Energiewende Neue Studie aus Jena: Das Potenzial und die Grenzen der Windkraft

Wie viel Energie kann weltweit durch Windkraft erzeugt werden? Laut einer neuen Studie des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena weitaus mehr, als die Menschheit bis zur Jahrhundertmitte verbrauchen kann. Doch es gibt Grenzen – die der Physik und die der Realität. Warum diese Ergebnisse für die Zukunft von Windparks und die Energiewende trotzdem wichtig sind, erfahren Sie hier.

Windradpark in der Nordsee
Bildrechte: IMAGO / Felix Jason

Der Klimawandel ist die größte Existenzbedrohung unserer Zeit und für nachfolgende Generationen. Wird der Prozess nicht verlangsamt oder gar aufgehalten, hat das verheerende Auswirkungen und zwar nicht nur für die Menschheit, sondern für alle Lebewesen auf diesem Planeten. Um dieses Problem in den Griff zu bekommen, ist die Umstellung der Energieversorgung der Menschheit auf erneuerbare Energien, also Energien aus Erdwärme, Biomasse, Wasserkraft, Solarenergie und Windkraft, unerlässlich. Und natürlich ist sie auch nötig, weil fossile Energieträger nicht nur klimaschädlich, sondern eben auch endlich sind. Die Umstellung auf erneuerbare Energien hat bereits begonnen. Doch stellt sich immer wieder die Frage, ob dadurch genug Energie produziert werden kann, um die stetig wachsende Weltbevölkerung sicher zu versorgen.

Die Stromausbeute aus Wind hat physikalische Grenzen

In einer neuen Studie hat Dr. Axel Kleidon vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena untersucht, wie viel Windenergie sich theoretisch weltweit gewinnen lässt. Dafür hat er einen Ansatz des Mathematikers und Meteorologen Edward N. Lorenz aus den 1950er- und 1960er-Jahren aufgegriffen. Dieser hatte erstmals die Effektivität der "Wärmekraftmaschine" Atmosphäre berechnet. Die Erdatmosphäre besitzt die Fähigkeit aus den Temperaturunterschieden durch unterschiedliche Sonneneinstrahlung Bewegungsenergie, sprich Wind zu erzeugen. Mit Hilfe dieses Modells und Satellitendaten kommt Kleidon zu dem Ergebnis, dass in der Atmosphäre theoretisch zwei Watt Energie pro Quadratmeter erzeugt werden. Doch diese zwei Watt Windenergie sind nicht das, was bei uns ankommt. Kleidon hat anschließend errechnet, wie viel kinetische Energie theoretisch global durch Windkraftanlagen aus der Luft entzogen werden kann. Das Ergebnis: 0,5 Watt pro Quadratmeter. Das klingt wenig. Bezogen auf die Gesamtfläche ist es aber eine ganze Menge Energie, nämlich 250 Terrawatt.

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.

Prof. Dr. Stefan Emeis, Karlsruher Institut für Technologie

Diese Zahl gilt aber nur, wenn die gesamte Erdoberfläche mit Windparks bedeckt wäre. Das ist natürlich nicht möglich, doch genug Platz für einen Ausbau der Windparks gibt es trotzdem und das könnte ziemlich viel Energie liefern.

Auf die Größe kommt es eben doch an

Aber wie das mit Theorien eben so ist, in der Praxis stoßen sie an Grenzen. So zum Beispiel stellt Kleidon fest, dass die Größe der Windparks eine wesentliche Rolle spielt. Eine Kantenlänge von 100 Kilometern sollten diese nicht überschreiten. Windparks in diesem Ausmaß können nämlich tatsächlich nicht mehr als 0,5 Watt elektrische Energie pro Quadratmeter erzeugen. Kleinere Anlagen dagegen können eine höhere Ausbeute pro Fläche erzielen. Grund dafür: Sie klauen sich nicht gegenseitig den Wind, sondern sind in der Lage, die dem Wind entzogene Energie durch die aus höheren Luftschichten zu ersetzen. Hier gilt also durchaus das Motto: Mut zur Lücke. Deshalb sagt Kleidon, dass es bei der Planung von Windparks sehr wichtig ist, die physikalischen Grenzen einzuhalten. Leider komme es immer wieder vor, dass regionale Potenzialanalysen diese Prozesse ignorieren und dann eine Ausbeute von elektrischer Energie pro Fläche ermitteln, die sogar über der theoretisch möglichen Energie pro Fläche liege.

