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Eine Kleinwindkraftanlage befindet sich meist in zehn bis 20 Metern Höhe. Quelle: picture alliance / imageBROKER

Könnten Kleinwindkraftanlagen zur Energiewende beitragen?

Berlin. Der Anteil steigt: 2020 trug Windenergie in Deutschland 27 Prozent zum Strommix bei – und lag damit erstmals vor Stein- und Braunkohle mit 24,1 Prozent. Solarenergie in Form von Photovoltaik kam im selben Jahr auf 10,4 Prozent, also weniger als die Hälfte des Anteils der Windenergie. Im privaten und gewerblichen Bereich der erneuerbaren Energien ist es hingegen umgekehrt: Hier dominiert die Photovoltaik mit großem Abstand. Es gibt zwar einen Markt für Kleinwindkraftanlagen, doch der ist bisher ertragsschwach und unübersichtlich. Kann sich das in den kommenden Jahren ändern?

Kleinwindkraftanlagen (KWA) dürfen in Deutschland eine maximale Höhe von 50 Metern haben, sind aber in der Praxis meist niedriger als 30 Meter. Solche Kleinanlagen dürfen aufs eigene Grundstück gestellt werden. Im Grunde sind sie wesentlich älter – etwa in Form von Windmühlen – als die modernen großen Anlagen. Und in Wildwest-Filmen sind Windräder zu sehen, die meist eine Wasserpumpe antreiben.

Die Growian

Doch zu einem Großfaktor beim Ausbau der erneuerbaren Energien, der wegen des Klimawandels notwendig ist, haben es erst die Großwindanlagen gebracht. Deren Ära begann in Deutschland mit der Growian – kurz für Großwindanlage –, die 1983 bei Marne an der Nordsee den Testbetrieb aufnahm.

Zwar wurde der Testbetrieb wegen Problemen mit Werkstoffen und Konstruktion immer wieder unterbrochen – und 1988 wurde die Anlage schließlich demontiert. Doch sie hatte einen dynamischen Fortschritt bei Forschung und Entwicklung zur Folge: Bei Großwindanlagen hält Deutschland bis heute eine führende Stellung in der Welt.

Die KWA – Ergänzung zur Photovoltaik?

Dies gilt allerdings nicht für Kleinanlagen, die hierzulande ein Schattendasein fristen. Während die privaten Betreiberinnen und Betreiber kleiner Photovoltaikanlagen zeitweilig eine Vergütung von mehr als 55 Cent pro Kilowattstunde Strom erhielten, galt für KWA immer derselbe Tarif wie für große Windräder: Er wird für 2022 mit 8,4 Cent pro Kilowattstunde prognostiziert.

Grundsätzlich bieten KWA manche Vorteile: Wind weht auch nachts, wenn Photovoltaikanlagen keinen Strom liefern. Und der Wind weht stärker im Herbst und Winter, wenn die Solarmodule wegen der kürzeren Tage weniger Elektrizität erzeugen. Deshalb sieht Patrick Jüttemann darin eine gute Ergänzung zur Photovoltaik, wenn man unabhängiger vom öffentlichen Stromnetz werden will. Doch zugleich warnt der KWA-Experte: „Kleinwindkraftanlagen können sich für Gewerbebetriebe in windstarker Lage lohnen, fürs private Eigenheim mitten im windschwachen Wohngebiet dagegen nicht.“

Strom für eine ganze Familie

Geeignet können Standorte sein, die aus Hauptwindrichtung gut vom Wind erreicht werden. Richtung West/Südwest sollten möglichst keine Bäume oder Gebäude stehen. Generell weht der Wind in Küstenregionen am stärksten, aber auch im Mittelgebirge gibt es exponierte Lagen.

So beschreibt Jüttemann in einem Fachbuch ein Beispiel aus Mittelfranken in Bayern: An einem geeigneten Standort fast 500 Meter über dem Meeresspiegel hat die KWA eines Privatmannes seit 2015 jährlich etwa 5000 Kilowattstunden Strom erzeugt. Das entspricht etwa dem mittleren Jahresverbrauch einer vierköpfigen Familie, wenn das Warmwasser elektrisch bereitet wird. Die mittlere jährliche Windgeschwindigkeit beträgt an dem Standort rund 4,5 Meter pro Sekunde.

