Geschichte der Windenergienutzung

Die Windenergie ist eine der ältesten vom Menschen genutzten Energieformen. Schon vor langer Zeit wurde mit Hilfe von Windmühlen vor allem mechanische Arbeit wie das Mahlen von Getreide und das Pumpen von Wasser durchgeführt. Dieser Artikel beschreibt die Geschichte der Windenergienutzung an Land und im Meer (Offshore). Nicht behandelt werden Anwendungen wie Segelschifffahrt, Segelwagen oder Segelflug.

Mechanische Windkraftanlagen

Chinesische Windmühle, Bleistiftzeichnung

Die ältesten Windmühlen sind aus Persien (zum Getreidemahlen), Tibet (als Gebetsmühlen) und China (zum Wasserpumpen) bekannt. Diese hatten eine vertikale Rotordrehachse und eine horizontale Drehkreisebene. Die persische Windmühle funktionierte als Widerstandsläufer. Die chinesische Windmühle, bei der vertikal stehende Dschunkensegel sich im Drehkreis um ihre Achse dank ihres spezifischen Riggs automatisch selbst zum Wind ausrichten, ist ein Auftriebsläufer.

In Europa sind Windmühlen seit dem 12. Jahrhundert bekannt. Sie wurden von Anfang an als Auftriebsläufer mit horizontal liegender Rotordrehachse gebaut, was bis heute das grundlegende Prinzip moderner Windkraftanlagen ist. Entstehen konnte diese Technologie durch das Zusammentreffen einiger historischer Umstände:

• Im Hochmittelalter hatte sich das Handwerk innerhalb der Zünfte vervollkommnet.
• Der wachsende allgemeine Wohlstand verknappte das Angebot an billigen Arbeitskräften.
• Die Christianisierung der seefahrenden nordischen Völker (z. B. Wikinger) verstärkte den Austausch zwischen ihnen und Mitteleuropa.

Durch Wasserkraft angetriebene Schöpfräder zur Bewässerung („Noria“) sind bereits aus dem 5. Jahrhundert v. Chr. aus Mesopotamien bekannt. Erste Mahlmühlen mit Wasserkraftantrieb sind aus dem 3. Jahrhundert v.Chr. aus China belegt. Auch die alten Ägypter, Perser und später die Griechen und Römer verwendeten Wassermühlen. Bedingung für die Nutzung der Wasserkraft ist die Voraussetzung, dass ein Gewässer mit ausreichendem Gefälle vorhanden ist, das auch in Trockenperioden genügend Wassermenge führt. Da diese Bedingung im Flachland vielerorts nicht erfüllt ist, dort hingegen (oft) der Wind stärker und gleichmäßiger blies, hat sich in den küstennahen, flachen Regionen die Windmühle als vorherrschender Mühlentyp etabliert, in den bergigeren Regionen die Wassermühle. Die flexible, zeit- und ortsunabhängige Verfügbarkeit der Antriebskraft in beliebiger Menge ist das Hauptargument für den Einsatz von Mühlen, die mit Muskelkraft betrieben wurden, etwa von Rossmühlen.

Hinzu kam die Verbindung der aerodynamischen Kenntnisse der nordischen Völker mit der Handwerkskunst der Mitteleuropäer, die eine Entwicklung der Windmühlentechnik ermöglichte.

Neben den reinen Windmühlen gibt es auch Mühlen, die ihre Antriebskraft aus Wasser und Wind zugleich beziehen. Eine der wenigen heute noch komplett erhaltenen derartigen Mühlen ist die Hüvener Mühle im nördlichen Emsland.

Die Windmühlen wurden im Laufe der Zeit verbessert und außer zum Mahlen auch zum Dreschen, Wasserpumpen oder -schöpfen und zum Sägen sowie Hämmern oder Klopfen (Walken) eingesetzt.

Den nächsten großen Schritt gab es im 19. Jahrhundert. In Nordamerika entwickelte man die Westernmill, die hauptsächlich zum Wasserpumpen eingesetzt wurde und wird. Sie war die erste, die sich selbsttätig bei Sturm aus dem Wind drehen konnte. Bei herkömmlichen Mühlen dagegen hatte der Müller immer darauf achten müssen, vor einem aufziehenden Sturm die Mühle zu sichern, um sie vor Schäden zu schützen. Damit und mit der industriellen Produktion der Mühlen war der Weg für einen massenhaften Einsatz frei. Noch immer sind einige dieser Mühlen in ländlichen Gegenden weltweit im Einsatz, meistens als Antrieb für Wasserpumpen, und es entstehen auch neue, meist erbaut von örtlichen Handwerkern.

