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Evolution der Windkraftanlage Gegen Wind und Vorurteile

Vom Flügelmajor bis Growian: Die Nutzung der Windenergie hatte stets ein Imageproblem, obwohl viele Anlagen über Jahrzehnte pannenfrei liefen. Ein Rückblick auf 100 Jahre Windkraftgeschichte.
01.10.2014 - 15:35 Uhr Kommentieren
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Die Karriere der Windkraft hat viele Hochs und Tiefs gesehen. Immer wieder wurde sie kleingeredet: zu ineffizient, zu teuer, zu speziell. Doch von den ersten windbetriebenen Mahlsteinen vor mehr als 1000 Jahren bis hin zu den Windkraftpionieren der Neuzeit hat sich einiges getan. Nicht zuletzt die Energiewende hat in den vergangenen Jahren dafür gesorgt, dass es interessanter geworden ist, sich die Kraft des dritten Elements zunutze zu machen.

Je mehr Technik das tägliche Leben dabei durchzog, desto ausgefeilter waren schließlich die Konstruktionen der Ingenieure. Modernere Windkraftanlagen haben ihre technischen Wurzeln in den Ausläufern des 19. Jahrhunderts. Ab der Jahrhundertwende zeigen sich auch in Deutschland die ersten Ansätze der elektrischen Nutzung von Windenergie.

Der ehemalige Major Kurt Bilau entwickelte in den 1920ern den Ventimotor. Dieser sollte Müllern einen kleinen Nebenerwerb verschaffen, indem er überschüssige Windenergie über die Mühlenflügel und die angeschlossene Mechanik in Strom umwandelte und für verschiedene Anwendungen bereitstellte. Bilaus Idee stieß weniger auf Skepsis als auf klamme Kassen. Den Müllern waren die Anlagen schlichtweg zu teuer. Vielmehr interessierten sie sich für die Flügelkonstruktionen des Ex-Militärs, die er in Zusammenarbeit mit dem Physiker Albert Betz entwickelte. Das aerodynamisch optimierte Profil aus Aluminium sah wenig traditionell aus, konnte die Leistung einer Mühle im besten Fall aber verdreifachen.

Die Vorarbeit des Flügelmajors sollte nicht unbeachtet bleiben. Steigende Treibstoffpreise weckten in den späten 1930ern das staatliche Interesse an der Nutzung von Windenergie. Die genaue Beobachtung des ersten Windrades des Dänen Poul la Cour zeigte der deutschen „Reichsarbeitsgemeinschaft Windkraft“ (RAW), dass dieses mehr als 15 Jahre wartungsfrei lief und fortwährend Strom lieferte. Bis 1908 errichtete zudem ein dänischer Energieversorger 72 Anlagen nach la Cours Prototyp.

Auf dem richtigen Fuß erwischt
Schlicht und unauffällig, aber bedeutsam
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Der Turm einer Windenergieanlage  kann mehrere hundert Tonnen wiegen, und verursacht bei Montage und Transport einen guten Teil der Kosten. Außerdem ist er ein wichtiger Faktor für den Ertrag: Je weiter oben die Nabe platziert ist, desto stärker und konstanter weht der Wind, und umso kräftiger können die Flügel rotieren.

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Je mehr Strom Windenergieanlagen produzieren, desto besser.
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Ein wichtiger Faktor für den Ertrag ist die Höhe der Nabe. Je weiter oben, desto stärker und konstanter ist in der Regel der Wind, und umso kräftiger können die Flügel rotieren. Auch für den Bau von Windparks in waldreichen Regionen wie Schweden oder Süddeutschland ist die Höhe ausschlaggeben. Der Abstand zwischen Wipfeln und Turbinenschaufeln muss groß genug sein, um Gefahren durch Berührungen auszuschließen.  

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Je höher hinaus es mit der Windturbine gehen soll, desto komplexer wird aber auch das Vorhaben. Denn wenn der Turm höher werden soll, muss gleichzeitig der Fuß der Anlage in die Breite gehen. Je nachdem welcher Turmtyp gewählt wird, sind die Voraussetzungen unterschiedlich.

