»Wir sollten in den Erneuerbaren keine Bedrohung sehen«

Wie beurteilen Sie die Entwicklung der Windenergienutzung angesichts des Klimawandels?

Die Windenergie ist ein wichtiger Baustein, um CO₂-Emissionen global zu reduzieren. Allerdings: Durch sie allein bekommen wir das Klimaproblem nicht in den Griff. Keine Windturbine, die heute aufgestellt wird, ist CO₂-frei. Schaut man sich den Energieverbrauch an, der für die Produktion der Windenergieanlage aufgewendet wurde, so hat sie sich jedoch an windreichen Standorten nach 6 Monaten energetisch amortisiert, an weniger ergiebigen Standorten immerhin in maximal 15 Monaten. Das ist mit Ausnahme von Wasserkraft, Photovoltaik und Solarthermie heute mit keiner anderen Energiequelle zu schaffen. Es bleibt die Herausforderung der fluktuierenden Leistungsabgabe dieser Quellen. Dafür existieren bereits technische Lösungen, die aber noch die erforderliche Marktreife für den Hochlauf erleben müssen. Die politischen und gesellschaftlichen Rahmenbedingungen können den Prozess stark beschleunigen, aber auch massiv bremsen. Deshalb ist hier jeder Einzelne gefragt, sich differenziert Gedanken zu machen und Aussagen zu hinterfragen. Plakative Aussagen wie „das geht nicht“ oder „das ist unbezahlbar“ sind nachweislich nicht richtig und für eine positive Gesamtentwicklung gegen den Klimawandel nicht hilfreich.

Verbessern sich durch den Klimawandel die Erträge der Windenergieanlagen?

Das ist etwas anders formuliert ein aktuelles Forschungsthema. Zwar ändern sich mit ziemlicher Sicherheit die globalen und regionalen Windverhältnisse durch den Klimawandel, doch eine klare Antwort haben wir noch nicht auf die Frage, ob das allein zu mehr Windenergie führt. Theoretisch könnte auch das Gegenteil der Fall sein. Allerdings beschäftigt uns aktuell mehr die Frage: Was bedeutet ein massiver Ausbau der Windenergie für die regionalen Windverhältnisse oder das Mikroklima, etwa durch veränderte Niederschläge oder Wolkenbildung. In der Wissenschaft stehen wir in der Verantwortung möglichst alle Seiten zu beleuchten – dazu gehören nach unserem Verständnis auch die möglicherweise negativen Aspekte neuer Technologien. Auf diese Fragestellung gibt es derzeit noch keine Antworten. Eine Analyse ist technisch äußerst komplex und mit vielen Unsicherheiten behaftet.

Wie werden sich die zunehmenden Extremwetterlagen auf die Windenergieanlagen auswirken?

Grundsätzlich werden bei allen Windenergieanlagen Extremereignisse berücksichtig – etwa Orkanböen oder die sogenannte 50-Jahresböe, vergleichbar mit einer statistisch gesehen äußerst seltenen Monsterwelle bei einem Schiff. Die neuen Offshore-Turbinen sind taifun-, hurrikan- und orkan-sicher. Sie sind entsprechend zertifiziert, aber nicht getestet. Das werden in der Praxis ganz pragmatisch die realen Stürme besorgen, die die Anlagen in ihrer 20- bis 30-jährigen Betriebszeit überdauern müssen. Mir ist aktuell kein Ereignis bekannt, bei dem ein Taifun oder Hurrikan einen Windpark kritisch beschädigt hat. Wie bei allen technischen Systemen kommt es sporadisch zu Ereignissen, die jedoch nichts mit grundsätzlichen Designfehlern zu tun haben. Die Gründe für die seltenen Havarien von Windturbinen lassen sich bei jedem Vorfall gut erklären und geben keinen Anlass zu Beunruhigung. Hersteller und Prüfer machen da einen guten Job.

