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Warum Windkraftanlagen bei Sturm abgeschaltet werden

Sturmserien wie "Ylenia", "Zeynep" und "Antonia", die Mitte Februar 2022 über Norddeutschland fegten, wirken sich erheblich auf die Erzeugung von Strom durch Windräder aus. Bei Stürmen kann der Anteil von Windenergie am deutschen Strommix auf bis zu 60 Prozent ansteigen. Doch es könnte noch viel mehr sein, denn durch Abschaltung von Windanlagen bei Sturm lassen wir viel Energie ungenutzt. Warum ist das immer noch so?

Windräder im Sturm, Küste bei Boulogne-sur-Mer
Kündigt sich ein handfester Sturm an, werden die Windräder meist vorsorglich abgeschaltet.

Windkraftanlagen werden durch die Bewegungsenergie des Windes angetrieben und können diese in elektrische Energie umwandeln, die in das Stromnetz eingespeist wird. Das Zentrum der meisten Windräder, um das sich die Rotorblätter drehen, die sogenannte Nabe, befindet sich 100 Meter über dem Boden. Mit den dort herrschenden Windbedingungen kann eine Kapazität von im Schnitt 2,5 Megawatt (MW) erreicht werden. Im Jahr 2021 installierten einige Erzeuger Windkraftanlagen auf dem Land mit einer Nabenhöhe von 140 Metern, die sogar vier Megawatt schaffen. In dieser Höhe wehen die Winde deutlich kräftiger und konstanter und sorgen so für mehr Windenenergie. Allerdings sind die Rotorblätter in solcher Höhe auch Stürmen stärker ausgesetzt.

Sturm heißt nicht gleich mehr Strom

Doch es gibt einige Maßnahmen, um die Windräder vor kräftigen Winden zu schützen: Kündigt sich ein handfester Orkan an, werden die Windräder meist vorsorglich abgeschaltet und die Rotorblätter so gestellt, dass sie dem Wind nur wenig Angriffsfläche bieten. Solche Maßnahmen werden ab Windgeschwindigkeiten von 90 Kilometern pro Stunde (km/h) ergriffen.

Ein solcher Stopp bei Sturm dient allerdings nicht nur dem Schutz der Windräder, sondern verhindert auch eine Überlastung der Stromnetze. Da Energie aus erneuerbaren Quellen noch nicht effizient und in größerem Maße gespeichert werden kann, würde bei Sturm mehr Strom in die Netze fließen, als diese verkraften können. Dies kann zu Schäden an Verteilern, Transformatoren und elektrischen Geräten führen und im Extremfall sogar einen kompletten Stromausfall verursachen. Umgekehrt führt die Ausschaltung der Windräder bei Sturm aber nicht zu regionalen Stromengpässen, da alle Haushalte an ein nationales Netzwerk angeschlossen sind, das lokale Ausfälle kompensieren kann.

Stromüberschuss nicht nur ungenutzt, sondern auch teuer

Ein heute oft genutzter Ansatz zur besseren Nutzung des Windstrom-Überschusses ist eine Drosselung einiger Kohle- und Gaskraftwerke. So kann mehr des durch Windenergie erzeugten Stroms in den deutschen Strommix einfließen und der Überschuss an Ökostrom wird ausgeglichen. Allerdings ist dies keine wirklich nachhaltige Lösung und fällt spätestens dann weg, wenn die Kohlekraftwerke aus Klimaschutzgründen vom Netz gehen.

Eine weitere Lösung wäre der Ausbau der Stromnetze, damit diese auch stärkeren Schwankungen standhalten. Doch der geplante Netzausbau mit mehr als 7.000 Kilometern neuer Höchstspannungsleitungen, die mehr Strom aufnehmen und transportieren könnten, geht bisher nur schleppend voran. Also müssen trotzdem immer noch Windkraftanlagen bei zu hohen Windgeschwindigkeiten abgeschaltet werden, um so wenig überschüssige Windenergie wie möglich zu produzieren.

Das ist nicht nur verschwenderisch, sondern auch teuer. Denn der Überschuss an Strom, der nicht genutzt werden kann, verursacht Kosten. Die Preise dieses sogenannten Geisterstroms rutschen dadurch ins Negative, das heißt die Windkraft-Erzeuger zahlen dafür, dass ihnen jemand den Strom abnimmt. Außerdem werden die Windanlagenbetreiber für jede Kilowattstunde Strom entschädigt, die sie aufgrund der drohenden Gefahr einer Netzüberlastung, nicht produzieren dürfen. Daher bestehen bisher für die Windenergie-Erzeuger auch keine Anreize ihren Strom zu speichern und später weiter zu verkaufen.

Lösung: Speicherung und Wasserstoffproduktion

Doch wenn Deutschland seinen Strombedarf in Zukunft zu einem großen Teil aus erneuerbaren Energien abdecken will, muss es Speicherkapazitäten für überschüssig produzierte Windenergie geben. Ein Ansatz dafür liefen zum Beispiel Pumpspeicherkraftwerke, die Wasser mit dem überschüssigen Strom in höher gelegene Becken transportieren. Lässt man sie zu einem späteren Zeitpunkt über Generatoren herunterfließen, steht in stromärmeren Zeiten wieder Energie zur Verfügung.

Eine andere Möglichkeit ist die Nutzung des Windstroms für die Wasserstoffproduktion. Dabei wird die Windenergie genutzt, um Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Der Wasserstoff wiederum wird künftig als Kraftstoff, Brennstoff und wichtiger Chemierohstoff dringend gebraucht. Allerdings sind solche Anlagen bisher erst im Versuchsstadium und können daher den überschüssigen Windstrom noch nicht abpuffern.

Darrieus-Windräder auf dem Campus der Bergischen Universität, Wuppertal
Vertikalmodelle wie die Savonius-Rotoren oder die hier gezeigten Darrieus-Rotoren wurden schon in den 1920er-Jahren entwickelt.

Gängige Vertikalrotoren haben zwar einen niedrigeren Wirkungsgrad als herkömmliche Windräder, bieten aber auch ein paar Vorteile: Sie sind leiser und unempfindlicher gegen wechselnde Winde. Und nach neueren Untersuchungen sind sie besser für den Betrieb im Verbund geeignet. Die Wirkungsgradnachteile könnten also möglicherweise in Windparks durch eine dichtere Platzierung kompensiert werden.

Sturmresistente Windräder

Sollte das Speicherproblem des Windenergie-Überschuss irgendwann gelöst sein, müssten die Windräder bei einem drohenden Sturm nicht mehr wegen Überlastung des Stromnetz abgeschaltet werden. Bleibt also nur noch die Gefahr, dass Rotorblätter durch Orkanböen abgeknickt werden können.

Doch auch hierfür gibt es schon Ansätze: Ein Unternehmen aus Island baut eine Windanlage mit in sich verdrehten Rotorblättern. Die Konstruktion aus Schaufeln, die den Wind einfängt, bremst sich selbst aus, wenn die Winde zu stark werden und hält selbst bei Orkanböen ihre konstante Maximalgeschwindigkeit bei. Während konventionelle Windräder bei Stürmen also schon längst abgeschaltet werden müssen, kann die Turbine der Isländer noch fleißig weiter Strom produzieren. Bisher ist die Anlage allerdings eher nur für Kleinverbraucher ausgelegt.

Beim "Einfangen des Winds" gibt es also viele Möglichkeiten zur Optimierung. Sollte dies in Zukunft gelingen, wäre das ein großer Schritt in Richtung Klimaneutralität und könnte Deutschland unabhängig von fossilen Brennstoffen machen.

JFR, 02.03.2022
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