Onshore-Windkraft

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Die Onshore-Windkraft bezeichnet die Erzeugung elektrischer Energie durch Windenergieanlagen, die an Land errichtet werden. Sie stellt eine der wichtigsten Säulen der erneuerbaren Energien dar und trägt maßgeblich zur Dekarbonisierung des Stromsektors bei. Im Gegensatz zu Offshore-Windkraftanlagen, die im Meer installiert werden, zeichnet sich die Onshore-Windkraft durch eine etablierte Technologie, geringere Installationskosten und eine breite geografische Verteilung aus.

Allgemeine Beschreibung

Onshore-Windkraftanlagen nutzen die kinetische Energie des Windes, um über Rotorblätter einen Generator anzutreiben, der Strom erzeugt. Die Anlagen bestehen typischerweise aus einem Turm, einer Gondel mit Generator und Getriebe sowie einem Rotor mit meist drei Blättern. Die Höhe der Türme variiert je nach Standort und Windverhältnissen, wobei moderne Anlagen oft zwischen 100 und 160 Metern Nabenhöhe erreichen. Die Leistung einer einzelnen Anlage liegt in der Regel zwischen 2 und 6 Megawatt (MW), wobei größere Anlagen mit bis zu 8 MW zunehmend verbreitet sind.

Die Effizienz von Onshore-Windkraftanlagen hängt von mehreren Faktoren ab, darunter die Windgeschwindigkeit, die Luftdichte und die technische Auslegung der Anlage. Die Windgeschwindigkeit steigt mit der Höhe über dem Boden, weshalb höhere Türme und längere Rotorblätter die Energieausbeute erhöhen. Die Luftdichte, die von Temperatur, Luftdruck und Feuchtigkeit beeinflusst wird, bestimmt die Menge der verfügbaren kinetischen Energie. Onshore-Standorte werden nach ihrer durchschnittlichen Windgeschwindigkeit klassifiziert, wobei Standorte mit Windgeschwindigkeiten von mindestens 6 Metern pro Sekunde (m/s) in Nabenhöhe als wirtschaftlich gelten.

Die Planung und Errichtung von Onshore-Windparks erfordert eine umfassende Standortanalyse, die topografische, ökologische und rechtliche Aspekte berücksichtigt. Dazu gehören Windmessungen über einen Zeitraum von mindestens einem Jahr, um die Windressourcen zuverlässig zu bewerten. Zudem müssen Umweltverträglichkeitsprüfungen durchgeführt werden, um mögliche Auswirkungen auf Flora, Fauna und das Landschaftsbild zu minimieren. Die Genehmigungsverfahren sind in den meisten Ländern streng reguliert und können mehrere Jahre in Anspruch nehmen.

Technische Details

Onshore-Windkraftanlagen basieren auf dem Prinzip der aerodynamischen Energieumwandlung. Die Rotorblätter sind so geformt, dass sie den Wind optimal einfangen und in eine Drehbewegung umsetzen. Diese Bewegung wird über eine Welle an ein Getriebe weitergeleitet, das die Drehzahl erhöht, um den Generator effizient anzutreiben. Moderne Anlagen nutzen häufig getriebelose Systeme, bei denen der Generator direkt mit dem Rotor verbunden ist, was den Wartungsaufwand reduziert und die Lebensdauer der Anlage verlängert.

Die Leistung einer Windkraftanlage wird durch die Formel P = 0,5 × ρ × A × v³ × c_p beschrieben, wobei P die Leistung in Watt (W), ρ die Luftdichte in Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m³), A die vom Rotor überstrichene Fläche in Quadratmetern (m²), v die Windgeschwindigkeit in Metern pro Sekunde (m/s) und c_p der Leistungsbeiwert ist. Der Leistungsbeiwert gibt an, welcher Anteil der im Wind enthaltenen Energie tatsächlich in mechanische Energie umgewandelt wird. Der theoretisch maximale Wert für c_p liegt bei 0,59 (Betz-Limit), in der Praxis erreichen moderne Anlagen Werte zwischen 0,45 und 0,5.