In derselben Zeit wie die Westernmill entstanden jedoch auch die Konkurrenztechnologien der Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren, die in der Folge die Windmühlen fast vollständig verdrängten.

Stromerzeugende Windkraftanlagen

Scientific American berichtet 1890 über Brushs Windkraftanlage

Windkraftanlagen entwickelten sich aus der Windmühlentechnik heraus, deren Geschichte auf der von Windmühlen beruht. Mit der großtechnischen Nutzung der elektrischen Energie ab 1882 begann die Elektrizität auch für die Bevölkerung ein wichtiges technisches Hilfsmittel zu werden. Die Elektrifizierung der Städte schritt rasch voran, doch die Versorgung der ländlichen Gebiete stellte besondere Anforderungen. Es musste erst ein Übertragungsnetz für elektrische Energie geschaffen werden, und die Elektrizitätswerke mussten überhaupt in der Lage sein, im Verbundbetrieb zu laufen. In Deutschland waren in den 1920er Jahren schon fast alle Dörfer an das Verbundnetz angeschlossen, jedoch war die Infrastruktur in vielen anderen Ländern noch nicht so weit fortgeschritten. Zur Verbesserung der Versorgung mit elektrischer Energie gab es in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts verstärkt Versuche, mit Hilfe der Windenergie elektrische Energie zu erzeugen. Da die Windmühlen zu diesem Zeitpunkt noch sehr weit verbreitet waren, gab es mehrfach Gedanken, diese zum Betrieb eines Dynamos umzurüsten.

Charles Francis Brush baute 1887/88 eine Windkraftanlage auf der Basis der Westernmills, die er zur Versorgung seines Hauses mit elektrischer Energie aus einem Batteriespeicher benutzte.

Dänisches Windrad (hier in Vallekilde) um 1905

Der Däne Poul La Cour hat dann, die Verdrängung der Windmühlentechnik durch die Elektrifizierung hatte schon eingesetzt, die Grundlagen der Technik wissenschaftlich erforscht. Er wandte seine Erkenntnisse als einer der ersten Wissenschaftler auf die Wandlung in elektrische Energie an und errichtete 1891 mit Mitteln seiner Regierung eine erste Versuchsanlage in Askov auf Jütland. Seinem guten wissenschaftlichen Fundament, seinem systematischen Vorgehen sowie seiner Geschicklichkeit bei der praktischen Umsetzung seiner Entwürfe sind wichtige Entwicklungen für die heutige Windkraftanlagentechnik zu verdanken. Er betrieb erstmals Windkanalversuche – unter anderem zur Aerodynamik der Flügelform – und kam zum Konzept Schnellläufer, einer Anlage, bei der sich die Flügelspitzen schneller als der Wind bewegen. Eine von ihm konzipierte Anlage wurde von der Firma Lykkegaard als kommerzielles Produkt vermarktet, bis 1908 waren bereits 72 Stück in Dänemark zur Versorgung ländlicher Siedlungen installiert.

Der Bau von Windkraftanlagen bekam durch die Treibstoffverteuerung und -verknappung im Ersten Weltkrieg noch einmal Aufwind. Nach dem Krieg wurde Treibstoff günstiger. Die Technik der Windkraftanlagen blieb für lange Zeit eine Nische der technischen Entwicklung.

1920 schuf Albert Betz, Physiker und damaliger Leiter der Aerodynamischen Versuchsanstalt Göttingen (1997 umbenannt in DLR), mit streng wissenschaftlichen Forschungen zur Physik und Aerodynamik des Windrotors weitere Grundlagen für die Entwicklung von Windkraftanlagen. Er formulierte erstmals das Betz’sche Gesetz und zeigte, dass das physikalische Maximum der Ausnutzung der kinetischen Energie des Windes bei 59,3 % liegt. Seine Theorie zur Formgebung der Flügel ist auch heute noch Grundlage für die Auslegung der Anlagen.