Nicht jeder hat einen passenden Standort

Damit sich die Kosten für eine KWA amortisieren, sollte der Standort eine mittlere Jahreswindgeschwindigkeit von mindestens vier Metern pro Sekunde haben, so Jüttemann. Vielerorts liegt dieser Wert deutlich niedriger. Selbst wer einen Windpark in der Nähe hat, kann nicht unbedingt davon ausgehen, an einem geeigneten Standort zu wohnen. Denn in 10 oder 20 Metern Höhe, der Nabenhöhe einer KWA, bläst der Wind sehr viel schwächer als in 150 Metern Höhe, wo große Windräder diese Energie nutzen. Zudem können Häuser und Bäume noch in 200 Metern Entfernung für Windschatten sorgen und die Leistung der Anlagen erheblich verringern.

„Letztlich muss beim Planen einer Kleinwindkraftanlage immer der einzelne Standort betrachtet werden“, betont Jüttemann. Immer wieder würden Anbieter von Kleinwindanlagen bei privaten Hausbesitzern unrealistische Erwartungen wecken – etwa durch übertriebene Leistungsangaben. Hinzu komme mangelnde Qualität mancher Anlagen, die kaum einen Sturm überstünden. Sturmsicherheit, geringe Ausfallzeiten, hohe Effizienz und geringe Geräuschentwicklung nennt Jüttemann als entscheidende Qualitätskriterien für eine KWA.

Eine Kosten-Nutzen-Frage

Auch Reinhard Loch von der Verbraucherzentrale Nordrhein-Westfalen rät bei der Anschaffung einer KWA zur Vorsicht: In den meisten Fällen könne nicht damit gerechnet werden, mit den mehrere 1000 Euro teuren Anlagen Energiekosten einzusparen – selbst über viele Jahre hinweg. Sinnvolle Standorte seien die Ausnahme. „Wenn überhaupt, ist die Wirtschaftlichkeit einer Kleinwindkraftanlage meist nur über einen hohen Eigenverbrauch zu erreichen“, erklärt Loch. Die Einspeisevergütung reiche nicht aus, um die Investitionskosten auszugleichen. Wenn man allerdings wegen des Eigenverbrauchs weniger Strom für etwa 35 Cent pro Kilowattstunde aus dem öffentlichen Netz beziehen muss, dann kann sich die Anlage an einem Standort mit guten Windverhältnissen rechnen.

„An einsamen Hütten, auf Jachten oder im Campingbereich gibt es durchaus sinnvolle Anwendungen für kleine, robuste Windräder“, sagt Loch. Für das Dach des eigenen Hauses oder den Garten in einer Siedlung lohne sich die Anschaffung in der Regel nicht. Wer etwas zur Energiewende beitragen wolle, sollte eher auf Photovoltaik setzen, rät der Verbraucherschützer: „Da muss man sich keine Gedanken über Baugenehmigung, Sturmsicherheit, Vibrationen und Geräusche machen.“

Jüttemann empfiehlt, an guten Windstandorten auf eine Kombination aus Windkraft und Solarenergie zu setzen. Für beide Verfahren könne derselbe Energiespeicher genutzt werden – so lasse sich ein hoher Grad an Selbstversorgung erreichen.

Behördliche Auflagen

In Deutschland wollen immer mehr Menschen für den Klimaschutz autark werden, um keinen „Kohlestrom“ beziehen zu müssen. In Deutschland sieht Jüttemann durchaus einen Wachstumsmarkt für KWA. Dazu müssten allerdings bürokratische Hürden abgebaut werden. So seien die behördlichen Auflagen für eine Fünf-Kilowatt-Anlage dieselben wie für eine 3000-Kilowatt-Anlage. Für kleinere Anlage sollte aber ein vereinfachtes Verfahren gelten, fordert Jüttemann.

