Wind- oder Sonnenkraft – was bringt mehr nutzbare Energie?

Eine Frage, die so noch kaum je diskutiert wurde

Erneuerbare Energie stammt – mit Ausnahme der Geothermie – aus einer einzigen Quelle: Die Sonne liefert uns Unmengen an Energie in Form von Lichtwellen und Wärmestrahlung. Sie treffen auf die Erde und werden seit dem Beginn des Lebens durch Pflanzen, Tiere und Menschen in andere Energieformen umgewandelt. In ihrem Ursprung ist es eine reine Kernenergie. Energie aus der Kernfusion von Wasserstoff in Helium.

Die Photosynthese ist wohl das bekannteste Beispiel einer natürlichen Umwandlung von Sonnenenergie. Sie ist auch die erste Form von Energieumwandlung, die nicht auf Kernspaltung oder Kernfusion gründet. Sie hat auf der Erde ihren Anfang durch die Entstehung des Lebens genommen. Das Leben selbst ist eine komplizierte Form von Energieumwandlung. Ohne Energie gibt es deshalb auch kein Leben. Dabei muss man beachten, dass diese Urform von Energieumwandlung einen relativ schlechten Wirkungsgrad aufweist. Lediglich 3-5% der auf der Erde auftreffenden Sonnenenergie wird dabei in pflanzliche Materie und Zucker umgewandelt. Trotz dieses schlechten Wirkungsgrades entstanden alle fossilen und pflanzlichen Energieträger ursprünglich aus der Energie der Sonne.

Die Menschen haben mit der Zeit gelernt, diese Energie gezielt einzusetzen. Das Feuer hat die ersten Menschen schon bald gewärmt, ihre Spiesse gehärtet und ihre Nahrung zubereitet. Heute wird vor allem die sogenannte “Neue Erneuerbare Energie” aus verschiedenen Zwischenformen der Sonnenenergie gewonnen: Wind, Wellen, Wasserkraft, Abfall, Pflanzenmaterial oder Holz. Die Umwandlung erfolgt mittels technischer Hilfsmittel. Wir werden hier die drei Hauptumwandler Windkraftnutzung, Photovoltaik und Sonnenthermik miteinander vergleichen.

Sonnenwärme im klaren Vorteil

Um es vorwegzunehmen: Die Sonnenwärmenutzung ist mit Abstand die erfolgreichste, ausgereifteste und sinnvollste Nutzung von “Neuer Erneuerbarer Energie”. Weit abgeschlagen, noch weit entfernt von der Photovoltaik, finden wir die Windenergie. Die weltweit nutzbare Windenergie beträgt gerade mal 0.53 Watt pro Quadratmeter nichtglaziale Erdoberfläche. Sonnenwärme kann mit einem Anteil von 116 Watt pro Quadratmeter die 219-fache Leistung erbringen. Beide Technologien werden dabei wirkungsgradbereinigt und als effektiv nutzbare Energie im praktischen Einsatz verglichen. Selbst die Photovoltaik schneidet wesentlich besser ab, als die Windenergie: Mit 33 Watt pro durchschnittlichem Quadratmeter Landfläche ist sie immer noch rund 62 mal wirkungsvoller als die Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie. Wie kann das sein?

Die zugrundeliegenden Zahlen

Quellen: Siehe unter “Referenzen”

  • Durchschnittliche Solarkonstante 1’400 W pro Quadratmeter (bei senkrechter Einstrahlung)
  • Durchschnittliche globale Sonnenenergieeinstrahlung pro Quadratmeter: 165 W
  • Globales, nutzbares Windaufkommen Binnen in TW (Terawatt): 68 TW
  • Oberfläche Erde: 510 Mio Km2
  • Landfläche Erde: 148 Mio Km2 (vor Abzug Vereisungsfläche)
  • Abzug Vereisungsfläche gemäss IMS – Vereisungskarte: 20 Mio Km2
  • Wirkungsgrade: Wind 50%, Sonnenthermik 70%, Photovoltaik 20%

