017 weltweit installierte Leistung hat ein Stromerzeugungspotenzial, das 5,6 % des Weltstromverbrauchs entspricht.
Das Regelarbeitsvermögen der rund 142 GW, die Ende 2015 in der EU installiert waren, liegt in einem durchschnittlichen Jahr bei 315 TWh, entsprechend 11,4 % des Elektrizitätsbedarfes der EU.
In Deutschland, Dänemark und Spanien gab es über Jahre eine durch den politischen Willen getragene gleichmäßige Entwicklung der Windenergie.
Dies hat zur Entwicklung eines neuen Industriezweiges in diesen drei Staaten geführt.
Im Jahre 2009 hatten die führenden Hersteller mit Standorten in Deutschland noch einen Anteil von mehr als 36 %, zwei Jahre später hatten allein die fünf größten asiatischen Unternehmen einen Anteil von 36 % am Weltmarkt erreicht.
Insgesamt decken die zehn Top-Firmen der Windenergiebranche rund 80 % des weltweiten Bedarfes ab.
Deutschland ist einer der Hauptexporteure von Windkraftanlagen.
2020 wurden weltweit ca. 93 GW neu installiert, mehr als die Hälfte davon in der Volksrepublik China.
Quelle:
GWEC
==== Deutschland
Ganz entscheidend für den Boom der Windenergie in der Bundesrepublik Deutschland war das Stromeinspeisungsgesetz von 1991, das die Stromnetzbetreiber zur Abnahme des erzeugten Stroms verpflichtete.
Diese Förderung des Technologieeinstiegs in erneuerbare Energien wurde von der von Herbst 1998 bis Herbst 2005 bestehenden Rot-Grünen Bundesregierung im Jahr 2000 im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) mit Einschränkungen fortgeschrieben.
Das Gesetz sicherte den Betreibern von Windenergieanlagen feste Vergütungen für den eingespeisten Strom zu.
In der Folge verdoppelte sich die installierte Leistung etwa alle zwei Jahre, bis etwa 2002.
Ende 2003 war rund die Hälfte der gesamten europäischen Windenergieleistung (28.700 MW) in Deutschland installiert.
Mittlerweile haben andere europäische Staaten stark aufgeholt, während in Deutschland die Vergütung reduziert wurde, sodass 2017 der deutsche Anteil an der europäischen Windkraftleistung nur noch gut 31 % betrug.
Die EEG-Förderung der Investoren stärkte indirekt die Stellung der deutschen Windkraftindustrie, was andere EU-Staaten kritisierten.
Vom Europäischen Gerichtshof (EuGH) wurde jedoch mit Entscheidung vom 13. März 2001 C-379/98 bestätigt, dass es sich bei Transfers aus dem EEG um keine Beihilfen im Sinne des EG-Vertrages handelt.
Auch der Subventionsbegriff laut § 12 des Stabilitäts- und Wachstumsgesetzes wird vom EEG nicht erfüllt.
Die strukturellen Wirkungen des EEG sind denjenigen von Subventionen vergleichbar, jedoch wird die Förderung von den Stromkunden aufgebracht und nicht aus Steuermitteln.
Deutschland hatte bis Ende des Jahres 2007 mit 22.247 MW die höchste installierte Leistung weltweit installiert, 2008 wurde es von den USA und 2010 von China übertroffen.
Ende 2014 waren in Deutschland 38.215 MW Onshore-Windkraft installiert, mit einem Zuwachs von 4.665 MW Neuinstallation allein im Jahr 2014. Offshore waren 1044 MW installiert, davon 523 MW neu ins Netz genommen.
Bis Ende 2017 wuchs die installierte Leistung auf 55.876 MW an.
Mit Enercon, Siemens Windenergie, Senvion und Nordex haben mehrere Windenergieanlagenhersteller ihren Sitz in Deutschland, weitere in der Windbranche tätige Unternehmen wie Vestas und General Electric betreiben Werke in Deutschland.
Im Jahr 2010 betrug der Exportanteil der Branche 66 %, der Umsatz lag im Jahr 2011 bei über 10 Mrd. Euro.
Im Jahr 2019 lieferte die Windenergie nach vorläufigen Zahlen der AG Energiebilanzen ca. 126,4 TWh elektrische Energie, womit sie vor Braunkohle (114,0 TWh), Erdgas (91,3 TWh), Kernenergie (75,2 TWh) und Steinkohle (56,9 TWh) die wichtigste Stromquelle in Deutschland war.
