Windenergie. 2., vollständig neu bearbeitete Auflage

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1 Windenergie 2., vollständig neu bearbeitete Auflage

2 Lorenz Jarass Gustav M. Obermair Wilfried Voigt Windenergie Zuverlässige Integration in die Energieversorgung 2., vollständig neu bearbeitete Auflage 2123

3 Prof. Dr. Lorenz Jarass Rhein-Main-University Wiesbaden Dudenstr Wiesbaden Prof. Dr. Gustav M. Obermair Riverside Plot 124 P.O. Box 8141 Swakopmund, Namibia Wilfried Voigt Brückenstr Kiel ISBN e-isbn DOI / Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. c Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1980, 2009 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Einbandgestaltung: WMXDesign GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier springer.de

4 Vorwort Im Jahr 1981 erschien im Springer-Verlag unser erstes Buch Windenergie als Ergebnis eines für die Internationale Energieagentur durchgeführten Forschungsvorhabens. Um zum einen die Kontinuität der Fragestellungen, zum anderen aber auch den seither erreichten technischen Fortschritt und die inzwischen verwirklichten Erwartungen zu verdeutlichen, sei hier aus dem damaligen Vorwort zitiert: Die Kraft und die Launen der Winde sind in die Mythen der Menschheit ebenso eingegangen wie in die Geschichte der Technik: launische Götter, Sinnbild von Wechselhaftigkeit und Dauer zugleich. Und doch: nach jedem Scheitern diese Kräfte erneut listenreich zu zähmen, im Bündnis mit der Natur der Natur zu widerstehen, das macht den Odysseus aus, Inbegriff des Menschen, der nicht nur duldet, sondern auch handelt. Erst mit der Erschließung der üppigen fossilen Energieträger in der industriellen Revolution werden für fast zwei Jahrhunderte die Windkräfte aus dem Blickfeld verdrängt. Doch heute, da die prinzipielle Begrenztheit fossiler Rohstoffe erstmals weltweit bewusst wird, da bei fossilen wie bei nuklearen Energieträgern die Umweltbelastung durch Immissionen und Abwärme wachsenden Widerstand hervorruft, steht die Frage nach unerschöpflichen und sauberen Energiequellen wieder im Vordergrund des Interesses; beide Merkmale, Unerschöpflichkeit und ein vergleichsweise geringes ökologisches Belastungspotenzial, kommen dem Wind gewiss zu. Bleibt die alte Frage nach der Kraft und den Launen der Windgötter, nach der Größe des Windangebots und nach seiner Zuverlässigkeit; technisch gesprochen: nach dem natürlichen und dem technisch und wirtschaftlich nutzbaren Potenzial der Windenergie in einem bestimmten Land, nach einem möglichen Ausgleich der Schwankungen dieses Angebots durch technische und organisatorische Maßnahmen, nach der Konkurrenzfähigkeit und dem volkswirtschaftlichen Wert der Energiequelle Wind. Weiter heißt es im Vorwort vor 28 Jahren:... es werden Fragen der folgenden Art behandelt: An welchen Standorten, im Wesentlichen wohl im norddeutschen Küstenbereich, besteht überhaupt Aussicht auf wirtschaftlich tragbare Stromerzeugung aus Windenergie? Was lässt sich über Standorte im Landesinneren aussagen? v

