Windkraftproduktion kritisch überprüft

Windkraft hat in Europa und weltweit enorm zugelegt. Im Jahr 2015 waren rund um den Globus Windkraftanlagen mit einer Kapazit?t von 350 Gigawatt installiert, davon 135 Gigawatt in Europa, verteilt auf rund 87'000 Windturbinen. Der Anteil der Windenergie ist mit 13 Prozent mittlerweile gr?sser als der von Atomkraftwerken. In L?ndern wie Spanien, D?nemark oder Deutschland ist bereits genug Windkraft installiert, um unter idealen Bedingungen - maximale Windproduktion und tiefe Stromnachfrage - die jeweilige nationale Stromnachfrage theoretisch zu decken.

Wechselhafte Produktion

Die installierte Leistung sagt jedoch wenig dar¨¹ber aus, wie viel Strom die Windkraftanlagen eines Landes tats?chlich in das jeweilige nationale Netz eingespeist haben. Denn Windenergie ist nur schwer vorauszusagen. Das macht die Anbindung an bestehende Energiesysteme schwierig.

Betreiber und Energieforscher sind deshalb darauf angewiesen, die Stromproduktion mit zeitlich hoher Aufl?sung zu simulieren, um einsch?tzen zu k?nnen, wie hoch die Last zu einem gegebenen Zeitpunkt sein k?nnte.

Erst vor kurzem haben Forschende damit begonnen, solche Simulationen mithilfe von sogenannten Reanalyse-Modellen durchzuf¨¹hren. Dabei handelt es sich um globale Wettermodelle, die mit echten Messdaten von Wetterstationen und Satelliten gef¨¹ttert werden. Diese Reanalysen verarbeiten diese Messungen in koh?rente weltweite Simulationen der atmosph?rischen Bedingungen.

Modelle kritisch ¨¹berpr¨¹ft

Allerdings haben Daten aus Reanalysen einen grossen Haken: Die Wettermodelle vereinfachen die reale Welt. F¨¹r die Windkraft wichtige Faktoren wie die Oberfl?chenbeschaffenheit um eine Windfarm werden dadurch nicht gen¨¹gend detailliert abgebildet. Werden also solche Daten aus Reanalyse-Modellen ohne Korrekturen f¨¹r Simulationen der Windstromproduktion verwendet, liefern die Modelle ein systematisch verzerrtes Bild. Dennoch wurden einige Studien zur Windstromproduktion ver?ffentlicht, die sich auf nicht korrigierte Daten abst¨¹tzen.

Der Energieforscher Stefan Pfenninger von der ETH Z¨¹rich und sein Kollege Iain Staffell vom Imperial College London haben deshalb Daten der gemessenen Stromproduktion von Windfarmen in ganz Europa sowie l?nderbezogene Produktionsdaten, die durch die Stromnetz-Betreiber erhoben wurden, zusammengetragen. Diese Datensammlung brauchten sie, um daraus Korrekturfaktoren f¨¹r jedes europ?ische Land abzuleiten. Schliesslich simulierten sie die Windstromproduktion in Europa ¨¹ber zwanzig Jahre mithilfe des von ihnen entwickelten Virtual Wind Farm Model (VWF).

Untersch?tzter S¨¹den

Dank ihres rigorosen Ansatzes haben die beiden Forscher ein realistischeres Bild der Windenergieproduktion in Europa zeichnen k?nnen. Ihre Simulationen decken auf, dass die in anderen Studien gebrauchten unkorrigierten Simulationen die Windstromproduktion in Nordwesteuropa um bis zu 50 Prozent ¨¹bersch?tzt, die Produktion in S¨¹deuropa hingegen um 30 Prozent untersch?tzt haben.

Die Forscher berechneten zudem auch die Nutzungsgrade f¨¹r Europa neu: So liegt der aktuelle Nutzungsgrad im europ?ischen Durchschnitt bei 24,2 Prozent; in Grossbritannien liegt er bei 32,4 Prozent und in Deutschland bei 19,5 Prozent. Der europ?ische Durchschnitt weicht von Jahr zu Jahr um nur wenige Prozent ab. ?Diese Abweichung ist viel geringer als diejenige eines einzelnen Landes?, sagt Pfenninger. ?Je gr?sser die Windflotte und je gr?sser die geografische Streuung ist, desto geringer sind Angebotsschwankungen.? Es sei deshalb wichtig, dass die nationalen Stromnetze noch besser miteinander vernetzt w¨¹rden, um Produktionsausf?lle in einer Gegend mit der Mehrproduktion eines anderen Landes auszugleichen.

Die Simulation zeigt auch, dass die Nutzungsgrade am Steigen sind, unter anderem dank besserer Technologie und besserer Standorte auf offener See. Die Windparks Grossbritanniens sind mittlerweile um einen Viertel produktiver als noch vor zehn Jahren.

Nordsee-Staaten legen zu

Beim derzeitigen Planungsstand rechnen Pfenninger und Staffell damit, dass der durchschnittliche Nutzungsgrade f¨¹r Europa um einen Drittel auf ¨¹ber 31 Prozent steigen k?nnte. ?Insbesondere Nordsee-Anrainer d¨¹rften in der nahen Zukunft kr?ftig zulegen?, sagt Pfenninger. Grossbritannien k?nnte einen Nutzungsgrad von fast 40 Prozent erreichen, Deutschland einen von beinahe 30 Prozent.

Damit Planer, Netz- und Kraftwerksbetreiber aber auch andere Wissenschaftler die von den Energieforschern entwickelten Simulationen weiterverwenden k?nnen, haben Pfenninger und Staffell die interaktive Web-Applikation externe Seite www.renewables.ninja geschaffen, wo die europ?ischen Datens?tze zum Download bereitstehen. Die beiden Forscher haben die Plattform w?hrend sechs Monaten getestet. Sie z?hlt bereits Nutzer von 54 Institutionen aus 22 L?ndern, darunter die Internationale Energieagentur.

Die Plattform gew?hrt auch Zugriff auf Daten, die mit einer vergleichbaren Simulation der Photovoltaik-Stromproduktion in Europa entwickelt werden. Die Studie zur Photovoltaik erscheint zeitgleich wie diejenige zur Windstromproduktion und wurde ebenfalls von Pfenninger und Staffell geschrieben.