Windkraftanlagen an Land produzierten 101,8 TWh, Offshore-Windparks 24,6 TWh TWh.
Insgesamt produzierten Kraftwerke in Deutschland 611,5 TWh, von denen 569,0 TWh im Inland verbraucht wurden, der Rest wurde in europäische Nachbarstaaten exportiert.
Prozentual betrug der Anteil der Windenergie an der Stromerzeugung rund 21 %, Braunkohle lag bei ca. 19 %.
Tagesaktuelle Einspeisedaten (für Deutschland) sind für die Jahre ab 2011 im Internet frei zugänglich.
Den bisherigen Windstromrekord hält der Monat Februar 2020.
In diesem außergewöhnlich stürmischen Monat produzierten Windkraftanlagen nach vorläufigen Daten des BDEW ca. 20,9 TWh elektrischer Energie, was etwa der Jahresstromproduktion von zwei Kernkraftwerken entspricht .
Zugleich wurde damit der bisherige Windstromrekord von 16,5 TWh um rund 25 % übertroffen.
Ungewöhnlich stark war insbesondere die Kalenderwoche 8, in der die Windenergie mehr als 55 % des deutschen Strombedarfs deckte (siehe Grafiken in der folgenden Galerie).
Da das jährliche Windaufkommen schwankt, wird vom Deutschen Windenergie-Institut DEWI für die Berechnung der Windenergieanteile nach Bundesländern ein sogenanntes 100-%-Jahr (d. h. ein durchschnittliches Windjahr gemäß dem Windindex) als Berechnungsgrundlage verwendet.
Der Aufbau von Windkraftanlagen in verschiedenen Bundesländern hat diverse Vorteile.
Während z. B. in den norddeutschen Bundesländern tendenziell höhere Windgeschwindigkeiten herrschen, was die Wirtschaftlichkeit der Windenergie positiv beeinflusst, könnten sich durch die zusätzliche Erschließung von Standorten im Binnenland positive Effekte für die Energiesicherheit ergeben.
Das Bundesland Schleswig-Holstein plante 2012, ab 2020 300 % seines theoretischen Strombedarfs durch Erneuerbare Energien zu decken, den größten Teil davon durch Windenergie.
Niedersachsen plante im Januar 2012, bis 2020 90 % des Stromes aus erneuerbaren Quellen zu beziehen, wovon der größte Teil von der Onshore-Windenergie gedeckt werden soll.
In Nordrhein-Westfalen erhöhte die schwarz-gelbe Landesregierung im Jahr 2005 den Mindestabstand für neu zu bauende Windenergieanlagen zum nächsten Gebäude von 500 m auf 1500 m.
Damit brachte sie den Bau von neuen Anlagen fast zum Erliegen.
Im Juli 2011 lockerte die rot-grüne Landesregierung (Kabinett Kraft I) mit einem neuen Windenergieerlass Bestimmungen, die bis dahin den Ausbau der Windenergie gebremst hatten.
Die nächste Landesregierung war wieder schwarz-gelb und erhöhte auf 1500 m.
In den süddeutschen Ländern Baden-Württemberg und Bayern sowie Hessen wurde der Ausbau der Windenergie z. B. durch sehr große Ausschlussflächen und Höhenbegrenzungen für Anlagen administrativ behindert, wodurch der Zubau an Windkraftanlagen gering blieb.
In Bayern forderte Ministerpräsident Seehofer 2013 einen Abstand zur nächsten Besiedlung, der dem 10-Fachen der Höhe der Windkraftanlage entspreche; 2014 beschloss der Bayerische Landtag ein Gesetz dazu; der Bayerische Verfassungsgerichtshof lehnte eine Klage der Opposition dagegen im Mai 2016 ab.
Spätestens seit der Nuklearkatastrophe von Fukushima setzte jedoch ein Umdenken ein, sodass nun auch in Süddeutschland der Ausbau der Windenergie forciert wird.
Die mittlerweile grün-rote Landesregierung Baden-Württembergs senkte mit dem "Windenergieerlass Baden-Württemberg" administrative Hürden.
Seit 2009 ist in Deutschland der Bau von Offshore-Windparks wirtschaftlich attraktiv.
Als erster Offshore-Windpark wurde der als kommerzielles Testobjekt entwickelte Offshore-Windpark alpha ventus im Jahr 2010 in Betrieb genommen.
2011 folgte der Ostsee-Windpark Baltic 1.
Größere Anlagen gingen erst danach sukzessive ans Netz.