Nun könnte man davon ausgehen, dass im kleinen Deutschland nicht mehr so viel Platz für effektive Windkraftanlagen ist. Dem ist aber nicht so, sagt der Experte für Ökosystem-Atmosphäre-Prozesse Prof. Dr. Stefan Emeis in Bezug auf die Studie.

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.

Prof. Dr. Stefan Emeis

Das klingt doch vielversprechend und macht Mut für die Energiewende. Doch es gibt natürlich auch kritischere Stimmen.

Theoretisch möglich, heißt nicht praktisch möglich

Dr. Jan Wohland von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich ist in Hinblick auf Kleidons Studie etwas skeptisch, denn seiner Ansicht nach sind die Annahmen sehr vereinfacht und lässt reale Bedingungen außen vor. "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.

Dr. Jan Wohland, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich

Solche Vereinfachungen sind in der Physik durchaus gerechtfertigt und hilfreich. In der Realität seien sie aber selten anwendbar, auch wenn Kleidon damit argumentiere, dass das Modell in etwa mit den komplexeren Simulationen des Klimasystems übereinstimmt. Laut Wohland wird der Effekt von Windparks behelfsmäßig durch Parametrisierungen in solche Modelle einfügt und auch die Validierung mit Beobachtungen ist bisher noch nicht möglich. Deshalb eigneten sich solche Modellergebnisse nur begrenzt als Grundwahrheit. Er sieht die Ergebnisse der Studie deshalb unter Vorbehalt. Doch er stimmt auch Kleidons Aussage zu, dass für den Umstieg auf erneuerbare Energien systematischer gedacht werden sollte und dass insbesondere Erkenntnisse aus der Klimawissenschaft in die Planung von zukünftigen Stromsystemen einfließen müsse.

JeS/CMS

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2 Kommentare

Eulenspiegel vor 7 Wochen

„ Bezogen auf die Gesamtfläche ist es aber eine ganze Menge Energie, nämlich 250 Terrawatt.“
„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.“
Prof. Dr. Stefan Emeis, Karlsruher Institut für Technologie
Also ist klar:
Zumindest rein theoretisch wäre es möglich ungefähr die 8 fache des heutigen Energiebedarfs der gesamten Weltbevölkerung zu erzeugen.
Und dann kommt die Wasserkraft und Biogas, aus Bioabfällen wie Gülle, noch dazu.
Ja und dann gibt es noch eine Menge Möglichkeiten Energie effizienter zu nutzen. Das heißt man kann mit einer Kilowattstunde deutlich mehr erreichen.
Das heißt wir benötigen für die weltweite Energieversorgung im Grunde keine fossilen Energieträger.

part vor 7 Wochen

Eine interessante Studie, die endlich auch die Gegenbeeinflussung großer WKA mit einbezieht, doch alles richtet sich nur nach den Großerzeugern, also Konzernen. Was ist mit dem Eigenheimbesitzer, mittelständischen Unternehmer oder der Kommune, die auch gern ihren Strom mittels Windkraft ins Netz einspeisen möchten, aber durch mangelnde Anlagen oder ungünstige Förderung daran gehindert werden. Das Elektro-Lufttaxi ( MDR- Bericht von heute) ist bereits erfunden, angetrieben durch kleine Einheiten, kleinere Einheiten wäre auch in der Lage mit einem Wirkungsgrad von 80 % Elektroenergie zu erzeugen, leider mit Patent belegt und als Stichwort Lufthamster.