5 vi Vorwort Welches Gesamtpotenzial der Stromerzeugung aus Wind ist damit für die Bundesrepublik abschätzbar? Wie ist der Realzeitverlauf der Gesamtwindenergieerzeugung eines über die genannte Region verteilten Verbunds von Windturbinen über viele Jahre? Welche Schwankungen, Ausfallzeiten etc. der Produktion ergeben sich? Lassen sich durch entsprechende regionale und lokale Verteilungen der einzelnen Windturbinen Verbesserungen dieser Windenergieangebotsstruktur hinsichtlich geografischer Dichte der Energieerzeugung einerseits, hinsichtlich verbessertem Ausgleich von Schwankungen andererseits erzielen? Welches ist der Effekt einer Einspeisung dieses in seinem Realzeitverlauf bekannten Angebots in das westdeutsche Verbundsystem? Welcher Kapazitätseffekt, d. h. welche Substitutionsmöglichkeit von konventionellen Kraftwerken, ergibt sich? Welche Brennstoffeinsparung ergibt sich? Soweit zum Vorwort unseres 1981 veröffentlichten Buches Windenergie. Die Liste der dort aufgeworfenen Fragen ist erstaunlich aktuell, auch wenn damals noch niemand an Offshore-Windenergieanlagen und an eine Strombörse dachte. Die Dimensionen des damals von L. Jarass mit 3 MW installierter Leistung und 100 m Rotordurchmesser mitentworfenen GROWIAN wurden nach 25 Jahren intensiver technischer Entwicklung im Jahr 2005 wieder erreicht, diesmal aber mit Betriebszeiten von (hoffentlich) vielen Jahren, nicht wie bei GROWIAN von nur wenigen Stunden. Überraschend viele Ergebnisse des damaligen (noch mit Lochkartentechnologie ausgewerteten) Simulationsmodells zur Integration von Windenergie in die Stromversorgung wurden durch Untersuchungen der letzten Jahre bestätigt, insbesondere zur Höhe und Art der Brennstoffeinsparung, zur Problematik von reinen Windenergiespeichern und zur unabdingbaren Notwendigkeit der Einbindung der Windenergie in das gesamte Stromversorgungssystem. Noch nicht absehbar war damals offenbar die Kontroverse um den Umfang und die Kosten des erforderlichen Ausbaus des Stromnetzes. Seither gibt es wachsenden Widerstand in der Bevölkerung gegen weitere Eingriffe in Natur und Landschaft, nicht nur durch die in manchen Regionen bis zum Horizont reichenden Reihen von Windturbinen, mehr noch durch lange neue Hoch- und Höchstspannungsleitungen, die jedenfalls nach Angaben der Netzbetreiber zur Übertragung von Windenergie zu den Verbrauchszentren erforderlich sind, eines der Probleme, die in diesem Buch ausführlich behandelt werden. Die Entwicklung der Windenergienutzung in Deutschland gilt weltweit als Erfolgsgeschichte. Bei der Darstellung der entscheidenden Faktoren und erforderlichen Rahmenbedingungen für diese positive Entwicklung konnten wir auf die umfangreichen Kenntnisse und Erfahrungen von W. Voigt zurückgreifen, der als zuständiger Staatssekretär in Schleswig-Holstein von 1996 bis 2005 die Entwicklung auf allen Ebenen konkret mit vorangetrieben und gestaltet hat. In diesem Buch wird verdeutlicht, dass die bisherige und auch die parteipolitisch einvernehmlich beschlossene weitere Entwicklung der Windenergie keine Selbstverständlichkeit ist, sondern oftmals durch massive Interessenkonflikte

6 Vorwort vii geprägt wurde und wird. Dies zeigt sich auch bei anderen zentralen Themen dieses Buches: die führende Rolle der Windenergie bei der Erreichung der Klimaschutzziele und einer verringerten Abhängigkeit von fossilen und nuklearen Energieträgern; die technische und ökonomische Optimierung der Windenergieanlagen und der benötigten Stromübertragungssysteme auf der Grundlage von bewährten Optimierungsverfahren; der notwendige Umbau des gesamten Kraftwerkssystems, in dem hohe Anteile stark schwankender erneuerbarer Energie mit rasch regelbaren Reservekraftwerken zusammenwirken müssen. Die Ergebnisse einer dazu für das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit durchgeführten Untersuchung zur wirtschaftlichen Zumutbarkeit des Netzausbaus für Windenergie sowie eine Reihe von weiteren von uns vorgelegten wissenschaftlichen Gutachten und Veröffentlichungen werden im vorgelegten Buch entsprechend berücksichtigt. Ebenfalls neu und in den nächsten Jahren sicher im Vordergrund stehend sind die hier behandelten technischen und wirtschaftlichen Probleme der Offshore-Windenergie, deren Lösung Voraussetzung für den Aufbau großer Windparks in den küstenfernen Gebieten der Nord- und Ostsee bilden. Bei den anstehenden strukturellen Umwälzungen von Energieumwandlung (massiver Windenergiezubau) und Energieverteilung (Stromnetze) ist die gesamtwirtschaftliche Kostenoptimierung von besonderer Bedeutung. Die Einspeisung von Windenergie, von anderen erneuerbaren Energien sowie von Kraft-Wärme-Kopplung erlaubt eine Nutzung von schwer regelbaren Grundlastkraftwerken in immer weniger Fällen, deshalb sinken deren Volllaststunden weit unter pro Jahr ab. Damit sind zukünftig neue Grundlastkraftwerke nicht mehr wirtschaftlich betreibbar, weil sie ihre Zins- und Tilgungszahlungen nicht mehr erwirtschaften können. Für die (v. a. auf Kohlebasis) geplanten neuen, nicht regelbaren Grundlastkraftwerke gibt es deshalb keine wirtschaftliche Zukunft. Insgesamt zeichnet sich derzeit für die Integration der Windenergie in die Energieversorgung eine positive Entwicklung ab: Der ordnungspolitische Rahmen, der durch nationales Recht (Erneuerbare-Energien-Gesetz, Atomausstiegsgesetz) und europäische Richtlinien (Stromrichtlinie, CO 2 -Abgaben) gesetzt ist, wird den skizzierten Umbau des gesamten Systems der Stromerzeugung und -verteilung aufgrund der Marktkräfte vorantreiben. Wir bedanken uns bei MR U. Paschedag und T. Falk, beide BMU, Berlin, sowie bei Dr. J. Nitsch, DLR Stuttgart, und Prof. H. Brakelmann, Universität Duisburg- Essen, für die Unterstützung unserer Arbeiten; bei Prof. D. Schulz für die Durchsicht der Abschnitte zu thermischen Kraftwerken; bei stud. jur. L. Jarass für die Mithilfe bei der Erstellung von Tabellen und Grafiken und bei Dipl. Volkswirtin A. Jarass für die Lektorierung des Buches. 21. Oktober 2008 L. Jarass, Wiesbaden G. M. Obermair, Swakopmund/Namibia W. Voigt, Kiel