Insgesamt ist der Ausbau der Offshore-Windenergie in Deutschland erst im Anfangsstadium begriffen.
Im Jahr 2015 speisten insgesamt 546 neue Offshore-Windkraftanlagen mit einer Gesamtleistung von 2.282,4 MW ins Netz ein.
Zusätzlich wurden 41 weitere Windkraftanlagen errichtet, deren Netzanschluss noch aussteht.
Insgesamt waren Ende 2015 792 Offshore-Windkraftanlagen mit einer Gesamtleistung von 3.294,9 MW in Betrieb.
Ende Juni 2019 waren 1.351 Offshore-Windkraftanlagen mit Netzeinspeisung und einer Gesamtleistung von 6.658 MW in Betrieb, sowie 56 Anlagen mit 410 MW ohne bisherige Netzeinspeisung.
==== Dänemark
Dänemark war u. a. aufgrund seiner durch die geographische Lage des Landes bedingten guten Windbedingungen sowie der Tradition der Windenergienutzung, auf die in den 1970er Jahren institutionell wie technologisch aufgebaut werden konnte, der Pionier in der Entwicklung der modernen Windkrafttechnik (siehe auch Geschichte der Windenergienutzung).
Von Dänemark aus verbreitete sich die Windenergienutzung ab den 1970er Jahren weltweit.
Bereits 1981 wurde ein erstes Einspeisegesetz eingeführt, das Windstromproduzenten einen festen Preis pro kWh zusicherte und damit Investitionssicherheit schuf.
Im Jahr 2012 überstieg der Anteil der Windenergie am dänischen Stromverbrauch zum ersten Mal die 30-%-Marke.
Bis 2020 soll der Anteil gemäß den Ausbauplanungen der dänischen Regierung 50 % betragen.
Im Jahr 2019 deckte Windstrom 47 % des dänischen Strombedarfes.
2015, als ca. 42 % Windstromanteil erreicht wurden, wurden ca. 14,1 TWh Windstrom produziert.
Dänemark setzt sowohl auf die Windenergie an Land als auch auf die Windkraft im Meer (Offshore-Windenergie).
Im Gegensatz zu Deutschland, wo die meisten Offshore-Windparks zum Schutz des Wattenmeers sowie aus Sorge um touristische Belange weit vor der Küste geplant sind, sind die dänischen Windparks vor allem im küstennahen Bereich in geringen Wassertiefen zu finden.
Bedeutende Offshore-Windparks sind Horns Rev, Nysted und Anholt.
Im März 2013 überschritt die in Offshore-Windparks installierte Anlagenleistung 1000 MW.
Nach einer Untersuchung aus dem Jahr 2020 sieht die dänische Windagentur ein Potenzial von bis zu 18 GW.
==== Japan
In Japan gibt es ähnlich wie in Deutschland einen festen Vergütungssatz für erneuerbare Energien.
Die Vergütung für elektrischen Strom aus Windenergieanlagen beträgt seit 1. Juli 2012 mit 23,1 Yen pro kWh (umgerechnet 24 Cent im Berichtsmonat Juli 2012) deutlich mehr als in anderen Ländern.
Stand Ende 2019 hatte Japan 4 GW an Erzeugungskapazität aus Wind.
Nach Plänen der japanischen Regierung soll bis 2040 allein Offshore 30-45 GW an Erzeugungskapazität aufgebaut werden.
==== Österreich
Ende 2020 waren in Österreich 1.307 Windenergieanlagen mit einer Gesamtleistung von 3.120 MW in Betrieb.
2014 war mit zusätzlichen 411 MW Windkraftleistung das bisher stärkste Ausbaujahr in Österreich.
Fast die Hälfte davon (192 MW) wurde im Burgenland errichtet.
Das Burgenland ist daher seit März 2013 rechnerisch stromautark.
Die jährliche Gesamtproduktion aller Windräder Österreichs belief sich 2017 auf ungefähr 7 TWh.
Dies entsprach zu dieser Zeit etwa 11 Prozent des gesamten österreichischen Strombedarfs.
2019 wurden etwa 13 Prozent des Bedarfs aus Windkraft gedeckt.
In Oberzeiring in der Steiermark wurde 2002 der Tauernwindpark errichtet, welcher Österreichs bisher höchstgelegener Windpark auf 1900 m Seehöhe ist.
Er umfasst nach einem Umbau im Jahr 2019 zehn Anlagen mit einer Gesamtleistung von 32 MW.
