geschrieben von Chris Frey | 18. August 2017
Abb. 1: In Deutschland begann der massive Windkraft- Ausbau nach der Mitte der 1990er Jahre. Er setzte sich auch nach 2014, dem Endpunkt dieser Grafik, weiter fort. Bildquelle (2)
Die Windgeschwindigkeit schwankte langfristig stark
Windräder können keine gleichbleibenden Strommengen liefern. Ein Blick auf die Leistungskurve einer typischen Anlage verdeutlicht das:
Abb. 2: Unterhalb von 3 m/s, also schwachem Wind, der aber immerhin schon mit ca. 10 Km/h die doppelte Geschwindigkeit eines Fußgängers hat und 1 bis 2 Beaufort entspricht, wird gar kein Strom erzeugt. Danach verachtfacht (!) sich die Leistungsabgabe mit der Verdoppelung der Windgeschwindigkeit („Kubisches Gesetz“), bis erst zwischen 40 und 45 Km/h (etwa 12 bis 13 m/s oder 6 Beaufort) die Nennleistung erreicht wird, welche trotz weiter steigender Windgeschwindigkeit nur noch gleich bleibt. Bei Sturm (25 m/s sind 90 Km/h, das entspricht 10 Beaufort) schalten sich Windräder ab; dieser besonders starke Wind, der gar nicht so selten ist, kann also gar nicht genutzt werden. Bildquelle Stefan Kopp.
Abb. 3: An beiden Stationen schwankte die Windstärke (Jahresmittel) erheblich. An der Nordsee scheint um 1915 besonders viel und in den 1930er bis 1950er Jahren eher wenig Wind geweht zu haben, in Potsdam waren die 1930er bis 1940er sowie die 1970er Jahre windig (das endbetonte Gleitmittel „hinkt“ nach). Erst seit den 1990er Jahren verhalten sich beide Reihen ähnlich.
Der langfristige Trend zeigt bei beiden Stationen eine Abnahme der Windgeschwindigkeit:
Abb. 4: Seit 1893 nahm die Windgeschwindigkeit leicht ab; in Potsdam etwas stärker als in Bremen.
Die Entwicklung der Windgeschwindigkeit in den letzten 20 Jahren (1997 bis 2016)
Abb. 5: Im Mittel der 25 Stationen aus Norddeutschland sank die Windgeschwindigkeit um 0,15 Beaufort. In dem Datensatz ist auch der Brocken, Norddeutschlands einziger hoher Berg, enthalten, an dem der Wind gleichfalls schwächer wurde, was nahelegt, dass geänderte Luftdruckverhältnisse zumindest mitverantwortlich für die Windabnahme waren (die zumeist windschwachen XX- Lagen, solche ohne eindeutige Anströmrichtung, sind tendenziell häufiger geworden, und ihre Häufigkeit korreliert recht gut mit der Windgeschwindigkeit).
Das jahres- und tageszeitliche Windverhalten, Dunkelflauten und Mittags- Schwemmen
Von den so genannten Erneuerbaren Energien (die gibt es physikalisch nicht) vermögen bloß Wind- und Solarenergie nennenswerte Strommengen zu liefern. Auf den ersten Blick scheinen sie sich ganz gut zu ergänzen- im sonnenscheinarmen Winter ist es windiger als im sonnigeren Sommer, und sonnenscheinreiche Hochdruckwetterlagen sind bei flüchtiger Betrachtung meist windärmer. Doch leider gibt es auch im Winter zwei Probleme, welche schon die Abbildung 1 andeutet- kein Windstrom bei Flaute und keiner bei schwerem Sturm. Bei höchstens 8 Sonnenstunden (oftmals nur Null bis 2) fehlt er im Winter umso dringender. Ein Beispiel für eine Dunkelflaute war der 24. Januar 2017:
Abb. 6: Alle „Erneuerbaren“ (Biomasse, grün, ganz unten, Wasserkraft hell blaugrau, Wind dunkelblau off- und blau onshore) lieferten am 24.01.2017 in Deutschland nur etwa 12% der benötigten Elektroenergie; 28.000 Windräder nur lächerliche 1,5 bis 2,5% der benötigten Strommenge (Bildquelle: Agora Energiewende, ergänzt durch Stefan Kämpfe)
