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Das Rad neu erfinden

Trotz ehrgeiziger Ziele ist der Ausbau von Windkraftanlagen ins Stocken geraten – die Hürden sind groß. Doch Forscher arbeiten daran, Windräder künftig umweltfreundlicher, leiser, effizienter und widerstandsfähiger zu machen. 

Am Anfang ist in Braunschweig die Stille: Der aeroakustische Windkanal am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist wie ein O geformt und nur im Messbereich für die Experimentenbestückung offen. Die Forscher vom Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik können durch ihn einen besonders geräuscharmen Luftstrom mit einer Geschwindigkeit von bis zu 90 Metern pro Sekunde schicken. So lässt sich vermessen, wo aerodynamisch erzeugter Schall entsteht und wohin er abstrahlt. Das ist bei der Entwicklung großer Transportflugzeuge ebenso wichtig wie bei Windrädern. Auch sie sollen möglichst geräuschlos arbeiten – ein wichtiger Faktor in Zeiten, in denen die Windkraft mehr denn je benötigt wird.

Welche enormen Kräfte diese Technologie schon bislang nutzbar machen kann, belegen eindrucksvolle Zahlen: 1995 produzierten Windenergieanlagen in Deutschland 1,5 Terawattstunden Strom, Ende 2018 waren es bereits 113,3 Terawattstunden – und da sind die Offshore-Anlagen in Nord- und Ostsee noch gar nicht eingerechnet. Damit stellt Windkraft den zweitgrößten Anteil an der Stromproduktion und liegt weit vor den anderen erneuerbaren Energiequellen in Deutschland. Zuletzt aber gab es einen massiven Rückgang: Mit nur 2.402 Megawatt beziehungsweise 743 Anlagen im Jahr 2018 hat sich der Neubau von Onshore-Windanlagen gegenüber dem Vorjahr halbiert. 

„Verantwortlich für den Einbruch des Ausbaus sind hauptsächlich fehlende Genehmigungen für Windparks“, sagt Paul Lehmann. Ursache dafür sei – neben neuen Vergütungsregeln (siehe Kasten) – „insbesondere die zu geringe Ausweisung von Ausbau- und Potenzialflächen für Windenergie sowie ein massiver Genehmigungsstau“. Paul Lehmann ist Wirtschaftswissenschaftler und leitet am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ und der Universität Leipzig die Forschungsgruppe „Politikstrategien zur Bewältigung ökologischer Zielkonflikte bei der Energiewende“: Wenn etwa Vögel und Insekten aufgrund von Windrädern beeinträchtigt werden oder gar sterben, widerspricht das dem Ziel, Energie umweltschonend zu erzeugen. Zielkonflikte sind bei althergebrachten Erzeugungsmethoden zwar deutlich größer als bei erneuerbaren Energien –  Atomkraft birgt erhebliche Risiken, für Braunkohle werden ganze Landstriche umpflügt und bei der Verbrennung werden Unmengen CO2 in die Atmosphäre geschleudert „Doch auch die vergleichbar kleineren Konflikte bei den Erneuerbaren müssen wir ernst nehmen, damit sich neue Technologien etablieren können und die Energiewende gelingt“, betont Paul Lehmann. Sein Team erstellt Kriterien, um die Erneuerbaren ökologisch und ökonomisch sinnvoll auszubauen, und entwirft politische Instrumente, um Konflikte zu minimieren. 

Die Erkenntnisse aus dieser Arbeit sollen der Gesetzgebung Orientierung bieten – auf regionaler, nationaler wie auch europäischer Ebene. „Wir brauchen einen Mix an erneuerbaren Technologien, bei dem die Windenergie eine wesentliche Rolle spielt“, so Paul Lehmann, „und dafür eine intelligente räumliche Steuerung der Windenergie.“

Diese räumlich-zeitliche Entwicklung und Steuerung haben die Wissenschaftler des UFZ-Departments Bioenergie im Blick. Sie kartieren, wo bereits Anlagen stehen, und erforschen, wo sich der Bau neuer empfiehlt. Das Ergebnis ist eine detaillierte Deutschlandkarte. „Wir identifizieren Standorte, die sich ökonomisch rechnen, wo also regelmäßig starker Wind weht“, sagt die Leiterin des Departments Daniela Thrän. Auch die Entfernung zu jenen Regionen, in denen Strom verbraucht wird, spiele eine Rolle. „Zudem berücksichtigen wir auch, wie sich Windkraftanlagen auf Natur und Landschaft auswirken.“ Letzteres ist komplex, denn die Windkraft ist neben Flächenversiegelung und -zerschneidung, etwa durch Autobahnen, nur ein Faktor. „Was davon sich wie auf Vögel, Fledermäuse und Insekten auswirkt, ist nicht immer eindeutig auszumachen“, so Daniela Thrän. „Feststellen konnten wir jedoch, dass die bestehenden Anlagen genügend Abstand zu Naturschutzgebieten haben.“ 

Erste Windräder können die Ultraschall-signale von Fledermäusen erkennen und schalten sich ab, wenn sie in der Nähe sind. Dies wird in den USA getestet. In Deutschland gibt es Turbinen mit Abschaltmechanismen auf der Basis der Witterung. Fledermäuse fliegen nicht mehr, wenn es zu kalt oder zu windig ist, besonders groß ist dagegen die Kollisionswahrscheinlichkeit in lauen Nächten mit geringen Windgeschwindigkeiten. In solchen Fällen können Anlagen abgeschaltet werden. Die optische Erkennung von Vögeln ist bislang allerdings noch nicht ausgereift. 

