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Copernicus

Mehr Windkraft in einer Welt der Klimavariabilität

Die Nachfrage nach erneuerbaren Energien steigt – doch wie kann Europa das Auf und Ab der Windkraft besser bewältigen?
Die Nachfrage nach erneuerbaren Energien steigt – doch wie kann Europa das Auf und Ab der Windkraft besser bewältigen?   -   Copyright  Getty Images

Im vergangenen Jahr wurden in ganz Europa Windkraftanlagen in Rekordzahl installiert, allerdings immer noch zu wenig, um das europäische 40-Prozent-Ziel für erneuerbare Energien bis Ende dieses Jahrzehnts zu erreichen. Dennoch: Das Streben nach Unabhängigkeit im Energiesektor, die aktuell installierte Kapazität von 236 GW sowie die für die nächsten vier Jahre geplanten 116 GW (Quelle: WindEurope) verdeutlichen die Entschlossenheit Europas, die Windkraft konsequent voranzutreiben. Doch wie kann die Branche dieses ehrgeizige Ziel verwirklichen, wenn der Wind nicht weht?

Winddürre – eine neue Herausforderung für das europäische Energiesystem?

Im Jahr 2021 waren die Windgeschwindigkeiten in Teilen Nordwest- und Mitteleuropas ungewöhnlich gering; nach Angaben des Copernicus-Klimawandeldienstes (C3S) wurden den ganzen Sommer über einige der niedrigsten Geschwindigkeiten seit 40 Jahren verzeichnet. In Teilen Großbritanniens, der Tschechischen Republik, Irlands, Deutschlands und Dänemarks lagen die jährlichen Windgeschwindigkeiten den C3S-Daten zufolge sogar 10 Prozent unter den Durchschnittswerten der vergangenen 30 Jahre.

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© C3S/ECMWFeuronews

Abb. 2. (Links) Durchschnittliche jährliche Anomalien der 100-m-Windgeschwindigkeit im Jahr 2021 gegenüber dem Vergleichszeitraum 1991–2020, nach Land. (Rechts) Zeitreihen der durchschnittlichen jährlichen Anomalien der 100-m-Windgeschwindigkeit in den fünf Ländern mit den größten negativen Anomalien im Jahr 2021. In allen Diagrammen sind die Anomalien als Prozentsatz des Durchschnittswerts für den Vergleichszeitraum 1991–2020 ausgedrückt. Datenquelle: Klima- und Energieindikatoren des C3S auf Basis der Reanalyse ERA5.

„Im Nordatlantik gab es rings um Europa lang andauernde Hochdruckphasen“, erläutert Dr. Hannah Bloomfield, Klimawissenschaftlerin an der Universität Bristol in Südwestengland. „Diese Wetterlagen führen normalerweise zu geringen Windgeschwindigkeiten. Wir bezeichnen diese stationären Hochdruckgebiete als blockierende Wetterlagen“, so Bloomfield; Großbritannien habe im vergangenen Sommer mehrfach derartige Blockaden erlebt. Wissenschaftler bezeichnen dieses Phänomen auch als „Winddürre“, und obwohl sie nicht so dramatisch sind wie Stürme oder Tornados, gelten sie dennoch als extreme Wetterereignisse.

Obgleich die Winddürre des vergangenen Jahres nach Bloomflields Angaben größtenteils auf die Klimavariabilität zurückzuführen ist, sollte auch darauf hingewiesen werden, dass der Klimawandel langfristig die Windverhältnisse beeinflussen kann. Doch je nach Klimaszenario können die Windgeschwindigkeiten zu- oder abnehmen. Der Sechste Sachstandsbericht des Weltklimarats (IPCC) legt nahe, dass die durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten in der europäischen Mittelmeerregion mit 80%-iger Wahrscheinlichkeit sinken werden, wenn die globalen Temperaturen über 2050 hinaus um 2 Grad ansteigen – in Nordeuropa gilt dasselbe mit 50%-iger Wahrscheinlichkeit. Wie Dr. Bloomfield erläutert, könnte dies passieren, da die Arktis sich wesentlich schneller erwärmt als die niederen Breitengerade; somit sinken die Temperaturunterschiede, die die Windverhältnisse beeinflussen. Mit anderen Worten: Je kleiner die Temperaturunterschiede werden, desto schwächer möglicherweise der Wind.