Mit Abstand am meisten Windenergie wird in Niederösterreich produziert.
Allerdings nahm der dortige Ausbau zuletzt wieder deutlich ab.
==== Portugal
Ende 2019 hatte Portugal eine Windkraftleistung von 5.437 MW aufgebaut (2015: 5.033 MW, 2016: 5.313 MW, 2017: 5.313 MW durch 2.743 Turbinen in 257 Windparks).
Am gesamten Stromverbrauch betrug der Windstromanteil 24 % im Jahr 2017, 27 % 2019 und 24,4 % 2020.
==== Schweiz
Ab 1996 entstand mit dem Windkraftwerk Mont Crosin im Kanton Jura der erste leistungsstarke Windpark in der Schweiz; er wurde bis 2013 auf eine Leistung von 29 MW ausgebaut.
Auf der Gütsch ob Andermatt steht auf rund 2300 m über dem Meeresspiegel der Windpark Gütsch, er hat seit 2012 vier Anlagen mit insgesamt 3,3 MW Leistung.
Der Windpark Gries ist Europas höchstgelegener Windpark und steht auf rund 2500 m über dem Meeresspiegel beim Gries-Stausee im Kanton Wallis; es handelt sich um vier Enercon-Turbinen mit zusammen 9,3 MW Leistung.
Mit Einführung der kostendeckenden Einspeisevergütung (KEV) 2009 sind einige Erweiterungen und neue Windparks entstanden.
Ende 2017 waren in der Schweiz insgesamt 37 Anlagen mit einer Gesamtleistung von 75 MW installiert und am Netz.
Seit 2014 werden in der Schweiz jährlich mehr als 100 GWh erzeugt (2014: 100,9 GWh; 2015: 110 GWh; 2016: 108,6 GWh 2017: 132,6 GWh).
2020 rechnet das BfE mit etwa 140 GWh.
Das Bundesamt für Energie (BfE) hat den Windatlas 2016 und den Windatlas 2019 veröffentlicht.
Letzterer zeigt im Mittel 0,5 Meter pro Sekunde geringere Windgeschwindigkeiten als der Wiindatlas 2016.
==== Spanien
Die Entwicklung der modernen Windenergienutzung begann in Spanien Mitte der 1990er Jahre, als staatliche Förderungen eingeführt wurden.
Diese waren industriepolitisch motiviert, wobei die Schaffung neuer Arbeitsplätze im Vordergrund stand.
Zudem sind die geographischen Bedingungen für die Windkraft günstig sowie Widerstände durch die Bevölkerung aufgrund der geringen Besiedlungsdichte selten.
Bis 2006 hatte Spanien bei der installierten Leistung mit 11.630 MW weltweit hinter Deutschland den zweiten Platz inne.
Bis 2012 wurden mehr als 11 GW zugebaut, was aber nicht verhindern konnte, dass China und die USA nach installierter Leistung an dem Land vorbeizogen:
2012 lag Spanien mit einer installierten Leistung von 22,8 GW weltweit auf dem vierten Platz, womit es weiterhin zu den führenden Windenergienutzern gehörte.
Nach vorläufigen Zahlen des Netzbetreibers Red Electrica de Espana war die Windenergie im Jahr 2013 der wichtigste spanische Stromproduzent.
Mit einem Anteil von 21,1 % lag die Windenergie damit knapp vor der Kernenergie mit 21,0 %, Kohlekraft (14,6 %) und Großwasserkraft (14,4 %).
Die Gesamterzeugung Spaniens betrug 246,17 TWh.
Spanien ist nach Angaben der Windkraft-Fachzeitschrift Windpower Monthly damit das erste Land, in dem die Windenergie auf Platz 1 der Erzeugungsstatistik liegt.
Ende 2019 lag die in Spanien installierte Gesamtleistung der Windkraftwerke bei 25.808 MW, der zweitgrößte Wert in Europa (nach Deutschland).
Der Anteil des Windstroms am gesamten Verbrauch lag 2019 bei 21 %.
Mit Siemens Gamesa hat einer der größten Windkraftanlagenhersteller der Welt seinen Sitz in Spanien.
Zudem avancierte Iberdrola zu einem weltweit führenden Investor in der Branche.
==== Vereinigte Staaten
Die USA sind nach Dänemark das Land, das auf die längste Geschichte der modernen Windstromnutzung zurückblicken kann.
Erste Fördermaßnahmen wurden Ende der 1970er Jahre infolge der Ölkrisen beschlossen.
