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29.07.2021

Wieviel Windenergie lässt sich weltweit theoretisch gewinnen?

Anlass

Beim Ausbau der Windenergie könnte die geschickte räumliche Verteilung der Anlagen entscheidend für den Erfolg der Energiewende sein. Denn die Stromausbeute aus Wind hat physikalische Grenzen: Aus der Luftbewegung lässt sich weltweit und im Mittel betrachtet 0,5 Watt pro Quadratmeter gewinnen. Zu diesem Ergebnis kommt eine Studie von Dr. Axel Kleidon des MPI für Biogeochemie, Jena, in der aktuellen Ausgabe der „Meteorologischen Zeitschrift“ (siehe Primärquelle). Der Forscher stützt sich bei diesem Ergebnis auf Satellitendaten und ein einfaches Modell, mit dem er den Wirkungsgrad der thermodynamischen Umsetzung von Sonneneinstrahlung (Wärme) in Wind (kinetische Energie) ermittelt; sie liegt demnach bei zwei Watt pro Quadratmeter. Aus diesem leitet er anschließend ab, wie viel kinetische Energie Windkraftanlagen der Luft theoretisch entziehen und in elektrische Energie umwandeln können – 0,5 Watt pro Quadratmeter.

Beobachtungen zeigten, so Kleidon, dass sehr große Windparks mit einer Kantenlänge von 100 Kilometern tatsächlich nicht mehr als 0,5 Watt pro Quadratmeter elektrische Energie gewinnen. Kleinere Windparks mit genügend Abstand zu anderen Anlagen dagegen könnten durchaus eine höhere Ausbeute pro Fläche erzielen, weil die dem Wind entzogene Energie durch die aus höheren Luftschichten ersetzt werden könne. Das zeige, wie wichtig es sei, bei der Planung von Windparks die physikalischen Grenzen einzuhalten. Es komme immer wieder vor, so der Forscher, dass regionale Potenzialanalysen für Windenergie, die diese Prozesse ignorierten, einer Ausbeute von elektrischer Energie pro Fläche ermittelten, die sogar über der theoretisch möglichen kinetischen Energie pro Fläche lägen.

Übersicht

     

  • Prof. Dr. Stefan Emeis, Leiter der Arbeitsgruppe Regionale Kopplung von Ökosystem-Atmosphäre-Prozessen, Abteilung Regionale Klima-SystemeInstitut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-IFU), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Garmisch-Patenkirchen
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  • Dr. Jan Wohland, ETH Postdoctoral Fellow,Dep. Umweltsystemwissenschaften, Professur Klimaschutz & -​anpassung, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETHZ), Zürich
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Statements

Prof. Dr. Stefan Emeis

Leiter der Arbeitsgruppe Regionale Kopplung von Ökosystem-Atmosphäre-Prozessen, Abteilung Regionale Klima-SystemeInstitut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-IFU), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Garmisch-Patenkirchen

„Die Umstellung der Energieversorgung der Menschheit auf Erneuerbare Energien hat bereits begonnen. In diesem Zusammenhang ist die Frage, ob eine vollständige Umstellung überhaupt möglich ist, von extremem Interesse. Hierzu ist es absolut notwendig, auch das Potenzial, das durch die Nutzung der Windkraft für unsere Energieversorgung zur Verfügung steht, verlässlich abzuschätzen. Somit ist diese Studie absolut notwendig.“