Die Netzanbindung von Onshore-Windparks erfolgt über Umspannwerke, die den erzeugten Strom auf eine höhere Spannungsebene transformieren, um Übertragungsverluste zu minimieren. In Deutschland wird der Strom typischerweise in das Hochspannungsnetz (110 Kilovolt, kV) oder das Höchstspannungsnetz (220 kV oder 380 kV) eingespeist. Die Integration großer Mengen Windstrom in das Stromnetz erfordert eine flexible Steuerung, da die Einspeisung wetterabhängig schwankt. Hier kommen zunehmend Speicherlösungen wie Batteriespeicher oder Power-to-Gas-Anlagen zum Einsatz, um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten.

Normen und Standards

Die Planung, Errichtung und der Betrieb von Onshore-Windkraftanlagen unterliegen zahlreichen nationalen und internationalen Normen. In Deutschland sind insbesondere die Richtlinien des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt) sowie die Vorgaben der DIN EN 61400-Reihe (Windenergieanlagen) relevant. Die DIN EN 61400-1 definiert beispielsweise die Auslegungsanforderungen für Windkraftanlagen, während die DIN EN 61400-12-1 die Leistungsmessung regelt. Zudem müssen Anlagen die Anforderungen der Richtlinie 2006/42/EG (Maschinenrichtlinie) und der Niederspannungsrichtlinie 2014/35/EU erfüllen. Für die Netzanbindung gelten die Vorgaben des TransmissionCode 2007 und des EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz).

Abgrenzung zu ähnlichen Begriffen

Onshore-Windkraft unterscheidet sich von Offshore-Windkraft vor allem durch den Standort und die damit verbundenen technischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen. Offshore-Anlagen werden im Meer errichtet und profitieren von höheren und konstanteren Windgeschwindigkeiten, sind jedoch mit höheren Installations- und Wartungskosten verbunden. Zudem erfordern sie spezielle Fundamentkonstruktionen, wie Monopiles oder Jackets, um den Belastungen durch Wellen und Strömungen standzuhalten. Onshore-Anlagen sind dagegen einfacher zu errichten und zu warten, unterliegen jedoch stärkeren Restriktionen durch Landschaftsschutz, Lärmemissionen und Akzeptanzprobleme in der Bevölkerung.

Ein weiterer verwandter Begriff ist die Kleinwindkraft, die sich auf Anlagen mit einer Leistung von weniger als 100 Kilowatt (kW) bezieht. Diese werden häufig für die dezentrale Energieversorgung von Haushalten, landwirtschaftlichen Betrieben oder Gewerbegebieten genutzt. Im Gegensatz zu Onshore-Windparks, die oft aus mehreren Anlagen mit Leistungen im Megawattbereich bestehen, sind Kleinwindanlagen in der Regel Einzelanlagen mit geringerer Höhe und Leistung.

Historische Entwicklung

Die Nutzung der Windenergie zur Stromerzeugung hat eine lange Geschichte, die bis ins späte 19. Jahrhundert zurückreicht. Die ersten Windkraftanlagen wurden in den 1880er-Jahren in den USA und Dänemark entwickelt, wobei sie zunächst für die mechanische Energieerzeugung, etwa zum Pumpen von Wasser, genutzt wurden. Die erste Anlage zur Stromerzeugung wurde 1887 von James Blyth in Schottland errichtet. In den 1920er- und 1930er-Jahren wurden in den USA und Europa erste kommerzielle Windkraftanlagen gebaut, die jedoch noch eine geringe Leistung aufwiesen.