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Montage Windenergie-Anlage
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Bislang bestehen die Türme für Windräder meist aus Stahl und Beton. Beide Typen sind auf den ersten Blick kaum zu unterscheiden. Reine Stahlkonstruktionen bestehen aus zwei bis fünf Segmenten, die separat transportiert und vor Ort aneinandergefügt werden. Der Haken: Je höher die Türme werden sollen, desto breiter muss zugunsten der Standfestigkeit das Fundament sein. Doch auf einem Lkw ist die Breite der zu transportierenden Bestandteile begrenzt – und mit den festen Stahlteilen kommen die Transporter nicht unter Brücken hindurch.

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Supermond über Brandenburg
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Anders ist die Lage bei Betontürmen: Zwar werden diese auch in einzelnen Abschnitten angeliefert, aber der unterste Bestandteil wird in mehreren Teilen hergestellt und transportiert. Dadurch sind die Möglichkeiten für die Fundamentbreite größer, und die Türme können höher gebaut werden.

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Neben den reinen Stahl- oder Betontürmen gibt es auch Mischformen: Hybridtürme sind unten aus Beton gefertigt und im oberem Segment aus Stahl. Das löst die Transportprobleme von Stahlböden und ist aber einfacher zu montieren, als reine Betontürme.

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SpaceFrame1
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In Europa noch nicht weitverbreitet, aber den Rohrvarianten gegenüber in einigen Punkten im Vorteil ist die Gitterkonstruktion, die optisch an Stromleitungsmasten erinnert. Ein ökonomischer Faktor, der für diese Bauweise spricht, sind die Transportkosten. Durch enorm große Komponenten und Sicherheitsvorschriften sind die Kosten hier bei Stahl/Beton-Konstruktionen recht hoch. Die Bestandteile der Gitterturm-Variante hingegen passen hingegen in Standard-Container, und benötigen keinen Schwertransport. So lassen sich die Anlagen besser transportieren und schneller aufbauen.

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Auf Bestreben der RAW wuchsen in den Folgejahren schließlich Pläne für eine Windkraftanlage heran, die den Vergleich mit heutigen Anlagen nicht scheuen müsste. Ein insgesamt 130 Meter messender Rotor wäre den Berechnungen zufolge zu einer Nennleistung von 10 Megawatt im Stande gewesen. Vom Boden bis zum höchsten Punkt der Rotorspitze wäre das Bauwerk mit 315 Metern fast so groß gewesen wie das 77 Etagen hohe Chrysler Building in New York. Zum Vergleich: Die derzeit leistungsfähigsten Windkraftanlagen auf deutschem Boden leisten rund 7,6 Megawatt und messen maximal 199 Meter

Etwas kleiner sind GE-Windkraftanlagen der 2,5 Megawatt-Klasse. Sie gelten mit der höchsten jährlichen Stromerzeugung in ihrer Klasse als führend. Basierend auf GEs Erfahrung mit mehr als 16.500 installierten 1.5-MW-Windkraftanlagen weltweit ist die 2.5-Megawatt-Windkraftanlage ganz darauf ausgelegt, die wachsenden Anforderungen der Windkraftbranche zu erfüllen.

Bis Anlagen so effizient werden konnten, mussten jedoch viele Entwicklungsschritte durchlaufen werden. Das Projekt der RAW konnte 1942 schließlich wegen des fortschreitenden Krieges nicht umgesetzt werden.

Ebenfalls in der Schublade blieb die Vision des deutschen Stahlbauingenieurs Hermann Honnef, der auf einem gigantischen Gitterturm bis zu fünf Windrotoren mit einem Durchmesser von jeweils160 Metern anbringen wollte. Stattliche 20 Megawatt sollten auf diese Weise dem Wind abgerungen werden. Adolf Hitler habe sich für die Idee der „Reichskrafttürme“ durchaus interessiert, heißt es.