Er begrüßt, dass Niedersachsen zu Jahresbeginn die Maximalhöhe für eine genehmigungsfreie KWA von 10 auf 15 Meter erhöht hat. Doch in manchen Gemeinden werden KWA nicht genehmigt, wenn sie außerhalb der ausgewiesenen Flächen für große Windparks stehen. Dabei seien Flächennutzungspläne nicht für optisch unauffällige Kleinanlagen gedacht, bemängelt Jüttemann.

KWA in der Forschung

Während sich bei Großwindanlagen der Propellertyp mit waagerechter Rotationsachse durchgesetzt hat, gibt es im Bereich von KWA auch andere Formen: Beispielsweise hat ein H-Rotor senkrecht stehende, gerade Rotorblätter, die sich um eine senkrechte Achse drehen. Unter anderem an dieser Art KWA forscht Andreas Wichtmann am Standort Gelsenkirchen der Westfälischen Hochschule. Mit zwei Rotorblättern sehen die Anlagen wie ein H aus, es können aber mehr Rotorblätter angebracht werden. „Wir verfolgen ein modulares Konzept mit einer veränderbaren Anzahl an Rotorblättern und mit optimierten Strömungsprofilen“, erläutert Wichtmann.

H-Rotoren können von allen Seiten angeströmt werden, müssen also nicht mit der Windrichtung nachgeführt werden. Sie können mit unterschiedlichen Arten von Generatoren verbunden werden. Dennoch geht Wichtmann nicht davon aus, dass H-Rotoren oder ähnliche KWA-Bauformen künftig einen deutlich größeren Beitrag zur Energiewende leisten werden.

Weniger Wind, weniger Leistung

Das hat in erster Linie mit dem Ertrag zu tun: „Selbst wenn Sie einen H-Rotor in 150 Metern Höhe, also unter optimalen Bedingungen aufstellen würden, könnten Sie höchstens einen Wirkungsgrad von etwa 30 Prozent erreichen“, betont er. Bei propellerförmigen Großwindanlagen hingegen könne der Wirkungsgrad mehr als 50 Prozent erreichen, es wird also mehr als die Hälfte der anströmenden Windenergie in elektrische Energie umgewandelt.

Hohen KWA-Erträgen macht die Physik einen Strich durch die Rechnung: Die Leistung des Windes ist überproportional von der Windgeschwindigkeit abhängig – und zwar mit der dritten Potenz (hoch 3). Bei verdoppelter Windgeschwindigkeit – etwa von vier auf acht Meter pro Sekunde – verachtfacht sich die Leistung. Umgekehrt führt eine Halbierung der Windgeschwindigkeit – etwa von vier auf zwei Meter pro Sekunde – zu nur einem Achtel der Leistung. Da KWA näher am Boden sind als die großen Windräder, ist die Windgeschwindigkeit geringer und die Leistung erheblich geringer.

Viele kleine statt einem Großen

Vielleicht könnte eine neue KWA-Gestaltung höhere Erträge bringen. Für Großwindkraftanlagen hat erst 2019 eine Studie gezeigt, dass Windräder nicht immer größer werden müssen, um höhere Leistung zu erzielen. Majid Bastankhah von der Universität Durham und Mahdi Abkar von der Universität Aarhus wiesen per Strömungssimulationen nach, dass vier Rotoren, die nebeneinander an einem Mast befestigt sind, weniger Turbulenzen erzeugen als ein großer Rotor. Dadurch werden dahinter platzierte Windräder gleichmäßiger angeströmt und können höhere Erträge erzielen. Zudem könnte es auch Forschungsfortschritte geben.

Zudem könnte die politische Entwicklung KWA zugutekommen. Wegen des Krieges in der Ukraine strebt Deutschland eine rasche Unabhängigkeit von den fossilen Energieträgern Erdgas, Erdöl und Kohle an. Dadurch könnten auch KWA für die Umsetzung der Energiewende stärker in den Fokus rücken.

RND/dpa

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