7 Inhalt Überblick und Einführung... xv 1 Abkehr von fossilen Brennstoffen: Probleme, Ziele und Lösungsansätze Probleme fossiler Energieträger: abnehmende Ressourcen, zunehmende politische Abhängigkeit, Klimawandel Energiepreisentwicklung Abhängigkeit und Erpressbarkeit Europas Ziele und Maßnahmen zur Lösung des Klimaproblems Effizienzsteigerungen und Einsparungen Erneuerbare und nachwachsende Energie Nukleare Optionen Kohlendioxid-Rückhaltung Leitszenarien für zukünftige Energiestrukturen Wie sind die Aussichten, die Energie- und Klimaziele zu erreichen? Stromerzeugung in Deutschland bis Regenerative Stromerzeugung in Deutschland bis Teil I Grundlagen der Erzeugung und Übertragung von Windenergie 2 Physikalisch-technische Grundlagen der Windenergienutzung Globale und lokale Luftzirkulation in der Atmosphäre Klima und Wetter Reguläre und chaotische Strömung Wind und Windenergie Von der Bewegungsenergie des Windes zur elektrischen Energie Umwandlung Stufe 1: Von der Luftströmung zur Drehung der Turbinenwelle Umwandlung Stufe 2: Von der Turbine bis zum Drehstromausgang einer Windenergieanlage: die Leistungskennlinie Regelung und Netzeinspeisung ix

8 x Inhalt 3 Wind als stochastische Energiequelle Statistische Beschreibung von Windgeschwindigkeiten Windenergieproduktion an einem gegebenen Standort Leistung-Dauer-Kurve Jahresenergieproduktion und Volllaststunden Theoretisch versus tatsächlich zu erwartende Volllaststunden Extreme zeitliche Schwankungen der Windgeschwindigkeit Einzelanlage versus Windpark Energieproduktion aller deutschen Windkraftwerke Versorgungssicherheit im Stromnetz bei hoher Windenergieeinspeisung Stromnetze und Windenergie Trennung von Stromerzeugung, Übertragungsnetzbetrieb und Stromverkauf Ausbau der Stromnetze erforderlich Übertragungsleistung und Versorgungssicherheit Zuverlässige Versorgung von Stromverbrauchern: das (n-1)-kriterium Übertragung von Windenergie durch ein vermaschtes System: modifiziertes (n-1)-kriterium Anschluss von Windparks an das Höchstspannungsnetz Windbedingte Erhöhung der Übertragungsfähigkeit des Stromnetzes Erhöhung von Versorgungssicherheit und Übertragungsleistung ohne Netzneubau: Leitungsmonitoring und Hochtemperaturseile Netzneubau: Freileitung versus Erdkabel Netzanbindung der Offshore-Windparks Übernahme der Netzanbindung durch die Übertragungsnetzbetreiber Umsetzung der Offshore-Netzanbindung in der Nordsee Netzintegration der Windenergie in Europa Europäisches Offshore-Supergrid Teil II Windenergieausbau 5 Systematische Berücksichtigung von externen Kosten: Erneuerbare-Energien-Gesetz Berücksichtigung der externen Kosten der konventionellen Stromerzeugung Förderung der erneuerbaren Energien... 95

9 Inhalt xi Zum Charakter des Erneuerbare-Energien-Gesetzes und der Rolle der Förderinstrumente Vom Stromeinspeisungsgesetz 1991 zum Erneuerbare-Energien-Gesetz 2000/ Das Stromeinspeisungsgesetz Das Erneuerbare-Energien-Gesetz Das Erneuerbare-Energien-Gesetz Das Erneuerbare-Energien-Gesetz von Der EEG-Erfahrungsbericht von November Erneuerbare Energien verringern die Börsen-Strompreise Änderungen durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz von Zukünftige Weiterentwicklung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes Reine Börsenvergütung verhindert Zubau von Windenergieanlagen Beispiel Dänemark Eigenvermarktung der Windenergie durch die Windmüller Vermarktung des EEG-Stroms durch den Übertragungsnetzbetreiber Übergang von der EEG-Mindestvergütung zur Strombörse risikoreich Windenergieausbau und Verwaltungsverfahren Windenergieausbau onshore Eignungsflächen und Genehmigungsverfahren Planungserlasse und Flächenoptimierung Windenergieausbau offshore Genehmigungsverfahren des Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie Eignungsgebiete und Raumordnung in der ausschließlichen Wirtschaftszone Stromnetzausbau und Verwaltungsverfahren Gesetzliche Vorgaben zur Verkabelung von Höchstspannungsleitungen Leitlinien für transeuropäische Energienetze Energieleitungsausbaugesetz Fallbeispiel Schleswig-Holstein Praxiserfahrungen im Windland Schleswig-Holstein Handlungsfeld Repowering oder aus weniger wird mehr Handlungsfeld Offshore-Windenergie oder der Weg aufs Meer Handlungsfeld Stromnetze oder die Ertüchtigung der Infrastruktur

