Der Preisverfall bei der Solarenergie ist in aller Munde, aber auch in der Windkrafttechnik tut sich einiges. Und ich meine groß.

Die Rechnung bei Windturbinen ist ziemlich einfach: Größer ist besser. Konkret gibt es zwei Möglichkeiten, mehr Energie aus dem Wind in einem bestimmten Gebiet zu erzeugen.

Die erste besteht in größeren Rotoren und Flügeln, um ein größeres Gebiet abzudecken. Dadurch erhöht sich die Kapazität der Turbine, d.h. ihre potenzielle Gesamtproduktion.

Die zweite Möglichkeit besteht darin, die Flügel höher in die Atmosphäre zu bringen, wo der Wind gleichmäßiger weht. Dadurch erhöht sich der „Kapazitätsfaktor“ der Turbine, d.h. die Menge an Strom, die sie im Verhältnis zu ihrem Gesamtpotenzial tatsächlich produziert (oder umgangssprachlich: wie oft sie läuft).

Die Geschichte der Entwicklung der Windenergie ist die Geschichte der Konstruktion immer höherer Turbinen mit immer größeren Flügeln. Das ist eine knifflige und heikle Angelegenheit. Große, dünne Dinger neigen bei stärkerem Wind dazu, sich zu biegen und zu verformen. Wenn sich lange Turbinenschaufeln biegen, können sie in den Turm oder die Nabe krachen, wie bei dieser dänischen Anlage im Jahr 2008, als ihre „Bremse“ versagte und sie außer Kontrolle geriet:

Die dritte technische Herausforderung besteht also darin, Konstruktionen und Materialien zu finden, die den Belastungen standhalten, die mit der Höhe und den stärkeren Winden einhergehen. Diese Belastungen sind ziemlich heftig – sehen Sie sich dieses Video an, in dem Ingenieure eine riesige Turbinenschaufel testen, indem sie sie mit dem Gewicht von etwa 16 afrikanischen Elefanten hin- und herziehen.“

Wie dem auch sei, es geht darum, die Turbinen immer größer zu machen. Wenn es um landgestützte (Onshore-)Turbinen geht, stößt dieser Prozess an verschiedene nichttechnische Grenzen – Verkehrsbehinderungen und Engpässe in der Infrastruktur, Bedenken hinsichtlich der Flächennutzung, der Aussicht, großer Vögel, des Schattens usw.

Aber vor allem in Europa verlagert sich die Windenergie zunehmend aufs Meer. Und auf dem Meer, wo kaum Land in Sicht ist, ist die einzige Begrenzung der Größe die Technik. Folglich wachsen Offshore-Turbinen heute noch schneller als Onshore-Turbinen in den letzten zehn Jahren.

Ein anschauliches Beispiel für diesen Trend tauchte im März 2018 auf (als ich diesen Artikel zum ersten Mal veröffentlichte). GE Renewable Energy kündigte an, 400 Millionen US-Dollar in die Entwicklung einer neuen Monsterturbine zu investieren: die Haliade-X, die (zumindest bis zur nächsten großen Ankündigung) die größte, höchste und leistungsstärkste Turbine der Welt sein wird.

Das ist eine beeindruckende technische Leistung, aber die Bedeutung der wachsenden Turbinengröße geht weit darüber hinaus. Größere Turbinen ernten mehr Energie, und zwar gleichmäßiger; je größer sie werden, desto weniger schwankend und zuverlässiger werden sie und desto leichter lassen sie sich in das Netz integrieren. Auf den Energiegroßhandelsmärkten konkurriert die Windenergie bereits mit anderen Energiequellen. Nach ein paar weiteren Generationen des Wachstums wird es nicht einmal mehr ein Wettbewerb sein.

Was Windturbinen erreichen

Um die Größe dieser neuen GE-Turbine in den Griff zu bekommen, sollten wir mit einigen Vergleichen beginnen.

Ich habe Ben Hoen, einen Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory, angerufen, um die neuesten Zahlen über die Größe von Windturbinen zu erhalten. (Er betont, dass es sich hierbei um vorläufige Zahlen handelt – das LBNL wird in einigen Monaten einen Bericht dazu herausgeben, aber er erwartet nicht, dass sich diese Zahlen großartig ändern werden, wenn überhaupt.)