„Wenn Tiere sich am Boden oder fliegend in nächster Nähe zum Fundament, dem Rotor oder auch der Kanzel mit dem Generator aufhalten, können sie erheblichen Schalldruckpegeln, Vibrationen sowie Druckunterschieden ausgesetzt sein, die zu Stress führen“, erläutert Biologe Reinhard Klenke, der darüber am UFZ forscht. „Speziell in den für uns Menschen nicht hörbaren Bereichen, etwa Infraschall, gibt es kaum belastbare Zahlen über die langfristigen Effekte auf Ökosysteme.“ In den Fokus rücken außerdem die Insekten: „Es gibt ernst zu nehmende Beobachtungen, dass Windräder auch Fluginsekten erheblich beeinflussen“, sagt Josef Settele. Der Agrarökologe forscht am UFZ zum Schutz von Insekten, Biodiversität und Landnutzung. Windschlag spiele beim Schwinden von Insekten zwar wahrscheinlich nur eine untergeordnete Rolle. „Dennoch ist es wichtig, hierzu künftig belastbare Studien zu erstellen.“

Die Forscher arbeiten aber nicht nur an der besseren Umweltverträglichkeit der Windkraftanlagen, sondern auch an ihrer besseren Effizienz. Wissenschaftler am DLR ziehen deshalb Erkenntnisse aus der Luftfahrt heran und übertragen sie auf die Windkrafttechnologie – etwa, wenn es um die Lärmschutzuntersuchungen im Windkanal geht. Sie setzen aber auch an anderen Stellen an: Theoretisch kann ein Windrad 8.760 Stunden im Jahr unter Volllast Strom produzieren. „Selbst unter optimalen Bedingungen auf hoher See wird dort selten eine Volllastkapazität von mehr als 4.500 Stunden erreicht“, sagt Jan Teßmer, Koordinator der Windenergieforschung am DLR. „So arbeiten wir unter anderem daran, dass Anlagen bei schwachem Wind noch viel Energie ernten und andererseits bei starkem Sturm nicht abgeschaltet werden müssen, also den hohen Input nutzen können.“ 

Ein wichtiger Faktor hierbei ist, wie Rotorblätter sich durch Wind verformen. Um das zu messen, haben die Forscher 300 Beschleunigungs- und 200 Dehnungssensoren direkt an einzelnen Rotorblättern angebracht. Mit dem Projekt „Smart Blades“ konnten sie eine neue Konstruktion entwickeln: Bei Wind biegt sich das Blatt nicht nur nach hinten, sondern rotiert dabei in sich, kann seine Geometrie also selbstständig an die Windverhältnisse anpassen. Dadurch bietet es dem Wind bei höheren Geschwindigkeiten weniger Angriffsfläche. Bei einer anderen Variante arbeiten die Forscher mit einem beweglichen Vorflügel am Rotorblatt, ähnlich den Landeklappen an den Flügeln eines Jets.

Fest steht: Windenergieanlagen sind härtesten Bedingungen ausgesetzt, sollen aber 20 Jahre reibungslos betrieben werden, damit sie sich rechnen. „Es gibt kaum industrielle Bauteile, die so belastet werden“, sagt Andreas Reuter, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Windenergiesysteme (IWES). „In unserem Institut werden die Anlagen und einzelne Komponenten innerhalb weniger Monate mit den Lasten eines ganzen Windenergielebens getestet, sodass man davon ausgehen kann, dass auch langfristig alles rundläuft.“ 

Die Herausforderung für die Wissenschaftler ist es, mit der rasanten Entwicklung von immer größeren und leistungsfähigeren Anlagen Schritt zu halten. Im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprojekts „HighRe“ vermessen sie deshalb die aerodynamischen Eigenschaften einer Windenergieanlage in Bremerhaven mit einem Rotordurchmesser von 180 Metern. Diese Messdaten vergleichen sie mit den Ergebnissen ihrer aufwendigen Modellierungen, die sie im Vorfeld erstellen. „Dies ermöglicht erstmals eine Untersuchung, ob wir die bisherigen Modellberechnungen auch für die wesentlich größeren Offshore-Windenergieanlagen einsetzen können, die künftig gebaut werden sollen“, sagt Andreas Reuter.

Modellberechnungen anderer Art hat ein Team am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) erstellt: „Der Klimawandel wird sich auch auf das Windaufkommen in Europa auswirken“, sagt Julia Mömken, Forscherin in der Arbeitsgruppe Regionales Klima und Wettergefahren. „Für Deutschland, Frankreich und die Iberische Halbinsel etwa sind eher nachteilige Auswirkungen zu befürchten, häufiger Flauten und anderseits stärkere jahreszeitliche Schwankungen.“ Alles in allem sehen die Forscher in den vorhergesagten Änderungen große Herausforderungen für die Windenergienutzung in Europa. Auch die Forschung zur Windkraft, das steht heute schon fest, wird durch den Klimawandel neu gefordert.

06.02.2020 , Lars Klaaßen

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