10 xii Inhalt 7 Windenergie in Deutschland, Europa und weltweit Windenergie in Deutschland Ausbauplanung der deutschen Bundesregierung bis Windenergieproduktion und Stromverbrauch Zukünftige Offshore-Windenergie in Deutschland Die Entwicklung der Offshore-Windenergie Genehmigte Offshore-Windkraftwerke Probleme beim Offshore-Windenergieausbau Windenergie in Europa und weltweit Windenergie in Europa Windenergie weltweit Teil III Optimierung des Windenergieausbaus 8 Grundlagen der Optimierung: Nutzen versus Kosten Nutzen und Kosten der Windenergie Nutzen der Windenergie Kosten der Windenergie Monetäre Bewertung von Nutzen und Kosten der Windenergie Abgeltung des volkswirtschaftlichen Nutzens durch die EEG-Mindesteinspeisevergütung Grenznutzen und Grenzkosten Grenznutzenkurve einer zeitlich fluktuierenden Quelle wie der Windenergie Monetarisierung des Nutzens Prinzip der Erstellung einer Dauer-Leistung-Kurve Dauer-Leistung-Kurve und Grenznutzen- Leistung-Kurve Anwendung der Grenznutzenfunktion Optimierung von Windenergieanlagen Entwicklung von Rotordurchmesser und installierter Leistung Kosten der Onshore-Windkraftwerke Kostenstruktur Sinkende Stromerzeugungskosten der Windenergie bis Steigende Stromerzeugungskosten der Windenergie seit Kosten der Offshore-Windkraftwerke Optimierung statt Maximierung des Windenergieausbaus Optimierung der installierten Leistung pro Rotorfläche Verringerung der Windleistungsspitzen

11 Inhalt xiii 10 Optimierung der Übertragung von Windenergie Wirtschaftliche Zumutbarkeit als Begrenzung für Netzausbau Drei verschiedene Standardfälle Optimierung der Erhöhung der Übertragungsleistung Wirtschaftliche Zumutbarkeit als Verhältnismäßigkeit von volkswirtschaftlichen Nutzen und Kosten Richtgrößen für Netzausbau und für dynamische Begrenzung von kurzzeitigen Erzeugungsspitzen Faustregeln für wirtschaftliche Zumutbarkeit Objektive Bestimmung des wirtschaftlich zumutbaren Netzausbaus Bestimmung des Grenznutzens einer Erhöhung der Übertragungsleistung Bestimmung der Grenzkosten einer Erhöhung der Übertragungsleistung Optimierung der Erhöhung der Übertragungsleistung Fallbeispiele Fallbeispiel 1: 110-kV-Anbindung von Windparks Fallbeispiel 2: Netzanbindung von Offshore-Windenergieanlagen Fallbeispiel 3: 380-kV-Fernleitungen Exkurs: dena-netzstudien Teil IV Optimierung des gesamten Kraftwerkssystems bei hohen Windenergieanteilen 11 Struktur und Entwicklung des Kraftwerksparks: Zielvorgaben und Szenarien Bisheriges System von Stromnachfrage, Stromerzeugung und Stromübertragung Gesetzliches Grundprinzip: Jederzeitige Deckung der Stromnachfrage Ausgangssituation: Installierte Leistung und Stromerzeugung 1997, 2002 und Stromübertragung Kraftwerkseinsatzplanung Grundlast, Mittellast, Spitzenlast Änderungen durch die Windenergie Exkurs: Kraftwerkseinsatzplanung und Preisbildung an der Strombörse Zielvorgaben der Bundesregierung für die deutsche Kraftwerksstruktur Zukünftiges Kraftwerkssystem in der Diskussion Eckpunkte für ein integriertes Energie- und Klimaschutzprogramm der Bundesregierung