„Der Autor der vorliegenden Studie, Axel Kleidon, greift dazu einen Ansatz von Edward Lorenz –übrigens der Lorenz, auf den auch der Schmetterlingseffekt der Chaostheorie zurückgeht – aus den 1950er und 1960er Jahren auf. Lorenz hatte erstmals die Effektivität der ‚Wärmekraftmaschine‘ Atmosphäre berechnet, nämlich die Fähigkeit der Erdatmosphäre, aus den Temperaturunterschieden durch unterschiedliche Sonneneinstrahlung Bewegungsenergie – vulgo: Wind – zu erzeugen. Nach Lorenz ist die Atmosphäre in der Lage, aus durchschnittlich 342 Watt pro Quadratmeter solarer Einstrahlung 3,5 Watt pro Quadratmeter Wind zu erzeugen. Kleidon kommt mit neueren Zahlen und der Zuhilfenahme von globalen Modellen auf 2 Watt pro Quadratmeter. Kleidon (0,6 Prozent Effektivität der Wärmekraftmaschine Atmosphäre) und Lorenz (1 Prozent) kommen also qualitativ zum nahezu gleichen Ergebnis. Eine schöne moderne Bestätigung für die klassische Arbeit von Lorenz.“

„Neu ist jetzt, dass Kleidon diese Betrachtung fortsetzt und ableitet, dass von diesen 2 Watt pro Quadratmeter nur maximal ein Viertel (26 Prozent) durch Windkraftanlagen in elektrische Energie verwandelt werden kann. Damit stehen global 0,5 Watt pro Quadratmeter oder 250 Terawatt an Erneuerbarer Energie aus Windkraft zur Verfügung. Das ist ein Mehrfaches der ungefähr 30 Terrawatt, die für Mitte des Jahrhunderts an totalem Energiebedarf – also nicht nur Strom – der Menschheit prognostiziert werden. Zum Vergleich: Die derzeit weltweit installierte Windkraftleistung liegt bei gut 0,7 Terrawatt. Das heißt da ist noch sehr viel Luft nach oben.“

Auf die Frage, inwiefern die Ergebnisse des Papers überzeugend sind:
„Kleidons Überlegungen sind physikalisch wohlbegründet und nachvollziehbar. Sie liegen letztlich auch innerhalb des Spektrums anderer globaler Ressourcenschätzungen für die Windkraft. Was Kleidons Studie auszeichnet, ist, dass er den gesamten Energiehaushalt der Erdatmosphäre betrachtet, während die meisten anderen Studien dieser Art immer von der beobachteten Windgeschwindigkeit in Bodennähe ausgingen, die aber durch großflächige Windkraftnutzung reduziert würde.“

Auf die Frage, welche Konsequenzen aus dem Ergebnis für Planung und Ausbau der Windenergie sowie der Energiewende in Deutschland und weltweit folgen:
„Kleidons Überlegungen gelten für das globale Limit, also wenn die gesamte Erdoberfläche mit Windparks bedeckt wäre. Das steht nicht im Widerspruch dazu, dass einzelne kleine Windparks mit wenigen Kilometern Ausdehnung durchaus wesentlich höhere Energiedichten pro Quadratkilometer erzielen können und dies auch tun. In ihrem Lee (Windschatten; Anm. d. Red.) ist dann aber die Windgeschwindigkeit so reduziert, dass der nächste unmittelbar folgende Windpark viel weniger Ertrag liefern würde. Kleidon schätzt ab, wenn ein Windpark eine Fläche von 100 Quadratkilometern und mehr einnehmen würde, dass dann die von ihm abgeschätzte Grenze von circa 0,5 Watt pro Quadratkilometer erreicht wird.“

„Damit ist in Deutschland physikalisch gesehen noch genügend Potenzial für den Ausbau der Windenergie vorhanden. Auch Offshore lässt sich das politisch vorgegebene Ziel der Bundesregierung von 40 Gigawatt bis 2040 leicht erreichen, wenn man zwischen den Windparkclustern ausreichend Lücken lässt und die einzelnen Windparks nicht zu groß anlegt. Auf die Tatsachen, die in [1] dargestellt sind, und meine Kommentare dazu [2] sei hier ausdrücklich verwiesen. Diese beiden Studien (Antonini und Caldeira in PNAS [1] und aktuell Kleidon in der Meteorologischen Zeitschrift) widersprechen sich nicht, sondern ergänzen sich in idealer Weise.“

Dr. Jan Wohland

ETH Postdoctoral Fellow,Dep. Umweltsystemwissenschaften, Professur Klimaschutz & -​anpassung, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETHZ), Zürich