Guten Naturbeobachtern wird sicher das häufige Auffrischen des Windes gegen Mittag aufgefallen sein. Denn die Windstärke zeigt leider auch einen Tagesgang, der im Sommerhalbjahr viel ausgeprägter als in der kalten Jahreszeit ist:
Abb. 7: Tagesgang der Windstärke in Jena (Abweichungen vom Mittelwert) im von Hochdruckwetter dominierten August 2003. Man erkennt ein Minimum am frühen Morgen- wenn im einsetzenden Berufsverkehr besonders viel Strom verbraucht wird. Bildquelle (7)
Abb. 7: Tagesgang der Windstärke in Jena (Abweichungen vom Mittelwert) im von Hochdruckwetter dominierten August 2003. Man erkennt ein Minimum am frühen Morgen- wenn im einsetzenden Berufsverkehr besonders viel Strom verbraucht wird. Bildquelle (7)
Ursache hierfür ist die mit der Einstrahlung einsetzende Konvektion, welche dafür sorgt, dass die in reibungsärmeren, höheren Luftschichten meist herrschende größere Windgeschwindigkeit in tiefere Luftschichten „durchschlägt“. Aber selbst bei schwachgradientigem Hochdruckwetter können lokale Windsysteme wie Land-/Seewind, Berg-/Talwind oder Flurwinde durchaus genügend Wind für den Betrieb der Windräder liefern- leider wird er dann meist nicht gebraucht, denn diese Winde haben ihr Maximum meist am späten Mittag bis späten Nachmittag, wenn die Solarenergie auch reichlich anfällt. Oft müssen deshalb Windräder abgestellt werden- der Verbraucher bezahlt den Ausfall mit seiner Stromrechnung. Aber nachts, wenn der Wind gebraucht würde, weht er deutlich schwächer und liefert nur wenig Strom:
Abb. 8: Sehr viel Sonne und mehr Wind gegen Mittag am 08. und 09.08.2016 („Mittags- Schwemme“). Aber selbst da mussten noch erhebliche Strommengen konventionell erzeugt werden, besonders in den Nächten war deren Anteil sehr hoch. (Bildquelle: Agora Energiewende)
Und selbst im Sommer kann es „Dunkelflauten“ geben – jüngstes Beispiel war die Regenwetterphase vom 10./11.08.2017:
Abb. 9: Wenig Sommersonne und wenig Wind – fast eine sommerliche „Dunkelflaute“ am 10./11.08. 2017. Wieder musste fast aller Strom konventionell erzeugt werden. Trotz aller vollmundigen Versprechen steckt die „Energiewende“ in einer tiefen Krise. (Bildquelle: Agora Energiewende)
Lokale Windsysteme sind auch deshalb problematisch, weil deren Nachtwind fast immer zu schwach für den Betrieb der Windräder ist. Außerdem gibt es zwei Phasen mit Flaute, nämlich jeweils vor dem Wechsel zum Tag- und zum Nachtwind. Am Beispiel des Seewindes sei das Prinzip der Lokalwinde kurz erläutert:
Abb. 10: Land-/Seewindsystem (Quelle: Google). Im Sommer ist es besonders ausgeprägt.
Abb. 11: In der Grafik ist nicht die Windstärke, sondern der Gang der Lufttemperatur an der Ostseeküste an einem sonnigen, von Hochdruckwetter beeinflussten Tag gezeigt. Nur während der Seewind- Phase, die in diesem Beispiel von etwa 10 bis 16 Uhr Normalzeit dauerte, steht ausreichend Wind zur Stromerzeugung zur Verfügung. Der Seewind gibt sich durch seine Kühlungswirkung zu erkennen; er verursachte am Vormittag einen Temperatursturz von etwa 6 Grad. Bildquelle (8)
Abb. 12: Besonders im Winterhalbjahr, im Sommerhalbjahr eher nachts, stellen sich bei ruhigeren, störungsarmen Wetterlagen bodennahe Inversionen ein, bei denen auch das Windmaximum sehr niedrig liegt. Hohe Windräder können dieses Windmaximum erreichen und durch Turbulenzen die Schichtungsverhältnisse am Boden stören; der Wind nimmt dann in Bodennähe leicht zu (9).