Als Vergleichsgrösse für die einzelnen Umwandlungstechniken bewährt sich interessanterweise eine Flächengrösse. Quadratmeter sind eine Einheit, in der Begriffe wie die Solarkonstante und durchschnittliche Leistung in Watt pro Quadratmeter in diesem Zusammenhang oft angewendet werden. Der Eintrag von Sonnenenergie ist ja auch bezogen auf die der Sonne zugewandte Seite der Erde, was im Endeffekt einer simplen Fläche entspricht: Die Fläche einer Halbkugel. Bei der Landfläche werden nur die “unvereisten Zonen” berücksichtigt, da sich die Dokumente für Windkraft auch nur auf diese Zonen beschränken. Die Bedeutung des globalen Windaufkommens muss bei dieser Anlage unberücksichtigt bleiben, weil die Zahlen nur für das Binnenwindaufkommen vorhanden sind. Eine Verschiebung des Verhältnisses hat das kaum zur Folge, da alle beschriebenen Technologien auch auf die komplette Erdoberfläche angewendet werden können.

Die Rechnung

  • Windenergie: 68’000’000’000’000 W / 128’000’000’000’000 m2 = 0.53 Wm2
  • Sonnenwärme: 165 W * 0.7 = 116 Wm2
  • Photovoltaik: 165 W * 0.2 = 33 Wm2

Diskussion

Sind diese Wirkungsgrade und die Leistung vergleichbar? Alle erwähnten Technologien verfügen über den oben erwähnten maximalen Wirkungsgrad, der nur bei optimalen Verhältnissen erreicht wird.

Bei Wind wird der Wirkungsgrad bei einer konstanten Windgeschwindigkeit von ca. 8.5 m/s erreicht (30 Kmh). Bei Windkraft ist wichtig, zu wissen, dass die Leistung in der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zunimmt. Auf der anderen Seite müssen Windkraftwerke bei spätestens 35 m/s (126 Kmh) aus technischen Gründen abgeschaltet werden. In der Regel findet die Abschaltung schon viel früher statt (24-28 m/s). Der Wirkungsgrad fällt markant zusammen, wenn Winde über 14 m/s erreicht werden. Die Nennleistung bleibt zwischen der Nennwindgeschwindigkeit und der Abschaltwindgeschwindigkeit konstant hoch. Es werden kaum mehr als 2’000 Volllaststunden jährlich erreicht. An Binnenstandorten (Distanz zur Küste ist entscheidend) fällt auch dieser Wert schnell unter eine akzeptable Grösse. Windkraft ist die unzuverlässigste erneuerbare Energiequelle. Der Intervall zwischen Flaute und Windaufkommen kann im Extremfall Wochen betragen. Die Speicherung des damit gewonnenen Stroms ist bisher kaum gelöst. Die Speicherung mittels Wasser in Speicherseen ist nur in Ausnahmefällen eine in der Praxis funktionierende Lösung, weil der Strommarkt den teueren Windstrom aus der Schweiz kaum dafür verwenden will, während er deutschen Windstrom praktisch gratis bekommt. Die deutschen Windräder verfügen heute noch über praktisch keine Möglichkeit der Speicherung in Pumpspeicherkraftwerken. Es muss daher davon ausgegangen werden, dass ein grosser Teil des erzeugten Stroms nie an der Steckdose eines Kunden ankommt. Was nicht sofort verbraucht wird, ist verloren. Die fehlende Steuermöglichkeit der Leistung fällt bei dieser Technologie extrem ins Gewicht. Das hat unerwünschte Nebeneffekte wie systemische Treibhausgasemissionen und die Notwendigkeit von mitlaufenden Ersatzkapazitäten für die Stabilisierung des Stromnetzes zur Folge.

