Der Abschattungseffekt bei Windparks

Die Windenergie ist hierzulande die tragende Säule der Energiewende. Immerhin betrug der Anteil der Windenergie an der Bruttostromerzeugung bereits im Jahr 2017 rund 17 Prozent. Seit dem Jahr 1998 (0,8 Prozent) hat sich dieser Anteil also mehr als verzwanzigfacht. Zu verdanken haben wir diese positive Entwicklung der massiven Investition in On- und Off-Shore-Windkraftanlagen.

Der Abschattungseffekt bei Windparks
Bild: istockphoto.com/RobertBreitpaul
Um das Ziel von mindestens 80 Prozent erneuerbarer Energien am Gesamtstrommix zu erreichen, reicht das allerdings noch nicht aus. Einfach nach dem Motto „viel hilft viel“ zu verfahren und einen Windpark neben den anderen zu setzen, wird aber nicht funktionieren. Dafür verantwortlich ist der Abschattungseffekt.

Theorie und Praxis klaffen weit auseinander

In der Theorie kann ein Windpark pro Quadratmeter rund sieben Watt Energie gewinnen. Diese Zahl ergibt sich aus der Windgeschwindigkeit und der Leistungsfähigkeit einer einzelnen alleinstehenden Windkraftanlage. In der Praxis lässt sich die Energieausbeute aber nicht einfach durch den Bau immer größerer Windparks multiplizieren. Tatsächlich sinkt die Energieausbeute eines Windparks sogar mit seiner Größe, jedenfalls gemessen am Ertrag der einzelnen Windturbine.
In Rahmen einer Untersuchung kamen Forscher des Max-Planck-Instituts für Biogeochemie in Jena zu dem Schluss, dass Windparks gar nur 26 Prozent der vorhandenen Windenergie in elektrische Energie umwandeln können. Das ist natürlich ein großes Problem für die Energiewende und eine Herausforderung für die Ingenieure, die für den Bau von Windkraftanlagen und die Planung von Windparks verantwortlich sind.

Was versteht man unter dem Abschattungseffekt?

Im Grunde genommen besagt der Abschattungseffekt nichts anderes, als dass sich Windkraftanlagen und sogar ganze Windparks gegenseitig den Wind streitig machen, sodass die Windenergie nicht optimal genutzt werden kann. Um Windenergie in elektrischen Strom umzuwandeln, ist die Windgeschwindigkeit von zentraler Bedeutung, denn diese setzt die Rotorblätter der Windkraftanlagen in Bewegung.
Stehen nun viele Anlagen auf engem Raum nebeneinander, wird die Windgeschwindigkeit von den äußeren Anlagen immer weiter reduziert. Im Zentrum des Windparks ist die Windgeschwindigkeit also geringer, da der Wind bereits abgebremst wurde und die Rotorblätter nicht mehr frei anströmen kann. Die einzelnen Windturbinen nehmen sich also gegenseitig den Wind weg. Das wiederum senkt den Gesamtertrag eines Windparks, weshalb der Abschattungseffekt auch als Parkeffekt bekannt ist.

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Diese Problematik ist den Verantwortlichen natürlich bekannt und sorgt dafür, dass Windparks sehr penibel geplant werden. Das betrifft nicht nur den Standort, sondern auch den Abstand zu anderen Windparks sowie den Abstand der einzelnen Windkraftanlagen untereinander. Hinzu kommt die Ausrichtung der Parks, denn nur wenn diese optimal zur Hauptwindrichtung ausgerichtet sind, lässt sich der Energieertrag maximieren.
Zu kämpfen haben Windparkplaner aber nicht nur mit der Abschattung durch errichtete Windräder, sondern auch durch natürliche und bauliche Abschattung. Dieser „natürliche“ Abschattungseffekt kommt dadurch zustande, dass etwa Berge, Wälder und Städte Windströmungen umleiten. Und der Effekt ist größer als angenommen. Es kann also durchaus sein, dass eine bewaldete Hügelkuppe die Windströmungsrichtung und die Windgeschwindigkeit bis in 200 Meter Höhe beeinflusst.
Und das ist genau die Region, in der viele Windkraftanlagen aktiv sind. Auch das Gelände muss also bei der Planung sehr genau miteinbezogen werden, damit Windparks möglichst effizient arbeiten. So ist es den Ingenieuren möglich, zu errechnen, wie viele zusätzliche Windräder in einem Windpark einen zusätzlichen Ertrag bringen und ab wann jede weitere gebaute Anlage mehr kostet als sie unter dem Strich einbringt.

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