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Mittwoch, 28.09.2016
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Große Windparks bremsen den Wind

Stromerzeugung einzelner Turbinen sinkt in Modellen sehr großer Windfarmen ab

Gebremste Windenergie: Sehr große Windparks können dem Wind so viel Energie entziehen, dass er langsamer weht und die Turbinen weniger Strom produzieren. Um den Ertrag von Windparks zukünftig besser abzuschätzen, sollte dieser Effekt berücksichtigt werden, schreiben Wissenschaftler im Fachmagazin "Proceedings of the National Academy of Sciences". Sie betonen aber auch, dass die bisher gebauten Windfarmen noch nicht von diesem Problem betroffen sind.
Zu dicht gedrängt können die Turbinen in einem Windpark den Wind ausbremsen und sich so gegenseitig den Antrieb nehmen.

Zu dicht gedrängt können die Turbinen in einem Windpark den Wind ausbremsen und sich so gegenseitig den Antrieb nehmen.

Windenergie ist auf dem Vormarsch. Die Zahl der Windturbinen in der Landschaft und auch der großen Offshore-Windparks wächst stetig weiter. Wind ist eine erneuerbare Energiequelle: In für Windparks geeigneten Gebieten weht er fast ständig, wenn auch nicht immer gleich stark. Den Strom gewinnen die Anlagen aus der Bewegungsenergie des Windes – sie müssten ihn also abbremsen. Dies zeigt sich unter anderem in geringen Veränderungen des lokalen Klimas über einem Windpark. Doch was passiert, wenn immer mehr Turbinen den Wind bremsen? Entziehen sie sich damit gegenseitig die Energiequelle?

Viele Turbinen senken die Windgeschwindigkeit


Wissenschaftler um Lee Miller vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie (MPI-BGC) in Jena haben diesen Effekt in einer hochkomplexen Simulation untersucht. Sie bauten dafür Windparks und deren Auswirkungen in ein regionales Wettermodell ein. Dieses Modell wendeten sie dann auf den Mittleren Westen der USA an, eine der windigsten Regionen auf der Landoberfläche der Erde.

Wenige Windräder auf der Fläche lassen sich von ungebremstem Wind antreiben und sind entsprechend effizient: "Wenn wir nur ein paar Windturbinen berücksichtigen, finden wir, was wir erwarten: mehr Turbinen erzeugen mehr Strom", erklärt Miller. Eine große Zahl der Anlagen kann den Wind jedoch tatsächlich bremsen: "Sobald wir sehr viel mehr Turbinen einführen, zeigt sich aber, dass die Windgeschwindigkeit zunehmend reduziert wird und jede Turbine weniger Energie erzeugt."


Maximal ein Watt pro Quadratmeter


Schuld daran ist die Physik: "Die Atmosphäre treibt die Winde nahe der Oberfläche mit erstaunlich wenig Energie an", erklärt Axel Kleidon vom MPI-BGC. "Je mehr Windturbinen diese Energie entziehen, umso mehr wird der Wind gebremst. Die Kombination dieser beiden Effekte führt dazu, dass Windturbinen in großen Windparks erheblich weniger Energie erzeugen können als eine isoliert stehende Turbine."

Das Ausbremsen des Windes führt nach Berechnungen der Forscher dazu, dass die Anlagen in dieser Region maximal etwa ein Watt pro Quadratmeter erzeugen können. Diese Energieausbeute liegt deutlich unter früheren Abschätzungen, die diesen Bremseffekt nicht berücksichtigten. Unter diesen Bedingungen erzeugt ein Windpark von etwas weniger als einem Viertel der Größe des Saarlandes so viel Strom wie ein modernes Steinkohlekraftwerk, etwa 600 Megawatt.

Bisherige Windparks unterhalb der Grenze


Kleidon betont jedoch, dass die bisher errichteten Windparks wahrscheinlich deutlich unter der kritischen Grenze operieren und noch nicht an ausgebremstem Wind leiden. Allerdings, so meint er, könnten sie diese Grenze beim weiteren Ausbau der Windenergie im Zuge der Energiewende in Zukunft erreichen.

Für Solarenergie als anderer erneuerbare Energiequelle gibt es einen solchen Bremseffekt nicht, sagt der Wissenschaftler. Hier führen mehr Solarpaneele auch zu proportional mehr erzeugtem Strom. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015; doi: 10.1073/pnas.1408251112)
(Max-Planck-Institut für Biogeochemie, 25.08.2015 - AKR)
 
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