Die Umsetzung von Sonnenwärme leidet unter Bewölkung und Nebel. Der Vorteil ist aber, dass die Sonne mit Sicherheit jeden Tag scheint. Das erhöht das theoretische Potenzial und wirkt sich auch in der Praxis stabiler aus, als das zum Beispiel bei Wind der Fall ist. Da die Energie nicht umgeformt werden muss, ist der Wirkungsgrad entsprechend hoch. Sonnenwärme kann in der Praxis auch eine indirekte positive Wirkung für den Stromverbrauch haben. Dann nämlich, wenn sie den Boiler ersetzt , der den wertvollen elektrischen Strom in warmes Wasser umwandelt. Mit Sonnenenergie vorgewärmtes Wasser muss mit weniger elektrischer Energie zum Kochen gebracht werden. Die Warmwassernutzung im Haushalt und Betrieb kann mit Sonnenwärme weitgehend gelöst werden. In den gemässigten Gebieten ist die Warmwasseraufbereitung während 9 Monaten des Jahres zuverlässig sichergestellt. Während den Übergangszeiten von Winter/Frühling und Herbst/Winter kann damit auch ein guter Teil der Heizenergie gewonnen werden. Die problematischen Monate sind Dezember und Januar. In dieser Zeit ist der Wärmeeintrag marginal und muss durch eine alternative Energiequelle überbrückt werden (Holz ist ideal). Eine Ausrichtung der Kollektoren nach Süd oder Südwest ist wichtig. Werden die Kollektoren nachgeführt, kann der Energieeintrag vor allem in den Übergangszeiten zwischen den Winter/Frühling und Herbst/Winter stark verbessert werden.

Photovoltaik hat das grösste Potenzial für eine Erhöhung des Wirkungsgrades. Man darf sie aber nicht unterschätzen. Schon heute kann der jährlich benötigte Bedarf an Strom eines statistischen Haushalts  auf dem eigenen Hausdach produziert werden (Jahresmenge, Arbeit, KWh). Das Problem ist die fehlende Leistung auf Zeit (KW). Sie kann nur in Ausnahmefällen direkt erreicht werden, um die typischen Küchengeräte direkt betreiben zu können. Wenn in naher Zukunft ein funktionierender Kleinspeicher vorhanden ist, kann Photovoltaik den notwendigen Beitrag an die private Stromversorgung leisten. Es sind dann Insellösungen denkbar, die ohne Komforteinbusse während des ganzen Jahres zuverlässig funktionieren. Gute Ansätze für Speicherlösungen sind in Entwicklung und lassen hoffen. Eine in der Praxis bereits funktionierende Speicherung ist die Redox-Vanadium-Batterie. Sie ist gross, teuer und die Selbstentladung ist nicht optimal gelöst. Damit ist sie für Privathaushalte momentan keine echte Alternative.

Die Vergleichbarkeit der Wirkungsgrade und der Leistung pro Quadratmeter ist in diesem Vergleich gegeben. Alle Formen der Energieumwandlung haben spezifische Vor- und Nachteile in der Umsetzung. In der Regel heben sie sich aber weitgehend auf.

Kosten und Arbeitsplätze

Kosten entstehen in verschiedener Hinsicht. Die Ecoinvent hat sich mit den verschiedenen Kosten der Umwandlungsformen auseinandergesetzt. Jeder Technologie muss neben den direkten Gestehungskosten auch indirekte Kosten angerechnet werden. Oft vergessen werden die indirekten Kosten für die Umwelt, die Landschaft und natürlich der Natur.

Windräder haben dabei das grösste vernachlässigte Kostenpotenzial. Sie sind sehr in Mode und werden auch an den denkbar ungeeignetsten Standorten geplant und leider auch gebaut. Die Nachteile blendet man in der öffentlichen Diskussion gerne aus oder sie werden bewusst ignoriert. Zu schön ist es, von einer atomkraftfreien Gesellschaft träumen zu können. Die Windräder werden als passendes Argument missbraucht, weil das auch politisch und gesellschaftlich höchst anerkannt ist. Vergleichen wir die effektive Leistung von Windkraft mit der effektiven Leistung von Sonnenwärme, fällt die Windkraft zu einer kleinen Marginalie der erneuerbaren Energieproduktion in sich zusammen wie ein Soufflé. Das Verhältnis zwischen Aufwand (Verbauung der Landstriche und Hügel mit tausenden von Windrädern) und Ertrag (0.53 Watt pro Quadratmeter Erdoberfläche) spricht Bände. Windkraftnutzung hat kein Entwicklungspotenzial. Der Abbau der für die Windkraftwerke erforderlichen Metalle der “Seltenen Erden” verursacht in China viel Leid. Das dabei anfallende radioaktive Thorium belastet im Anbaugebiet das Grundwasser. Hier halten sich die Atomkraftgegner gerne mit Kritik zurück. Man hackt lieber auf alten verblichenen Zahlen und Werten der russischen Aufbereitungsanlage Majak herum – ohne den Beweis dafür anzutreten, dass es da wirklich zu einer aktuellen Neukontamination kommen würde.