Über 200 Kilowatt Leistung verfügte in den Nachkriegsjahren eine kleine dänische Windkraftanlage mit Betonturm, die Jahre später noch Begehrlichkeiten wecken sollte. Sie lief ab 1957 elf Jahre ohne Zwischenfall. Nur ein Jahr kürzer stand die Anlage des deutschen Ulrich Hütter. Mit einem 34 Meter messenden Rotor erzeugte die Anlage auf der schwäbischen Alb so viel Leistung wie der Motor eines sportlichen Kleinwagens. Die Konstruktion der Hütterschen W34 galt als richtungsweisend und war noch 20 Jahre später Vorbild für die Windkraftära nach 1975.

Bis dahin sollte der aufkommende Atomstrom jedoch Politik und Energiekonzerne in seinen Bann ziehen und etliche Forschungsmillionen für sich beanspruchen. Trotz weiterer Pilotprojekte in den 1950er und 1960ern verschwanden die stahlbetongewordenen Zeugen energiepolitischen Pioniergeistes so nach und nach aus dem Landschaftsbild.

Nicht so jener Betonturm auf der dänischen Ostseeinsel Falster: Auf ihn wurde 1977 die US-Luft- und Raumfahrtbehörde Nasa aufmerksam. Die Ölkrise vier Jahre zuvor führte der Regierung die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen vor Augen, worauf diese begann, sich nach Alternativen umzusehen. Amerikanische Windradkonstruktionen aus dem späten 19. und frühen 20. Jahrhundert waren in den USA zwar noch millionenfach verbreitet, brachten aber nicht genügend Leistung. Inspiration für leistungsstärkere Anlagen sollte die Nasa auf Falster finden.

Wartungsintervalle von mehreren Jahren konnten sich die Erbauer der deutschen Großen Windkraft Anlage („Growian“) nur wünschen. Das Projekt, das Ende der 1970er geplant und in den 1980ern realisiert wurde, erwies sich als großer Fehlschlag. Auf Drängen der Politik sollten die Planer die größere und tendenziell fehleranfälligere von zwei möglichen Windradvarianten errichten. Bei Inbetriebnahme des Prototyps im Oktober 1983 war Growian die größte Windkraftanlage der Welt. 100 Millionen Mark hatte sich die Bundesregierung die Anlage mit dem zweiflügeligen Rotor damals kosten lassen. Fünf Jahre später folgte der Abriss – Materialmängel und Konstruktionsfehler waren der Grund. Fortan wurde Growian als mahnendes Beispiel immer dann angeführt, wenn es um die Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit von Windkraft ging.

Zahlen des Deutschen Windenergie-Instituts und des Fraunhofer Instituts sprechen eine andere Sprache. Standen auf dem deutschen Festland 1993 knapp 1600 Windkraftanlagen, kamen in den folgenden zwei Jahrzehnten täglich etwa 2,7 Anlagen hinzu. Technische Weiterentwicklungen wie der Einbau von Sensoren in einzelne Bauteile und eine Verfeinerung der Steuerprogramme sowie ausführliche Windberechnungen schraubten die Effizienz nach oben: Für die Leistung von 1000 Windrädern, die 1998 gebaut wurden, sind 15 Jahre später nur noch wenig mehr als 150 nötig. Laut Windenenergie-Report 2013 generieren neu installierte Anlagen durchschnittlich 2,6 Megawatt mit Hilfe eines gut 95 Meter großen Rotors. Acht Prozent des gesamtdeutschen Stromverbrauchs stammen inzwischen aus Windradgeneratoren.

Solche ausgewachsenen Anlagen haben ebenso ausgewachsene Preise. Der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau sowie der Bundesverband WindEnergie ermittelten, dass 2012 gut 2,7 Milliarden Euro in den Neubau von Windenergieanlagen gesteckt wurden – Tendenz steigend.

In der Evolution der Windkraftanlagen wurden ihre Erbauer häufig als Idealisten abgetan. Bis auf wenige Ausnahmen standen die Realisierungschancen für Versuchsaufbauten stets schlecht; sie rechneten sich nicht. Insbesondere Förderprogramme haben bewirkt, dass der energiepolitische Wind gedreht hat.