Wie realistisch ist die Gefahr, durch ein Mehr an Windenergie einem flächendeckenden Stromausfall, dem Blackout, anheimzufallen?

Schon als ich vor drei Jahrzehnten studiert habe, hieß es auf Konferenzen und öffentlichen Podiumsdiskussionen von den Energieversorgern und Netzbetreibern: Wenn wir 5 Prozent Windenergie haben, dann packt es das Netz nicht mehr. Jetzt produzieren wir an manchen Tagen unseren Strom zu fast 100 Prozent aus erneuerbaren Quellen – und es geht gut. Allerdings sind die Netze und deren Betriebsführung immer noch zu sehr auf Großkraftwerke ausgelegt. Das müsste dringend geändert werden. Die Geschichte von der ständigen Bedrohung durch einen potenziellen Blackout durch die den Ausbau der Windenergienutzung bleibt aber eine Konstante in der Diskussion. Und sie kommt immer noch aus der gleichen Ecke wie schon vor 30 Jahren. Windturbinen und damit Windparks verhalten sich am Netz so wie es ihre Betriebssoftware es ihnen vorgibt, die technischen Vorgaben dazu kommen von den Netzbetreibern. Sich hier mit Szenarien zu beschäftigen und funktionierende Lösungen zu generieren, wäre die richtige Antwort anstatt oftmals auf dem Status-quo und eigenen Pfründen zu beharren und abzuwarten.

Welchen konkreten Beitrag leistet das Fraunhofer IWES bei der Windenergienutzung?

Die Frage ist berechtigt, gleichwohl nicht einfach zu beantworten. In Deutschland und der Welt gibt es neben dem IWES eine Reihe von Institutionen, die sich mit diesem Thema beschäftigen. Wir stehen dafür, neue Entwicklungen mit vertretbarem wissenschaftlichem Aufwand abzusichern. Wir versuchen, durch unsere auch weltweit einzigartige Prüfinfrastruktur Fehlentwicklungen frühzeitig aufzudecken, damit sie sich gegebenenfalls rechtzeitig korrigieren lassen. Weltweit führend sind wir auf jeden Fall bei der Erkundung des Meeresbodens im Hinblick auf das Niederbringen von Fundamenten für die Offshore-Nutzung der Windenergie – und für die elektrische Charakterisierung von Windenergieanlagen an Großprüfständen.

Wie testen Sie die Profile der Rotoren großer Anlagen? Sie würden ja riesige Windkanäle erfordern.

Echte Profile testen wir nicht im Windkanal. Wir machen Messungen an verkleinerten Modellen. Durch den Schiff- und Flugzeugbau sind sogenannte Ähnlichkeitsbetrachtungen und Skalierungen in der Strömungsdynamik gut erforscht. Die Ergebnisse der Tests dieser verkleinerten Objekte lassen sich ohne nennenswerte Abweichungen auf die realen Profile übertragen.

Ihre Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut testen neue Anlagen an eigens dafür gebauten Prüfständen. Entwickelt ihr Institut die Anlagen dann auch weiter?

Unser Geschäftszweck ist nicht der Anlagebau, sondern wir sind ein Forschungsinstitut und stellen unsere Arbeiten in der Regel der Allgemeinheit durch wissenschaftliche Publikationen zur Verfügung. Und wir helfen der Industrie bei ihren konkreten Entwicklungen. Im Vergleich zu vielen anderen der insgesamt 76 Fraunhofer-Institute, die alle anwendungsorientiert forschen, sind wir eher noch praxisnäher. Aber natürlich schauen wir auch ständig, welche technologischen Entwicklungen durch andere Forschungseinrichtungen erbracht werden und bewerten diese hinsichtlich ihres möglichen Einsatzes in der Windenergie.

Fraunhofer-Institute müssen einen Teil ihres Budgets durch Aufträge von der Wirtschaft einwerben. Fällt das schwer?