Die Wirkungsgrade liegen nah beim theoretischen Maximum von 59%. Die von Rudolf Rechsteiner in seinem Buch “Grün Gewinnt” postulierte Lösung mit hunderttausenden von Windrädern kann nicht funktionieren und verblasst bei näherer Betrachtung als reine Propaganda für den Atomausstieg. Die Euphorie Rudolf Rechsteiners für Windkraft ist nur damit zu erklären, dass er als Geschäftsführer oder Präsident der ADEV selber Windkraftwerke gebaut und verkauft hat. Wie übrigens noch manch andere “Grüne Politiker” der Schweiz, die sich bezeichnenderweise nicht nur aus der Grünen Partei rekrutieren. Opportunismus ist den Politikern aller Couleur eigen.

Die Wirkung auf die Zahl der lokalen Arbeitsplätze wird stark überschätzt. Die Wartungsarbeiten werden meist regional gelöst. Die lokalen Anlagenwarte dürfen die Betonsockel reinigen und die frische Farbe auftragen. Mit der Fernwartung wird auch die Steuerung in den Hauptsitzen der grossen Windradfirmen gelöst. Es gibt kein regionales Arbeitsplatzpotenzial, das erwähnenswert ist. Dies zeigt die internationale Erfahrung zu diesem Thema. An den Versprechungen der Verkäufer und Betreiber hat das noch nichts geändert. Auch die vermeintliche CO2 – freie Produktion ist genauer betrachtet nicht gegeben. Laut ecoinvent verursachen Windkraftwerke währen ihres Lebens 11 Gramm Co2 pro produzierter Kilowattstunde – direkt. Systemisch betrachtet sind es weit mehr.

Die Photovoltaik ist aber auch nicht ohne Tadel. Für die Produktion fallen Unmengen an direkt und indirekt emittierter Treibhausgase an. Die dafür verwendeten Rohstoffe sind teilweise sehr selten und ihre Gewinnung und Verarbeitung alles andere als unproblematisch. Die Photovoltaik hat aber zwei Vorteile: Das Entwicklungspotenzial ist relativ gross. Die Lebensdauer der Sonnenpanels ist praktisch unbeschränkt, mit Sicherheit aber ein Vielfaches der Windkraftwerke. In der Regel sind sie wartungsfrei. Das Arbeitsplatzpotential ist wesentlich grösser als bei Windkraft, da die Panels von lokalen Handwerkern meist in Zusammenhang mit einer Dachsanierung eingebaut werden.

Die Sonnenwärme ist die einzige Energieumwandlung, die eigentlich gar nichts mit Umwandlung, sondern eher mit Energieaustausch zu tun hat. Der Wirkungsgrad ist unerreicht hoch, kann aber auch nicht mehr wesentlich gesteigert werden. Die Sonnenwärme, richtig eingesetzt, ist eindeutig die hoffnungsvollste Variante der Neuen Erneuerbaren Energie in den gemässigten Zonen der Erde, also auch bei uns. Ausgerechnet sie wird durch die Kostendeckenden Einspeiseverfügung (KEV) nicht subventioniert, weil in der Regel kein Strom umgewandelt wird. Sie hat es auch gar nicht nötig. Sonnenwärme hat das Potenzial, einen entscheidenden Beitrag an unsere Energieversorgung zu leisten. Viel mehr als die hochgelobten Windkraftwerke. Mit praktisch null Nachteilen bei Produktion und Emission. Mit einer traumhaften Lebenserwartung und damit dem wohl bestmöglichen “Return on Investment”. Das lokale Arbeitsplatzpotenzial ist mit Abstand das grösste aller beschriebener Technologien. Sogar die Kollektoren werden oft in der Schweiz gefertigt.