12 xiv Inhalt Monitoring-Bericht des Bundeswirtschaftsministeriums Ausgewählte Szenarien der zukünftigen Kraftwerksstruktur dena-kurzanalyse 2008 und ihre Bewertung Arrhenius-Institut und Öko-Institut: Klimaschutz und Stromwirtschaft 2020/ Greenpeace: Nationales Energiekonzept bis Schlussfolgerungen aus den Studien zur zukünftigen Kraftwerksentwicklung Entwicklung des Kraftwerkssystems bei über 50 GW Windleistung Ausgleich von Stromangebot und Stromnachfrage bei hohen Windenergieanteilen Schwankungen von Stromangebot und von Stromnachfrage Ausgleich von Stromangebot und von Stromnachfrage Speicher für elektrische Energie Ausgleich von Windenergieschwankungen Ausgleich von Windenergieschwankungen bis zu einigen Stunden Ausgleich längerer Windflauten Nachfragedeckung bei hohem Windenergieanteil Anteil der Windenergieeinspeisung an der Stromnachfrage Restnachfrage, die für konventionelle Kraftwerke verbleibt Windenergieanlagen versus Grundlastkraftwerke: ein Entweder-Oder Mit wachsender Windenergieeinspeisung deutlich abnehmende Benutzungsdauer der Grundlastkraftwerke Bei hoher Windenergieeinspeisung neue Grundlastkraftwerke nicht mehr wirtschaftlich betreibbar Liste der Tabellen Liste der Abbildungen Liste der Kästen Sachverzeichnis

13 Überblick und Einführung Der folgende Überblick ist nach den Kapiteln des Buchs geordnet: (1) Abkehr von fossilen Brennstoffen: Probleme, Ziele und Lösungsansätze Schon vor einigen Jahren schlug Lord Browne, der damalige Chef des Konzerns British Petroleum, als neue Fassung für den weltbekannten Kurznamen BP den Namen Beyond Petroleum vor. Damit hat er in zwei Wörtern eines der vordringlichsten Ziele benannt, das von der Weltwirtschaft bis zur Mitte dieses Jahrhunderts erreicht werden sollte: eine drastische Verringerung des Einsatzes fossiler Energieträger und der damit verbundenen Emission des Treibhausgases Kohlendioxid. In der Europäischen Union gibt es feste Vereinbarungen, in einem ersten Schritt bis 2020 den Ausstoß der klimaschädlichen Treibhausgase im Vergleich zu 1990 um mindestens ein Fünftel zu verringern. Dabei ist eine vermehrte Substitution fossiler durch nukleare Energie weltweit umstritten, in Deutschland politisch negativ entschieden; Kernfusion steht, wenn überhaupt, erst in 50 Jahren zur Diskussion. Die CO 2 -Rückhaltung und Einlagerung in tiefe Schichten ist wohl grundsätzlich möglich, aber technisch unerprobt. So wird neben drastischen Verbesserungen der Energieeffizienz v. a. eine rasche und weitgehende Substitution fossiler durch erneuerbare Energie als realistischer Weg beschritten: Der Anteil von Energie aus Sonne, Wasser, Wind und Biomasse am gesamten Primärenergieeinsatz soll bis 2020 in der Europäischen Union auf mindestens 20% erhöht werden, Deutschland soll seinen Anteil von 6,6% in 2007 auf 18% in 2020 erhöhen. Bei der Stromerzeugung hat Deutschland diesen Anteil von 18% erneuerbarer Energie schon 2007 erreicht, bis 2020 soll hier knapp ein Drittel erreicht werden, bis 2050 drei Viertel, v. a. durch Offshore-Windenergie. Damit entsteht ein zusätzlicher Übertragungsbedarf im Hoch- und Höchstspannungsnetz. (2) Physikalisch-technische Grundlagen der Windenergienutzung Wie fast alle auf der Erde verfügbaren Energieformen ist auch Windenergie eine abgeleitete Form von Sonnenenergie. Die unterschiedliche Erwärmung der xv

14 xvi Überblick und Einführung Erdatmosphäre durch die Einstrahlung der Sonne auf verschiedene Gebiete der Erdoberfläche führt zu Dichte- und Druckunterschieden, die in fluktuierenden Luftströmungen auf allen Längen- und Zeitskalen von Metern bis zu Tausenden von Kilometern und von Sekunden bis zu Wochen und Monaten ihren Ausgleich suchen. Das Leistungsangebot des Windes steigt mit der dritten Potenz der momentanen Windgeschwindigkeit. Tatsächlich läuft eine große Windenergieanlage erst bei 3 bis 5 m/s an, erreicht dann Nennleistung bei 12 bis 14 m/s und wird bei etwa 25 m/s sturmabgeschaltet. Dabei wird maximal eine elektrische Energieausbeute von vier Fünftel des theoretischen Höchstwerts einer idealen Windenergieanlage realisiert. Der tatsächliche Jahresenergieertrag an einem Standort steigt etwa mit dem Quadrat des dort gegebenen Jahresmittelwerts der Windgeschwindigkeit. Optimierung des Energieertrags und Vermeidung von Überlastung werden bei großen Anlagen durch eine der jeweiligen Windgeschwindigkeit entsprechende Einstellung des Anstellwinkels der Rotorblätter erreicht. (3) Wind als stochastische Energiequelle Die Windstärke und damit die mögliche Windenergieproduktion in Nordwesteuropa zeigt einen irregulären zeitlichen Verlauf mit sehr großen und raschen Fluktuationen, der durch statistische Größen wie Häufigkeitsdichten, Verteilungsfunktionen oder Leistung-Dauer-Kurven charakterisiert werden kann. Wenn man die Leistung-Dauer-Kurve einer gegebenen Anlage in einer Standortregion bestimmt hat, so ist die dort erzielbare Jahresenergieproduktion gleich der Fläche unter dieser Kurve. Teilt man diese Jahresenergieproduktion durch die installierte Generatornennleistung, so erhält man die Volllaststundenzahl. Sie beträgt für größere Anlagen auf dem heutigen Stand der Technik im Binnenland rund Stunden, an der Küste rund Stunden, offshore könnten Stunden erreicht werden; eine Erhöhung der Türme auf 150 m könnte im Binnenland Werte von über Stunden erbringen. Beim realen Zeitverlauf der Stromerzeugung eines großen Windparks, einer ganzen Region oder aller Windenergieanlagen in Deutschland zeigt sich gegenüber einer Einzelanlage eine deutliche Glättung der starken Fluktuationen im Minutenund Stundenbereich. Doch auch im deutschlandweiten oder sogar nordwesteuropaweiten Verbund wirken sich großräumiger Schwachwind und Flauten über Tage und in seltenen Fällen über Wochen auf den Energieertrag aus und müssen durch Regel- und Reservekraftwerke ausgeglichen werden. (4) Versorgungssicherheit im Stromnetz bei hoher Windenergieeinspeisung Bei der Übertragung von elektrischer Energie aus Wind kann man die Entsorgungssicherheit im öffentlichen Netz sehr viel kleiner halten als die Versorgungssicherheit der Stromverbraucher, weil man die Einspeisung der Windenergieanlagen im Netzstörfall kurzfristig zurückregeln kann im Gegensatz zur Nachfrage der