Die Energieerzeugung einer Windanlage ist direkt mit dem Kubik der Windgeschwindigkeit verknüpft. Anders ausgedrückt: Eine Änderung der Windgeschwindigkeit führt zu einer dreifachen Änderung der Energieleistung. Aufgrund dieser Beziehung kann selbst eine kleine Veränderung der Windgeschwindigkeit erhebliche Folgen für den Energiesektor und damit die Fähigkeit Europas haben, sein Windenergieportfolio zu stärken.

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© C3S/ECMWFeuronews

Abb. 3. Jährliche Anomalien beim Kapazitätsfaktor (KF) nach Land bei der Onshore- (links) und der Offshore-Windkrafterzeugung (rechts) im Jahr 2021 gegenüber dem Vergleichszeitraum 1991–2020. Anomalien sind als Prozentsatz des Durchschnittswerts von 1991–2020 ausgedrückt. Datenquelle: Klima- und Energieindikatoren des C3S auf Basis der Reanalyse ERA5.

Die geringen Windgeschwindigkeiten des vergangenen Jahres führten dazu, dass Großbritannien, Deutschland und Dänemark einem Bericht der Nachrichtenagentur Reuters zufolge zwischen Juli und September nur 14 Prozent ihrer installierten Windkraftkapazität nutzten, verglichen mit den typischen 20 bis 26 Prozent in den Vorjahren. In der ersten Hälfte des vergangenen Jahres lag die Windenergieleistung insbesondere in Deutschland mit 46,8 TWh um 25 Prozent unter dem Wert des gleichen Zeitraums im Jahr 2020 (59,4 TWh), so ein Bericht des Wirtschaftsmagazins Forbes. Ein größerer Teil der Nachfrage musste daher aus fossilen Brennstoffen gedeckt werden, was die CO2-Emissionen des Landes aus der Stromerzeugung um 25 Prozent steigerte.

Schwankungen effektiv managen

Nach Angaben des europäischen Branchenverbands WindEurope, der sich für die Nutzung der Windenergie einsetzt, ist die sommerliche Flaute nicht unbedingt überraschend; die Engpässe seien durch die Winde im Winter ausgeglichen worden. „Bei den Windressourcen gibt es im Jahresvergleich immer leichte Unterschiede“, betont Christoph Zipf, Presse- und Kommunikationsleiter bei WindEurope. „2021 lagen die Zahlen etwas unter denen des Vorjahres, und 2020 war ein extrem gutes Jahr für Wind, mit starken Winden im Frühjahr. Im vergangenen Jahr schien es größtenteils so, als würde 2021 ein ziemlich schlechtes Windjahr werden, aber die Stürme im November und Dezember trieben das Erzeugungsergebnis für das Gesamtjahr voran. Letztendlich fiel es in die erwartete Bandbreite der Variation zwischen zwei Jahren.“

Die Fähigkeit, diese Durststrecken zu bewältigen, ist nach wie vor von großer Bedeutung für den Sektor für erneuerbare Energien, der Europa helfen muss, seine Abhängigkeit von Erdöl und Erdgas schnell zu beenden. Am 18. Mai veröffentlichte die Europäische Kommission ihren Aktionsplan REPowerEU als politische Reaktion auf die russische Invasion in der Ukraine. „Die Kommission hat völlig klargestellt, dass die übermäßige Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen, die aus Russland und anderen Ländern importiert werden, enden muss“, betont Zipf. Der massive Ausbau der erneuerbaren Energien in der Union sei eine der drei Säulen des Plans, so Zipf weiter – neben der Ermittlung neuer Quellen für Energieeinfuhren und der Stärkung der Energieeffizienz. „Die Windenergie spielt hierbei eine zentrale Rolle. Die Kommission will, dass Windanlagen bis 2050 die Hälfte der in der EU verbrauchten Energie liefern. Heute sind es 15 Prozent“, berichtet Zipf. „Mittelfristig wird die Windenergie wesentlich schneller ausgebaut werden und dazu beitragen, importierte fossile Brennstoffe zu ersetzen. Zu diesem Zweck strebt die Europäische Kommission einen Anstieg der installierten Windenergiekapazität in der EU von heute 190 GW auf mindestens 480 GW bis 2030 an.“