Aktuell basiert unser Budget auf 35 bis 40 Prozent Industrieaufträgen, der Rest stammt im Wesentlichen aus öffentlich finanzierten Forschungsprojekten – wobei wir uns im Wettbewerb um diese Mittel durchsetzen müssen. Über die Zeit betrachtet, kommt es immer mal wieder zu erheblichen Nachfragespitzen aus der Industrie, die wir kaum abarbeiten können, aber auch zu überraschenden Einbrüchen. Hier eine Balance zu halten, ist mitunter ein Kunststück. Ein Fraunhofer-Institut wird an seinem Anteil an direktem Industrieumsatz gemessen. Die Logik dahinter ist bestechend einfach und zugleich Markenkern von Fraunhofer: „Wenn ihr wissenschaftlich gut seid, dann kommt auch die Industrie zu euch“. So braucht es keine großartige zentrale Kontrolle, eine einfache operative Kennzahl reicht: der Anteil des Industrieertrags im Betriebshaushalt. Im Gegensatz zu anderen außeruniversitären Forschungseinrichtungen sind wir nur marginal grundfinanziert. Unsere Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen müssen ständig alle Rollen aus Wissenschaft, Akquise, Projektmanagement und Verwaltung bedienen. Das ist eine harte Schule, 75 Prozent unserer Mitarbeitenden kommen ja direkt als Absolventen von der Hochschule oder Universität. Bei uns lernen sie, wie Wissenschaft und Industrie funktioniert.

Der Trend geht zu immer höheren Windkraftanlagen. Wo liegen die Probleme, wenn sie immer größer werden?

Mit Nabenhöhen von 250 oder 300 Metern erreicht man eine stetigere Windzone, mit gleichmäßigeren Windgeschwindigkeiten, bei zugleich weniger Turbulenzen. Damit wären solche Anlagen deutlich ertragreicher. Grundsätzliche technische Probleme sehe ich auch bei diesen Nabenhöhen nicht. Allerdings bedingt bei den geltenden Vorschriften eine höhere Anlage einen größeren Mindestabstandsbereich zu Wohngebieten. Überdies erwarte ich allein durch die Größe noch stärkere Akzeptanzprobleme.

Heute sind horizontale Windenergieanlagen etabliert. Diskutieren Experten auch andere Möglichkeiten?

Ja. Bei vertikal arbeitenden Rotoren – Rotoren mit vertikaler Achse – wird gerne darauf hingewiesen, dass man durch sie auf die Systeme zur Windrichtungsnachführung verzichten könnte. Andererseits läuft bei diesen Anlagen immer ein Teil der Rotoren gegen den Wind, weshalb alle diese Entwicklungen einen deutlich schlechteren Wirkungsgrad haben. Weiterhin sind solche Anlagen bodennah aufgebaut und arbeiten deshalb bei geringerer mittlerer Windgeschwindigkeit und stärkeren Turbulenzen. Flugwindanlagen werden immer wieder diskutiert – auch wir haben immer ein Auge auf diese Technik –, allerdings existieren derzeit Prototypen nur bis 100 Kilowatt Leistung, also Größenordnungen kleiner als der Stand der Technik bei den klassischen Anlagen. Persönlich sehe ich sie auch mit viel gutem Willen nicht als bahnbrechend, sondern allenfalls interessant für Nischenanwendungen.

Auch bei Rotoren mit horizontaler Drehachse gibt es immer wieder neue Ansätze. Asiatische Hersteller sind im Zweiblattbereich rege. Grundsätzlich gilt: Je weniger Rotorblätter man einsetzt, desto schneller müssen bei gleicher Windgeschwindigkeit die verbleibenden Blätter drehen. Durch das mögliche schlankere Blattprofil nimmt der Rotorwirkungsgrad marginal zu – aber auch die Geräuschemission, bedingt durch die höheren Blattspitzengeschwindigkeiten. Beim Zweiblattrotor muss man zudem großen mechanischen Aufwand betreiben, weil extreme Vibrationen entstehen können. Dafür spart man sich Material und Kosten für die geringe Anzahl an Blättern. Dennoch: Der Dreiblattrotor bleibt meines Erachtens mit seinem perfekt balancierten Charakter der beste Kompromiss.