Die Vorteile von Sonnenthermik und Photovoltaik – gerade in ihrer Kombination – ist überwältigend. Es ist nicht nachvollziehbar, dass man aus energetischen Gründen die Windkraft überhaupt noch einsetzt. Der Grund ihres Einsatzes liegt bei einer fehlgeleiteten politischen und finanziellen Förderung mit quersubventioniertem Geld. Das zieht nicht die Energie aber umso mehr die profitorientierten Kleinkrämer, Windradverkäufer und Investoren an. Für die Frage der Energiewende haben Windkraftwerke definitiv keinen entscheidenden Anteil. Wir sollten das schleunigst akzeptieren und uns den Technologien zuwenden, die dem Ziel einer ehrlichen, ökologischen Energieproduktion schon heute sehr nahe stehen.

Vorteile/Nachteile aus lokaler Sicht (Schweiz)

Windkraft: Die Schweiz ist das windärmste Land Europas. Obwohl das europäische Windaufkommen vor allem entlang den Küsten gute Werte erreicht, kann das für die Schweiz nicht im Ansatz gelten. Die Windprofis Europas empfehlen unisono  6.5 Meter pro Sekunde auf Nabenhöhe als das minimalst notwendige Windaufkommen für den sinnvollen Einsatz von Windkrafträdern. Das wird in der Schweiz praktisch nirgendwo erreicht. Die Schäden die der Natur, der Landschaft und den nahen Anwohnern drohen, stehen in keinem Verhältnis zur schwachen Wirkung. Selbst 1’000 Windräder können im besten Fall gerade mal den kleinsten Teil der Spitzenlast des schweizer Stromnetzes liefern. Im schlechtesten Fall sind es kaum bemerkenswerte 0.3%. Der Windkraft kann in der Schweiz keinerlei Vorteil zugestanden werden. Für die Energieproduktion machen sie aus keiner Betrachtungsrichtung einen Sinn.

Photovoltaik: Die Sonneneinstrahlung ist hier wesentlich besser als in Deutschland. Gerade auf höher gelegenen Hausdächern kann ein ansehnlicher Teil der privaten Stromverbrauchs produziert werden. Sinn macht das allerdings erst bei Anwendung eines kleinen Speichers und wenn das Konzept als Insellösung geplant wird. Die Wirkung der Einspeisung in das Stromnetz kann nur schwer abgeschätzt werden. Die notwendige Leistung zum Kochen und Heizen kann in der Regel nur aus einem Speichersystem zur Verfügung gestellt werden. Das Potenzial ist gross, die Schäden an Natur und Umwelt sind nicht annähernd so gross wie bei den Windkraftwerken. Diese Technologie wird auch in der Schweiz eine wichtige Rolle spielen.

Sonnenwärme hat das grösste Potenzial in der Schweiz. Neben dem noch wichtigeren Thema “Energie Sparen“, das wir hier nicht diskutieren, kann diese Technologie den grössten Teil der Warmwasseraufbereitung und einen guten Teil an die Heizleistung übernehmen. Der Wirkungsgrad und der effektive Energieeintrag ist enorm. Der grösste Vorteil ist aber das komplett und zuverlässig gelöste Problem der Speicherung. Wärme kann im Wasser auch mehrere sonnenlose Tage überdauern. Der Wärmeverlust dieser Speicherart ist marginal. In der Regel kann an 9 Monaten im Jahr das gesamte Warmwasser eines Haushalts oder Betriebs erzeugt werden. Die Nutzung von Sonnenwärme schafft auch die meisten lokalen Arbeitsplätze, weil von der Herstellung, der Beratung über die Montage und bis zur Wartung alles von lokalen Betrieben und Handwerkern ausgeführt werden kann und muss. Sonnenwärme kennt keine negativen Folgen für Umwelt und Gesellschaft. Sie ist allen anderen Formen klar vorzuziehen.

Referenzen

 

 

 

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1 Trackback von "Wind- oder Sonnenkraft – was bringt mehr nutzbare Energie?"

  1. am 28. Februar 2012 um 06:20