Laut Hoen betrug die durchschnittliche Gesamthöhe (von der Basis bis zur Spitze) einer Onshore-Windturbine in den USA im Jahr 2017 142 Meter (466 Fuß). Der Median lag eher bei 152 Metern (499 Fuß). Tatsächlich, so Hoen, nähert sich der Median dem Maximum. Mit anderen Worten: Im Laufe der Zeit scheinen sich die Onshore-Turbinen in den USA in etwa dieser Höhe anzunähern. Und warum? Weil die Bundesluftfahrtbehörde für den Bau von Anlagen, die höher als 499 Fuß sind, einige zusätzliche Schritte im Genehmigungsverfahren vorschreibt, und das ist den meisten Entwicklern offenbar den Aufwand nicht wert.

Die allerhöchsten Onshore-Turbinen in den USA stehen im Hancock Wind-Projekt in Hancock County, Maine. Diese Turbinen – Vestas V117-3.3, wenn Sie es wissen müssen – sind etwa 574 Fuß hoch.

Das ist also Onshore. Was ist mit Offshore? Bislang gibt es in den USA nur eine einzige in Betrieb befindliche Offshore-Windkraftanlage, die Block Island Wind Farm vor Rhode Island. Seine Turbinen ragen bis zu 590 Fuß hoch.

Wie schneidet die Haliade-X im Vergleich dazu ab? Nach Angaben von GE wird sie eine Höhe von 853 Fuß erreichen.

Das wäre, soweit ich weiß, die höchste Windturbine der Welt. Soweit ich das durch Googeln herausgefunden habe (wie gesagt, diese Dinge ändern sich schnell), ist der bisherige Rekordhalter eine 809-Fuß-Onshore-Turbine in Deutschland.

Größere Turbinen bedeuten mehr Energie, öfter

Die Höhe ist jedoch nicht alles, was zählt. Die Haliade-X hat noch ein paar andere Superlative zu bieten.

Der Rotordurchmesser ist ein Maß für die volle Ausladung der Turbinenblätter (der Durchmesser des Kreises, den sie definieren). Bei sonst gleichen Bedingungen bedeutet ein größerer Rotordurchmesser, dass die Turbine mehr Wind ernten kann.

Im Jahr 2017, so Hoen, hatten US-Windturbinen einen durchschnittlichen Rotordurchmesser von 367 Fuß. Die Haliade-X wird einen Rotordurchmesser von 722 Fuß haben, etwa doppelt so groß wie der Durchschnitt. Die Rotorblätter werden gigantisch sein, jedes ist 351 Fuß lang, länger als ein Fußballfeld und länger als jedes andere Offshore-Blatt, das es bisher gab.

Der gewaltige Rotordurchmesser, der stetige Offshore-Wind und die 12-MW-Turbine (an Land durchschnittlich etwa 3 MW, an Land etwa 6 MW) bedeuten, dass die Haliade-X einen ungewöhnlich hohen Kapazitätsfaktor haben wird.

Dieses Zitat aus dem 2016 Wind Technologies Market Report des Department of Energy zeigt, wie sich die Kapazitätsfaktoren von Windkraftanlagen im Laufe der Zeit entwickelt haben: „Der durchschnittliche Kapazitätsfaktor 2016 bei Projekten, die 2014 und 2015 gebaut wurden, lag bei 42,5 %, verglichen mit durchschnittlich 32,1 % bei Projekten, die zwischen 2004 und 2011 gebaut wurden, und nur 25,4 % bei Projekten, die zwischen 1998 und 2001 gebaut wurden.“

Im Vergleich dazu hatte die US-Kernkraftflotte 2016 einen durchschnittlichen Kapazitätsfaktor von rund 92 Prozent. (Unter den derzeitigen Marktbedingungen ist die Kernenergie nur dann wirtschaftlich, wenn sie kontinuierlich als Grundlast betrieben wird.) Bei Kohle und Erdgas waren es 55 bzw. 56 Prozent. (Erdgas ist so niedrig, weil es häufig hoch- und runtergefahren wird, um Nachfrageschwankungen zu folgen. Kohle lag früher bei fast 80 Prozent, aber es wird immer unwirtschaftlicher, Kohlekraftwerke überhaupt zu betreiben.)

Die moderne US-Windkraft liegt also bei 42,5 Prozent und Erdgas bei 56 Prozent. Die Haliade-X wird nach Angaben von GE einen Kapazitätsfaktor von 63 Prozent haben. Das ist verrückt, obwohl es nicht der höchste in der Welt wäre – die schwimmenden Offshore-Turbinen des Hywind-Projekts in Schottland erreichten vor kurzem 65 Prozent.