Gibt es technische Gründe für eine maximale Leistung von Windenergiekonvertern?

Vor etlichen Jahren habe ich gesagt, dass ich im Onshore-Bereich drei bis vier Megawatt als sinnvolle Grenze sehe – aus Gründen der Belastung und Zuverlässigkeit der Anlage sowie infolge der Transportbeschränkungen. Dazu gehört etwa die Brückendurchfahrtshöhe von maximal 4,20 Meter im Straßenverkehr. Doch damit habe ich mich geirrt. Die Anlagen werden heute entweder wieder kompakter oder modular konstruiert und können deshalb noch immer größer werden. Ferner gibt es in der Branche den ungebrochenen Glauben an den Grundsatz, dass größere Anlagen den Strom zu geringeren spezifischen Kosten produzieren. Ein Beweis dafür oder auch dagegen bleibt schwierig. Persönlich glaube ich dennoch nach wie vor, dass der anhaltende Trend zu immer größeren Anlagen ein potenzieller Irrweg ist und es eine vernünftige Grenze gibt, von der wir nicht weit entfernt sind – oder die wir bereits leicht überschritten haben. Zwei gut austarierte, drei bis vier Megawatt leistende Anlagen sind meiner Ansicht nach einer hypermodernen, technisch ausgereizten acht Megawatt-Anlage vorzuziehen, weil sie im Gesamtkonzept – Investition, Verfügbarkeit, Reparatur, Service – besser dastehen und daher wirtschaftlicher sind. Das allerdings wäre noch zu beweisen.

Gibt es neben größeren Anlagen noch weitere Verbesserungspotenziale?

Alle Hersteller orientieren sich derzeit durch die geltenden Strommarktanreize und das Erneuerbare-Energien-Gesetz an dem maximalen Energieertrag: Je größer die Anlage, desto höher die spezifische Leistung pro Fläche – und desto günstiger wird die Kilowattstunde erzeugter Strom. Netzfreundlichere, geräuschärmere oder optisch ansprechendere Anlagentypen oder Technologien kommen in dem Modell wenig zum Tragen. Preisgünstigen Strom produzieren die Anlagen heute fast immer. Meines Erachtens wäre es sinnvoll – für spezielle Märkte wie Deutschland –, mehr auf angenehmere Optik, weniger Geräuschemission und spezielle Features wie radarüberwachte Abschaltungsmöglichkeiten bei herannahenden Vögeln sowie eine sehr gute Netzverträglichkeit der Einspeisung zu achten und dafür Anreize zu schaffen. Im Zweifel trägt eine gebaute Anlage mit etwas weniger Ertrag erheblich mehr zum Erreichen der gesteckten Klimaziele bei, als eine Anlage, die wegen lokaler Widerstände oder aufgrund von Netzengpässen gar nicht gebaut wird.

Wenn man deutschlandweit Onshore- und Offshore-Windenergie vergleicht, was ist da der Unterschied?

In Deutschland haben wir wenig nutzbare Flächen für die Offshore-Windenergienutzung. Um technisch und wirtschaftlich gute Ergebnisse zu erzielen, benötigen wir sehr hohe Leistungsdichten – acht Megawatt installierte Leistung pro Quadratkilometer ist eine obere Grenze. Bezüglich dieser Dichte wären wir hier mal wieder Weltmeister, andere Länder haben mehr Platz und können anders planen. Die besondere Herausforderung: Bei dieser Dichte beeinflussen sich die Anlagen stark gegenseitig.