Im Anschluss an die Mitteilung aus Brüssel unterzeichneten Deutschland, Dänemark, die Niederlande und Belgien einen Vertrag in Höhe von 150 Mrd. € über den Bau von Offshore-Windanlagen mit einer Kapazität von 150 GW bis 2050. Angesichts der zahlreichen aktuellen Vorhaben und der Tatsache, dass der REPowerEU-Plan den bürokratischen Aufwand für die Genehmigung von Windkraftprojekten erheblich mindern soll, rückt die Verbesserung der Effizienz bei der Windenergieerzeugung vor dem Hintergrund der Klimavariabilität zunehmend in den Mittelpunkt.

„Die Winddürre, von der 2021 ein Großteil Mittel- und Westeuropas betroffen war, verdeutlicht, wie wichtig Klimadaten beim Management unseres Energiemix sind“, sagt Dr. Carlo Buontempo, der Leiter von C3S. „Zu verstehen, wie wahrscheinlich diese Ereignisse sind und ob ihre Häufigkeit sich verändern dürfte, ist angesichts des Ausbaus der installierten Kapazität erneuerbarer Energien von zunehmender Bedeutung. Die jüngsten Beobachtungen und die aktuellen Prognosen haben das Potenzial für einen Ausbau der Windkrafterzeugung in Europa nicht erheblich verändert. Sie haben lediglich die Existenz von einigen Schwachstellen und Risiken stärker verdeutlicht, die gemanagt werden müssen. Die Daten und Instrumente, die C3S bereitstellt, werden den Industrien und politischen Entscheidungsträgern bei diesem Prozess helfen.“

Nach Darstellung von Dr. Hannah Bloomfield ist es weiterhin schwierig, Schwachwindphasen auf lange Sicht vorherzusagen, obwohl viele Wissenschaftler Datensätze erstellen, die der Windkraftbranche helfen können, sich besser auf die Zukunft einzustellen. „Es ist leichter geworden, langfristige Risikobewertungen für Windkraftanlagen vorzunehmen. Ich denke, dass die Branche sehr von der energiemeteorologischen Fachwelt profitieren könnte“, sagt Bloomfield. „Offenheit und Kontakte mit Organisationen wie Copernicus, um mögliche Probleme zu erörtern, könnten sehr nützlich sein und die Wissenschaft dazu bewegen, sich mit Fragen zu befassen, die für die Branche relevant sind.“ Und nach Ansicht von C3S-Chef Buontempo können Windenergieerzeuger Methoden entwickeln, um wissenschaftliche Beobachtungen und Prognosen in ihre Entscheidungsfindung einzubeziehen, was dazu beitragen wird, die Herausforderungen der Klimavariabilität besser zu meistern.

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© Getty Imageseuronews

Trotz der Verluste bei der Windenergieerzeugung im vergangenen Jahr gelang es den betroffenen Ländern, andere Energiequellen zu finden, um die Lücken zu stopfen. Deutschland griff auf seine Solarkraft zurück, während Großbritannien seine Verbindungen zu den Energiesystemen in Frankreich und Norwegen nutzte, um die Produktion aufzustocken. Angesichts der starken Variabilität spielt die Windenergie zwar eine wichtige Rolle im erneuerbaren Portfolio Europas, ist aber nach Ansicht von WindEurope nicht der einzige Player. „Allgemein lässt sich sagen, dass das erneuerbare Energiesystem der Zukunft in Europa alle erneuerbaren Energiequellen brauchen wird“, meint Christoph Zipf. „Wind- und Solarkraft sind natürliche Partner: Die Erzeugung von Windenergie ist normalerweise im Herbst, Winter und Frühjahr am stärksten – und im Sommer ziemlich gering, gerade wenn die Sonnenenergie ihre Spitzenwerte erzielt. In diesem Sinne ergänzen sich die beiden Technologien. Um den Anteil erneuerbarer Energien im Energiesystem zu steigern, müssen sie jedoch mit Speicherbatterien und anderen Speichermedien wie grünem Wasserstoff verknüpft werden. Bei beiden Technologien sinken die Kosten rapide, beide werden schon bald im großen Maßstab verfügbar sein.“