Addiert man all das zusammen, wird jede Haliade-X an einem „typischen deutschen Nordseestandort“, so GE, jährlich etwa 67 GWh produzieren, „genug sauberen Strom für bis zu 16.000 Haushalte pro Turbine und bis zu 1 Million europäische Haushalte in einer 750-MW-Windparkkonfiguration.“ (Es genügt zu sagen, dass die Zahl für die energiehungrigen amerikanischen Haushalte kleiner wäre.) Das sind „45 Prozent mehr Energie als jede andere heute verfügbare Offshore-Windturbine“, so das Unternehmen.

Die erste Haliade-X wird derzeit in Rotterdam, Niederlande, gebaut. GE sagte im April, dass sie noch in diesem Jahr mit der Stromerzeugung beginnen wird.

Größere Turbinen, die häufiger laufen, werden alle Konkurrenten vernichten

Was bedeuten diese steigenden Kapazitätsfaktoren für die Windenergie?

Ich komme oft auf diesen Beitrag des Energieanalysten Ramez Naam aus dem Jahr 2015 über das ultimative Potenzial der Windenergie zurück. „Wind mit einem Kapazitätsfaktor von 60 %“, schrieb er, „wäre selbst bei demselben Preis pro Kilowattstunde wie heute enorm wertvoller als heute, und es gäbe weniger Grenzen, wie viel wir davon nutzen könnten.“

Warum ist das so? Dafür gibt es mehrere Gründe.

• Je unbeständiger eine Quelle ist, desto mehr Unterstützung wird benötigt, um sie zu sichern und verlässlich zu machen. (Heutzutage wird diese Unterstützung meist durch Gaskraftwerke geleistet, aber auch Batterien sind auf dem Vormarsch.) Höhere Kapazitätsfaktoren machen die Windenergie weniger variabel und zuverlässiger und senken so die Kosten für die Unterstützung.
• Variable erneuerbare Energien (Sonne und Wind) neigen dazu, „ihr eigenes Mittagessen zu essen“. Da sie alle zur gleichen Zeit Energie produzieren (wenn die Sonne scheint oder der Wind weht), hat der nächste Kapazitätszuwachs den Effekt, dass der Clearingpreis für alle anderen Zuwächse sinkt. Je mehr Energie auf einmal zur Verfügung steht, desto niedriger ist der Preis. Indem sie ihre Energie über einen längeren Zeitraum verteilt – etwa doppelt so viel wie die 32 Prozent der Turbinen des Jahrgangs 2011 – schwächt eine Turbine mit 60 Prozent Kapazitätsfaktor diesen preisdämpfenden Effekt ab.
• Indem sie ihre Betriebsstunden verlängert, ist es wahrscheinlicher, dass eine Turbine mit hohem Kapazitätsfaktor während der Nachfragespitzen produziert, wenn der Strom am wertvollsten ist.

Ein Kapazitätsfaktor von 60+ Prozent ist zwar nicht ganz „grundlastfähig“, aber er sieht auf jeden Fall viel weniger variabel aus. Turbinen wie die Haliade-X wären also selbst dann wertvoller, wenn der Preis für Windstrom gleich bliebe.

Aber natürlich wird er nicht gleich bleiben; er ist seit 2009 um 65 % gefallen. Ein kürzlich veröffentlichter NREL-Bericht geht davon aus, dass Innovationen in der Windkrafttechnologie (zu denen auch größere Turbinen gehören) den Preis bis 2030 um weitere 50 Prozent senken könnten. (Forscher an der Universität von Virginia arbeiten an einem Entwurf für eine Offshore-Turbine, die mit einer Höhe von 1.640 Fuß das Empire State Building überragt.)

Sagen wir, dass neue US-Windturbinen bis 2025 eine durchschnittliche Nabenhöhe von 460 Fuß erreichen werden, was in etwa den aktuellen Prognosen entspricht. Nach Angaben des NREL könnten solche Turbinen Kapazitätsfaktoren von über 60 Prozent auf mehr als 750.000 Quadratmeilen US-Territorium und von über 50 Prozent auf 1,16 Millionen Quadratmeilen erreichen.

So viel Wind, bei diesem Kapazitätsfaktor, mit vorhersehbaren Fortschritten in der Windtechnologie, wird Strom billig genug produzieren, um alle Konkurrenten absolut zu vernichten. Und 2025 ist gar nicht mehr so weit entfernt.