15 Überblick und Einführung xvii Stromverbraucher. Bei einer windbedingten Erhöhung der Übertragungsleistung des Netzes ist nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz ein Leitungsneubau nur dann wirtschaftlich zumutbar, wenn die kostengünstigeren Lösungen Netzoptimierung (z. B. durch Temperaturmonitoring) und Netzverstärkung (z. B. durch Hochtemperaturseile) nicht ausreichen. Bei einem Neubau von 110-kV-Hochspannungsleitungen sind grundsätzlich Erdkabel gegenüber Freileitungen zu bevorzugen, weil sie schneller realisierbar sind, geringere Umweltbelastungen verursachen und nicht nennenswert teurer sind. Insgesamt liegen die windenergiebedingten Netzausbaukosten auch für die Höchstspannungsfernübertragung onshore im Bereich von 10% der Investitionskosten der Windenergieanlagen. Mittelfristig ist allerdings ein aufwändiges großräumiges Verbundnetz erforderlich, das insbesondere die neuen Offshore- Windparks der Nordsee-Anrainerstaaten untereinander und mit den Verbrauchsschwerpunkten verbindet. (5) Systematische Berücksichtigung von externen Kosten: Erneuerbare-Energien-Gesetz Das Erneuerbare-Energien-Gesetz mit seinen Kernregelungen der festen Einspeisevergütungen und der Abnahmeverpflichtung des erzeugten Stromes ist ökonomischer Garant für den weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien. Angesichts der Verhältnisse in der deutschen Stromwirtschaft mit dem massiven Angebotsdruck eines oligopolistisch organisierten und weitgehend abgeschriebenen Großkraftwerksparks war und ist dieser Ansatz des Gesetzgebers ohne ernsthafte Alternative. Das Erneuerbare-Energien-Gesetz hat sich mittlerweile zum Exportschlager entwickelt, ähnliche Gesetze wurden in vielen Ländern eingeführt, die ebenfalls den Ausbau der erneuerbaren Energien vorantreiben wollen. Die garantierte Einspeisevergütung für Windenergie liegt schon heute deutlich unter den dadurch vermiedenen volkswirtschaftlichen Kosten fossiler Energieerzeugung, in denen neben den weiter steigenden Brennstoffkosten v. a. die externen Kosten durch CO 2 - und Schadstoffemissionen bewertet werden müssen. Der geplante Übergang von fester Einspeisevergütung und Abnahmeverpflichtung hin zum Verkauf der Windenergie an der Strombörse ist ebenso risikoreich wie die Einführung eines Quotensystems: Eine reine Börsenvergütung würde Windenergie im Mittel weit unter ihrem gesamtwirtschaftlichen Nutzen vergüten und zukünftig den Zubau von Windenergieanlagen unwirtschaftlich machen, wie das Beispiel Dänemark zeigt. (6) Windenergieausbau und Verwaltungsverfahren Die auch im weltweiten Vergleich beeindruckende Windenergieentwicklung in Deutschland war nur möglich durch zielführende Rechtsnormensetzung, gerade auch im Bereich der Genehmigungsverfahren und der Flächenausweisungen. Die rapide Entwicklung des Onshore-Windenergieausbaus mit rund 24 GW installierter Leistung Ende 2008 zeigt dies ebenso wie der Offshore-Windenergieausbau,