Der Durchbruch der Onshore-Windkraft erfolgte in den 1980er-Jahren, als die Technologie durch staatliche Förderprogramme und Fortschritte in der Materialforschung deutlich verbessert wurde. In Dänemark und Deutschland entstanden die ersten modernen Windparks, die aus mehreren Anlagen mit Leistungen von bis zu 100 kW bestanden. In den 1990er-Jahren setzte eine rasante Weiterentwicklung ein, die zu größeren Anlagen mit Leistungen von über 1 MW führte. Heute sind Onshore-Windkraftanlagen mit Leistungen von 3 bis 6 MW Standard, und es werden zunehmend Anlagen mit bis zu 8 MW errichtet.

Die globale installierte Leistung der Onshore-Windkraft ist seit den 2000er-Jahren stark gewachsen. Im Jahr 2023 betrug die weltweit installierte Onshore-Leistung laut dem Global Wind Energy Council (GWEC) über 800 Gigawatt (GW), wobei China, die USA und Deutschland die größten Märkte darstellen. Die Technologie hat sich zu einer der kostengünstigsten Formen der Stromerzeugung entwickelt, mit Stromgestehungskosten von etwa 0,03 bis 0,06 Euro pro Kilowattstunde (kWh), abhängig von Standort und Windverhältnissen.

Anwendungsbereiche

• Stromerzeugung im großen Maßstab: Onshore-Windparks sind ein zentraler Bestandteil der Stromversorgung in vielen Ländern. Sie werden in der Regel in windreichen Regionen errichtet und speisen den erzeugten Strom in das öffentliche Netz ein. In Deutschland deckte die Onshore-Windkraft im Jahr 2023 etwa 22 Prozent des Bruttostromverbrauchs.
• Dezentrale Energieversorgung: Kleinere Onshore-Windkraftanlagen werden für die lokale Stromversorgung von Gemeinden, Industrieanlagen oder landwirtschaftlichen Betrieben genutzt. Sie tragen zur Reduzierung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und zur Stabilisierung des lokalen Stromnetzes bei.
• Hybridsysteme: Onshore-Windkraftanlagen werden zunehmend in Kombination mit anderen erneuerbaren Energien, wie Photovoltaik oder Biomasse, sowie mit Speichersystemen eingesetzt. Diese Hybridsysteme ermöglichen eine kontinuierliche Stromversorgung auch bei schwankender Windverfügbarkeit.
• Repowering: Ältere Windkraftanlagen werden durch moderne, leistungsstärkere Anlagen ersetzt, um die Energieausbeute zu erhöhen und die Flächeneffizienz zu verbessern. Dieser Prozess wird als Repowering bezeichnet und ist besonders in Ländern mit einer langen Windkrafttradition, wie Deutschland oder Dänemark, verbreitet.

Bekannte Beispiele

• Gansu-Windpark (China): Mit einer geplanten installierten Leistung von 20 Gigawatt (GW) ist der Gansu-Windpark einer der größten Onshore-Windparks der Welt. Der Park befindet sich in der Provinz Gansu und nutzt die starken Winde der Wüste Gobi. Bis 2023 waren bereits über 8 GW installiert, wobei der Ausbau weiter voranschreitet.
• Alta Wind Energy Center (USA): Dieser Windpark in Kalifornien ist mit einer installierten Leistung von 1,55 GW einer der größten Onshore-Windparks in den USA. Er besteht aus über 600 Anlagen und versorgt etwa 450.000 Haushalte mit Strom. Der Park wurde in mehreren Phasen errichtet und nutzt die starken Winde der Tehachapi-Pass-Region.
• Fântânele-Cogealac (Rumänien): Mit einer installierten Leistung von 600 MW ist dieser Windpark einer der größten Onshore-Windparks in Europa. Er besteht aus 240 Anlagen und wurde 2012 in Betrieb genommen. Der Standort in der Dobrudscha-Region zeichnet sich durch hohe Windgeschwindigkeiten aus.
• Gode Wind (Deutschland): Der Onshore-Windpark Gode Wind in Niedersachsen besteht aus 97 Anlagen mit einer Gesamtleistung von 332 MW. Er wurde 2017 in Betrieb genommen und ist ein Beispiel für die moderne Onshore-Windkraft in Deutschland, die durch hohe Effizienz und geringe Umweltauswirkungen gekennzeichnet ist.