„Für die Dekarbonisierung des globalen Energiesystems ist von zentraler Bedeutung, wie viel erneuerbarer Strom erzeugt werden kann. Während viele wissenschaftliche Studien von sehr hohen Erzeugungspotenzialen ausgehen, wird in diesem Überblicksartikel basierend auf stark vereinfachten Annahmen hergeleitet, dass das Potenzial der Winderzeugung deutlich niedriger sein könnte. Laut der Studie werden im globalen Mittel circa 2 Watt pro Quadratmeter kinetische Energie erzeugt wovon circa 0,5 Watt pro Quadratmeter tatsächlich durch Windparks genutzt werden können.“

„Es kann sein, dass die genannten Zahlen korrekt sind, aber ich würde nicht viel darauf wetten. Meine Skepsis basiert darauf, dass die Annahmen sehr vereinfacht sind und, dass weder Beobachtungen noch wirklich hoch aufgelöste Referenzsimulationen existieren, die zur Validierung herangezogen werden können.“

„Beispielsweise wird in dem einfachen Modell davon ausgegangen, dass überall nördlich beziehungsweise südlich der 30. Breitengrade die gleichen Temperaturen vorherrschen. In anderen Worten: Das Modell nimmt an, dass die Temperatur in Tunesien und Island identisch ist. Darüber hinaus werden in dem Modell sowohl der Wärmetransport durch den Ozean als auch die Effekte, die durch die Rotation der Erde entstehen, vernachlässigt, obwohl beide elementar sind. Auch wird keine Unterscheidung nach Jahreszeiten getroffen, obwohl die Windenergie in unseren Breiten eine starke Saisonalität aufweist.“

„Solche groben Vereinfachungen können gerechtfertigt sein und sind in der Physik oft hilfreich. Axel Kleidon argumentiert, dass dies hier der Fall ist, weil das simple Modell mit komplexeren Simulationen des Klimasystems in etwa übereinstimmt. Allerdings sind auch diese komplexeren globalen Klimasimulationen noch weit davon entfernt, einzelne Turbinen aufzulösen. Der Effekt von Windparks wird deswegen behelfsmäßig durch Parametrisierungen in die Modelle eingefügt und die Modellergebnisse eignen sich nur begrenzt als Grundwahrheit. Eine Validierung mit Beobachtungen ist zudem bisher nicht möglich wegen der im globalen Mittel geringen Anzahl an Windparks.“

„Aus diesen Gründen sehe ich die Ergebnisse unter Vorbehalt. Insgesamt stimme ich der Aussage zu, dass für den Umstieg auf Erneuerbare Energien systemischer gedacht werden sollte und insbesondere Erkenntnisse aus der Klimawissenschaft in die Planung von zukünftigen Stromsystemen einfließen müssen.“

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Prof. Dr. Stefan Emeis: „Ich bin Chef-Herausgeber der wissenschaftlichen Zeitschrift, in der dieser Übersichtsaufsatz erschienen ist. Ich war aber nicht in den Begutachtungsprozess für diesen Übersichtartikel involviert und habe die Entscheidung darüber, ob der Artikel zur Publikation akzeptiert wird, vollständig dem für dieses Themengebiet zuständigen Facheditor überlassen. Die Herausgeberschaft erfolgt ehrenamtlich ohne irgendeine Aufwandsentschädigung.“

Alle anderen: Keine Angaben erhalten.

Primärquelle

Kleidon A (2021): Physical limits of wind energy within the atmosphere and ist use as renewable energy: From the theoretical basis to practical implications. Meteorologische Zeitschrift; 30 (3): 203-225. DOI: 10.1127/metz/2021/1062.

Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden

[1] Antonini E et al. (2021): Spatial constraints in large-scale expansion of wind power plants. PNAS 2021, 118. DOI: 10.1073/pnas.2103875118.

[2] Science Media Center (2021): Bringen kleinere Offshore-Windparks höhere Stromerträge als große? Research in Context. Stand: 28.06.2021.