16 xviii Überblick und Einführung der nach aufwändigem Genehmigungsverfahren für die ersten 8 GW seit 2009 anläuft. Verschiedenste Interessengegensätze wurden soweit überwunden, dass der Rechtsrahmen auch für den windenergiebedingten Ausbau der Stromnetze und für die kostenaufwändige Offshore-Netzanbindung mittels Höchstspannungsseekabeln geschaffen werden konnte. Die so erreichbaren positiven Gesamtwirkungen des Ausbaus der Windenergie belegt nicht zuletzt die wirtschaftliche Entwicklung in Schleswig-Holstein, dem Pionierland der Windenergie. (7) Windenergie in Deutschland, Europa und weltweit Die Windenergie ist in Deutschland, Europa und weltweit der erneuerbare Energieträger, der die mit Abstand größte Ausbaudynamik aufweist. Die deutschen Ausbauplanungen können bis zum Jahr 2030 zur Installation von bis zu 60 GW installierter Leistung führen. Dieses setzt sowohl die Fortschreibung und Weiterentwicklung geeigneter Rahmenbedingungen als auch die Lösung teilweise noch anstehender Probleme, v.a. bei der Offshore-Windenergie, voraus. Auch andere europäische Länder, wie z. B. Spanien oder Großbritannien, verfolgen ehrgeizige Windausbaupläne onshore wie offshore. Die weltweite Dynamik nimmt ebenfalls zu, was die Entwicklung in großen Schwellenländern wie China und Indien ebenso zeigt wie die jüngere Entwicklung in den USA und Kanada. Die Windenergienutzung entwickelt sich so zu einem zentralen Eckpfeiler klimaschonender Stromversorgung und kann als eines der positiveren Beispiele globaler Entwicklung gelten. (8) Grundlagen der Optimierung: Nutzen versus Kosten Ein Investor oder eine ganze Gesellschaft wird sich für den Einsatz einer bestimmten Technik entscheiden, wenn der damit erzielbare Nutzen höher ist als die dafür zu erbringenden Kosten. Darüber hinaus muss die Rendite der Investition, also das Verhältnis von Nettoertrag zu Kapitaleinsatz, nicht nur positiv sein, sondern mindestens so hoch wie die für Investitionen mit vergleichbarem Risiko erzielbare typische Rendite. Für Investitionen in Windenergie werden Kosten und Nutzen abgeschätzt. Ist die Rendite der Investition grundsätzlich ausreichend, so bleibt die Frage, wie hoch die Investition gewählt werden soll. Hier gibt es im Allgemeinen ein Optimum, da die Anlagengröße häufig aus technischen Gründen und wegen Platzbedarf nicht beliebig erhöht werden kann oder bei einem Überangebot des nutzenbringenden Gutes der Ertrag pro Stück wieder abnimmt. Mit Hilfe der Grenznutzen-Grenzkosten- Methode kann das Optimum ermittelt werden. Es resultiert daraus ein neues und für die Integration der Windenergie wesentliches Ergebnis: Die Grenznutzenkurve und damit das Optimum von Investitionen in eine zeitlich stark fluktuierende Quelle von Nutzen lässt sich direkt aus der Leistung-Dauer-Kurve der Quelle herleiten. Damit lässt sich die optimale Nennleistung von Windenergieanlagen oder die optimale Grenzleistung von windenergiebedingten Übertragungsleitungen bestimmen.