Daraufhin setzte in Kalifornien, wo neben der staatlichen Förderung auch ein bundesstaatliches Förderprogramm aufgelegt wurde, Anfang der 1980er Jahre ein früher Windenergieboom ein.
Ende 2020 waren in den USA Windkraftanlagen mit einer Leistung von 122,3 GW installiert (2016: 82,2 GW, 2019: 105,4 GW).
Der Zubau 2020 betrug 16,2 GW.
Im Jahr 2015 wurden 191 TWh Strom aus Windenergie produziert, 2020 waren es 338 TWh, das waren 8,4 % der bereitgestellten elektrischen Energie.
Gefördert werden Windkraftanlagen - wie auch andere Formen Erneuerbarer Energien - in den USA per Production Tax Credit; die Höhe dieser Steuergutschrift betrug 2013 2,2 US-Cent/ kWh.
Diese läuft (Stand November 2016) bis 2020.
Obwohl es in den USA vor 2016 keine Offshore-Windparks gab, kamen Windkraftanlagen 2011 auf einen vergleichsweise hohen Kapazitätsfaktor von 33 %, entsprechend etwa 3000 Volllaststunden.
==== Volksrepublik China
Erste Schritte zur modernen Windenergienutzung gab es in der Volksrepublik China bereits in den 1980er Jahren, während der der Germanische Lloyd ein Testfeld in der Inneren Mongolei betrieb.
Zudem wurden, unterstützt durch Förderprogramme, kleine Windkraftanlagen nach China geliefert, um dort die Elektrifizierung des Landes voranzutreiben.
Über eine Nischenfunktion kamen diese Projekte jedoch nicht hinaus.
Seit Mitte der 2000er Jahre wird die Windenergie in der Volksrepublik dagegen massiv ausgebaut.
Ende 2006 waren erst 2,6 GW installiert, bis 2009 verdoppelte sich die Kapazität jährlich (Ende 2009 waren 25 GW installiert).
2010 wurden 19 GW zugebaut, womit in diesem Jahr rund die Hälfte der weltweit zugebauten Leistung auf China entfiel.
Bis Ende 2016 waren 168,7 GW installiert; gut ein Drittel der weltweit installierten Leistung.
Der Zubau im Jahr 2017 betrug 19,5 GW.
Die Stromproduktion lag 2015 bei 186,3 TWh, was ca. 3,3 % der chinesischen Gesamtproduktion entsprach.
Dieses Wachstum übertraf deutlich die Erwartungen des zwölften Fünfjahresplans von 2011, in dem ein Ausbau auf 200 GW bis zum Jahr 2020 vorgesehen war.
2016 wurde das Ziel nur auf 250 GW angehoben und eine moderate Absenkung der Einspeisevergütungen beschlossen, da es regional Probleme mit den Netzausbau gibt.
2020 nahm China Anlagen mit einer Leistung von etwa 58 Gigawatt neu in Betrieb.

Klexikon (einfache Sprache):
Die Windkraft ist eine Art, wie man Energie gewinnt.
Meistens ist gemeint, dass man Energie des Windes in elektrische Energie umwandelt.
Aber die Menschen haben Windkraft schon vor langer Zeit mit Windmühlen und Segelschiffen genutzt.
Im Jahr 1887 hat jemand in Großbritannien zum ersten Mal aus Wind elektrische Energie gemacht.
Der Wind weht gegen Flügel des Rotors, der dann einen Generator bewegt.
Der Generator ist das Gerät, das den Strom herstellt, ähnlich wie der Dynamo am Fahrrad.
Die Windkraft hat wichtige Vorteile.
Man nennt sie eine erneuerbare Energie, da der Wind auch in Zukunft weht und nicht durch die Windkraft weniger wird.
Kohle und Erdöl hingegen werden verbraucht und wachsen nicht nach.
Bei der Windkraft entsteht an sich auch kein Schmutz.
Allerdings finden manche Leute, dass die Windkraftanlagen in der Landschaft nicht so schön aussehen.
Außerdem halten sie den Rotor für laut.
Darum wollen sie zumindest keine Windräder in ihrer Nachbarschaft.
Von der Energie, die man auf der Welt nutzt, stammt noch wenig aus der Windkraft.
Bei einigen Ländern ist es aber schon ein großer Anteil, in Dänemark etwa ein Drittel.
China, die USA und Deutschland sind die drei Länder auf der Welt, die am meisten Windstrom gewinnen.