Onshore haben wir insgesamt eine viel größere Fläche zur Verfügung, allerdings stark fragmentiert. Studien weisen Potenziale von bis zu 80 Gigawatt installierter Leistung offshore und bis zu 350 Gigawatt onshore für die Windenergie in Deutschland aus. Wenn man zusätzlich mehr Anlagen mit ein oder zwei Megawatt Leistung und vielleicht sogar 500 Kilowatt-Anlagen in Betracht zieht, kommen wir in Deutschland auf ein zusätzliches Potenzial von 100 bis 120 Gigawatt. Diese kleineren Anlagen könnten an Industriestandorten und innerhalb von Industrie- sowie Gewerbegebieten aufgebaut werden, ohne dass sie Anwohner stören. Zusammengenommen ließen sich mit diesem Anlagenpark deutschlandweit und konservativ gerechnet rund 1000 Terawattstunden elektrischer Strom pro Jahr erzeugen. Das ist doppelt so viel wie 2022 im Stromsektor in Deutschland verbraucht wurde. Mich ärgert die Aussage, in Deutschland gebe es kein Potenzial für Windenergie. Das ist keine Frage von Technik oder Wirtschaftlichkeit, sondern im Moment eine gesellschaftspolitische Frage. Übrigens: Die oben genannten Potenziale beinhalten alle gängige, technischen sinnvollen Abstandsregeln zur Bebauung, den Naturschutz und die Flugsicherheit.

Die Forscher an Ihrem Institut beschäftigen sich seit vier Jahren auch mit der Speicherung von Wasserstoff. Was halten Sie von der Idee, elektrischen Strom aus Windenergie lokal in Wasserstoff zu speichern, um ihn so für den Bedarfsfall zu bunkern?

Grundsätzlich ist das wünschenswert und technisch sinnvoll. Doch die schwankende Stromproduktion durch Windenergie schadet den Elektrolyseuren, die aus Strom speicherfähige chemische Energie erzeugen ­– also Wasserstoff. Wenn dann beim Elektrolyseur durch Materialdegradation einzelne Stacks ausfallen, steht die gesamte Anlage still und muss aufwendig und kostenintensiv instandgesetzt werden. Aus diesem Grund wird derzeit häufig eine Speicherlösung per Batterie bevorzugt, die mit dem wetterwendischen Windstrom besser zurechtkommt. Doch auch diese Variante hat ihre Tücken: Technisch gesehen sind die speicherbaren Energiemengen viel kleiner als bei Wasserstoff. Durch die aktuell bestehende Regulierung wird das Ein- und Ausspeichern überdies mit erheblichen finanziellen Abgaben belegt und macht so den zwischengespeicherten Strom aus Windenergie teuer. Die gute Nachricht ist: Ein bestehendes Regelwerk ist kein Naturgesetz. Mit gutem Willen und politischer Weitsicht lassen sich Lösungen finden, die das technische Potenzial ausschöpfen und den Markt sowie gesellschaftliche Akzeptanz positiv beeinflussen. Speicherlösungen sind für eine erfolgreiche Energiewende hin zu einer fast vollständigen Versorgung aus regenerativen Quellen unverzichtbar.

Wann werden wir ihrer Meinung nach fünf Prozent unseres Energiebedarfs durch Wasserstoff decken können?

Wenn ich extrapoliere, wie es heute läuft, erlebe ich das nicht mehr. Doch Spaß beiseite: Es wird mindestens zehn Jahre dauern, bis wir die von ihnen genannte Marke erreichen. Lassen sie mich abschließend noch Folgendes sagen: Wir sollten die Nutzung der erneuerbaren Energien nicht ständig mit einer Bedrohung oder einem Verzicht gleichsetzen. Sie bietet uns als Gesellschaft neue Chancen, technisch, ökologisch und auch ökonomisch. Und dabei muss es teilweise auch Veränderungen im persönlichen Handeln gegeben, aber die sind meiner Ansicht nach geringer und weniger gravierend als heute gerne dargestellt wird.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…