17 Überblick und Einführung xix (9) Optimierung von Windenergieanlagen Seit 1980 wurden die Windenergieanlagen drastisch vergrößert: Die typischen Turmhöhen stiegen von 30 m auf bis zu 120 m, wodurch wesentlich höhere und gleichmäßigere Windgeschwindigkeiten genutzt werden können. Die installierte Generatornennleistung stieg von rund 30 kw auf mittlerweile bis zu kw. Der Rotordurchmesser stieg von rund 15 m auf bis zu 127 m, was die für die jährliche Windenergieproduktion entscheidende Rotorkreisfläche von knapp 200 m 2 auf über m 2 erhöhte. Der jährliche Energieertrag pro Anlage stieg von etwa 0,035 GWh auf bis zu 20 GWh. Die Stromgestehungskosten konnten so bis 2005 etwa halbiert werden. Seit 2006 steigen allerdings die spezifischen Investitionskosten der Windenergieanlagen wegen der stark gestiegenen Rohstoffpreise und der wachsenden internationalen Nachfrage nach Windenergieanlagen. Es bleibt zudem abzuwarten, ob die offshore mindestens doppelt so hohen Investitionskosten durch die dort deutlich höheren Winderträge voll ausgeglichen werden können. Windenergie ist in jedem Fall von allen erneuerbaren Energien (mit Ausnahme der Wasserkraft) am kostengünstigsten und lag 2008 bei den einzelwirtschaftlichen Kosten nicht mehr wesentlich über dem Niveau neuer thermischer Kraftwerke. Eine Verringerung der spezifischen Flächenleistung (W/m 2 ), d. h. kleinerer elektrischer Generator in sonst unveränderter Windenergieanlage, verringert die jährliche Energieerzeugung nur geringfügig, führt aber zu einer geringeren mechanischen Belastung der Anlage, einer deutlich höheren Volllaststundenzahl und einer deutlich besseren Prognostizierbarkeit der Windenergieproduktion. (10) Optimierung der Übertragung von Windenergie Die Netzbetreiber sind gesetzlich zur unverzüglichen Erhöhung der Übertragungsleistung ( Netzausbau ) für erneuerbare Energien verpflichtet, allerdings nur, soweit dies (volks)wirtschaftlich zumutbar ist. Diese Anweisung zu einer gewissen Beschränkung des windbedingten Netzausbaus drückt eigentlich nur die wirtschaftliche Selbstverständlichkeit aus, dass für die wenig Energie erbringenden sehr seltenen kurzen Spitzen der Windleistung keine teure zusätzliche Übertragungskapazität von den Stromkunden bezahlt werden muss. Die Auswertung der Grenznutzenkurven zeigt, dass bei einem Netzausbau bis zum volkswirtschaftlichen Optimum deutlich weniger als 1% der möglichen Windenergieerzeugung ausgesperrt werden muss, aber je nach Einzelfall beträchtliche Netzausbaukosten eingespart werden. Überdies werden die Betreiber der Windenergieanlagen durch die Einspeisebeschränkung nicht schlechter gestellt, da sie ab 2009 voll entschädigt werden. Die Stromkunden werden aber geringer belastet, weil die so vermiedenen Ausbaukosten niedriger sind als die Entschädigungszahlungen. Es werden Richtgrößen für die jeweils gesamtwirtschaftlich optimale Erhöhung der Übertragungsleistung bestimmt und zwar für die Anbindung von Onshore- Windparks, von Offshore-Windparks und für eine großräumige Nord-Süd- Übertragung.

18 xx Überblick und Einführung (11) Struktur und Entwicklung des Kraftwerksparks: Zielvorgaben und Szenarien Bis etwa 2000 bestand in Deutschland eine Dominanz von Großkraftwerken auf Kohle- und Uranbasis. Diese Grundlastkraftwerke machten zwei Drittel der installierten Leistung aus und lieferten mehr als vier Fünftel der elektrischen Energie. Die von der Bundesregierung vorgegebenen, großteils gesetzlich festgeschriebenen Ziele des Klimaschutzes und einer verringerten Abhängigkeit von fossilen und nuklearen Brennstoffen sehen schon für die nächsten 20 Jahre schrittweise einen drastischen Wandel vor: Bis 2023 soll das letzte Kernkraftwerk abgeschaltet sein, Erzeuger erneuerbarer Energien sollen bis % der installierten Generatorleistung ausmachen (davon wiederum die Hälfte Windenergie), in 2050 über 80%, weitere 15% sollen dann auf dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung entfallen. Diesen v.a. von den konventionellen Stromversorgern angezweifelten Projektionen wird in zahlreichen Untersuchungen unabhängiger Experten Realisierbarkeit attestiert. (12) Entwicklung des Kraftwerkssystems bei über 50 GW Windleistung Im Energieprogramm der Bundesregierung ist eine Erhöhung der installierten Leistung von Windenergieanlagen von rund 25 GW in 2008 auf knapp 50 GW in 2025 und bis zu 70 GW in 2040 festgeschrieben. Dadurch wird Zug um Zug eine durchgreifende Änderung des gesamten Kraftwerkssystems notwendig. Erforderlich ist v. a. der Ausgleich der raschen und starken Schwankungen des Windenergieangebots durch Nachfrage- und Angebotssteuerung und den Einsatz einer großen Anzahl von kleinen und mittelgroßen rasch regelbaren neuen Reservekraftwerken, zu deren Betrieb neben Erdgas zunehmend auch ins Gasnetz eingespeistes Biogas beitragen kann. Bewährte und neue Speicher für elektrische Energie werden dabei eine wachsende Rolle spielen. Erneuerbare Energien können zusammen mit dem vorgesehenen hohen Anteil an Kraft-Wärme-Kopplung schon ab 2025 häufig für Stunden oder gar Tage annähernd die gesamte Stromnachfrage in Deutschland abdecken. Insbesondere das Erneuerbare-Energien-Gesetz und die CO 2 -Zertifikate werden dafür sorgen, dass der Markt die notwendige Umwandlung des gesamten Kraftwerkssystems in den nächsten 20 Jahren vorantreiben wird. Als Folge dieser notwendigen Entwicklung wird für große Grundlastkraftwerke nur noch ein sehr geringer Bedarf etwa zur Frequenzstabilisierung bestehen. Wegen der daraus resultierenden immer kürzeren Nutzungsdauern werden die derzeit geplanten Neubauten von Grundlastkraftwerken unwirtschaftlich und zu großen betriebswirtschaftlichen Verlusten für die Investoren führen.

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