Risiken und Herausforderungen

• Akzeptanz in der Bevölkerung: Onshore-Windkraftanlagen sind häufig Gegenstand von Konflikten mit Anwohnern, die sich durch Lärmemissionen, Schattenwurf oder die Veränderung des Landschaftsbilds beeinträchtigt fühlen. Die Akzeptanz kann durch frühzeitige Bürgerbeteiligung und transparente Planungsprozesse verbessert werden.
• Umweltauswirkungen: Der Bau von Windparks kann zu Eingriffen in natürliche Lebensräume führen, insbesondere durch die Rodung von Wäldern oder die Beeinträchtigung von Vogel- und Fledermauspopulationen. Umweltverträglichkeitsprüfungen und gezielte Standortwahl sind entscheidend, um diese Auswirkungen zu minimieren.
• Netzintegration: Die wetterabhängige Einspeisung von Windstrom stellt eine Herausforderung für die Stabilität des Stromnetzes dar. Eine flexible Steuerung, der Ausbau von Stromspeichern und die Kopplung mit anderen erneuerbaren Energien sind notwendig, um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten.
• Wirtschaftliche Rahmenbedingungen: Die Rentabilität von Onshore-Windprojekten hängt von politischen Rahmenbedingungen, wie Förderprogrammen oder Einspeisevergütungen, sowie von den Strommarktpreisen ab. Schwankungen in diesen Bereichen können die Investitionssicherheit beeinträchtigen.
• Technische Herausforderungen: Onshore-Windkraftanlagen sind extremen Witterungsbedingungen ausgesetzt, die zu Verschleiß und Materialermüdung führen können. Regelmäßige Wartung und der Einsatz hochwertiger Materialien sind entscheidend, um die Lebensdauer der Anlagen zu verlängern.

Ähnliche Begriffe

• Offshore-Windkraft: Windkraftanlagen, die im Meer errichtet werden und von höheren, konstanteren Windgeschwindigkeiten profitieren. Sie erfordern spezielle Fundamentkonstruktionen und sind mit höheren Installations- und Wartungskosten verbunden.
• Kleinwindkraft: Windkraftanlagen mit einer Leistung von weniger als 100 kW, die für die dezentrale Energieversorgung genutzt werden. Sie sind häufig in ländlichen Gebieten oder auf Gebäuden installiert.
• Repowering: Der Ersatz älterer Windkraftanlagen durch moderne, leistungsstärkere Anlagen, um die Energieausbeute zu erhöhen und die Flächeneffizienz zu verbessern.
• Windpark: Eine Ansammlung mehrerer Windkraftanlagen an einem Standort, die gemeinsam Strom erzeugen und in das öffentliche Netz einspeisen. Windparks können sowohl onshore als auch offshore errichtet werden.

Zusammenfassung

Die Onshore-Windkraft ist eine etablierte und kostengünstige Technologie zur Erzeugung erneuerbarer Energie, die weltweit eine zentrale Rolle in der Stromversorgung spielt. Sie zeichnet sich durch eine ausgereifte Technik, geringe Stromgestehungskosten und eine breite geografische Verteilung aus. Onshore-Windparks tragen maßgeblich zur Reduzierung der CO₂-Emissionen bei und sind ein wichtiger Baustein der Energiewende. Gleichzeitig sind mit der Technologie Herausforderungen verbunden, wie die Akzeptanz in der Bevölkerung, Umweltauswirkungen und die Integration in das Stromnetz. Durch kontinuierliche technologische Fortschritte und eine sorgfältige Planung kann die Onshore-Windkraft jedoch auch in Zukunft einen wesentlichen Beitrag zur nachhaltigen Energieversorgung leisten.

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