Der Savonius-Rotor, eine mit einer Schnelllaufzahl von etwa 1,6 gleichzeitig als Auftriebs- wie Widerstandsläufer zu bezeichnende durchströmte Turbine mit vertikaler Rotationsachse, wurde um 1925 vom Schiffsoffizier Sigurd Savonius erfunden. Bei dieser Turbine ist die Strömungsdynamik sehr kompliziert, es existiert bisher noch kein gültiges physikalisch-mathematisches Modell dazu.

Der Franzose Georges Darrieus patentierte 1931 in den USA den Darrieus-Rotor, ebenfalls eine Bauform mit vertikaler Achse, jedoch ein Schnellläufer.

Windrad bei Berlin im Jahre 1932

In Deutschland gab es zu dieser Zeit Ideen und Versuche von Wilhelm Teubert, Ferdinand Porsche, Hermann Honnef, Franz Kleinhenz (MAN) und der Ventimotor GmbH in Weimar. Hermann Honnef verfolgte dabei die kühnsten Ideen von Großwindkraftwerken und diente diese unter verschiedenen Aspekten den Machthabern im Dritten Reich an. Allerdings war seine vorgeschlagene Doppel-Rotor-Technik ein technischer Irrweg. Es gelang ihm unter anderem, ein Versuchsfeld mit Anlagen bis zu 17 kW errichten zu lassen – in der Nähe von Berlin, in Bötzow auf dem Mathiasberg.

Die vom Thüringer Gauleiter Fritz Sauckel und vom Mitglied des Freundeskreis Reichsführer SS Walther Schieber gegründete Firma Ventimotor GmbH in Weimar propagierte unter dem Motto „Windkraft für Wehrbauern“^[1] dezentrale Windkraftanlagen als geeignete Energieversorgung im Rahmen des Generalplan Ost nach einem eventuellen Endsieg.^[2][3] 1943 wurden die Aktivitäten von Ventimotor zugunsten des Flugzeugbaus weitgehend eingestellt. Der Leiter der Konstruktionsabteilung von Ventimotor und Leiter der aerodynamischen Abteilung der Weimarer Ingenieursschule Ulrich W. Hütter wurde später als deutscher „Windenergiepapst“ bekannt.

Ein weiterer Meilenstein war die 1,25 MW Smith-Putnam-Anlage (zwei Flügel, Leeläufer, benannt nach Palmer Cosslett Putnam in Vermont, USA, 1941. Die Anlage lief mit Unterbrechungen bis 1945, dann brach einer der Flügel. Die für diese Größe notwendigen Materialien beziehungsweise Materialqualitäten waren damals noch nicht verfügbar.

1951 entwarf der deutsch-österreichische Windkraft-Pionier Ulrich W. Hütter eine 10-kW-Anlage mit 11 m Rotordurchmesser, die von der Firma Allgaier Werke in Serie hergestellt wurde. An die 200 Stück wurden vor allem in die Länder Südafrika, Argentinien und Indien exportiert. Eine Anlage ziert noch heute das Stammhaus der Firma Klöckner in Bonn und ist voll einsatzfähig.

In Deutschland errichtete 1957 Ulrich W. Hütter das Urmodell aller modernen windnutzenden Geräte, die 100 kW-Anlage StGW-34, auf einem Versuchsfeld auf der Schwäbischen Alb bei Geislingen an der Steige. Sie erhielt 1969 neue Rotorblätter aus Faserverbundstoffen aus (GFK. Ihr Rotordurchmesser betrug 34 m, Faserkunststoffverbund-Bauteile von 17 m Länge waren für diese Zeit ungewöhnlich.

1957 erbaute Johannes Juul in Gedser in Dänemark eine 200 kW-Windkraftanlage. Sie hatte drei Flügel, die aus Stabilitätsgründen untereinander abgespannt waren. Die Anlage lief bis 1966, dann wurde sie aus Kostengründen stillgelegt. Sie wurde jedoch nicht abgebaut und erlebte 1977 eine Renaissance, als sie im Rahmen eines Abkommens einer dänischen Institution mit der NASA wieder in Betrieb genommen wurde und mehrere Jahre als Versuchsanlage diente.

Anfang der 1980er Jahre setzte sich aufgrund der großen Nachfrage in den USA das dänische Konzept bei Windkraftanlagen durch. Typisch waren der Asynchrongenerator (Kurzschlussläufer), ein oder zwei feste Drehzahlen und drei starre Rotorblätter (Stall-Regelung). Diese Konstruktionsweise hat sich für die 500 kW-Klasse weitestgehend durchgesetzt.

Deutsche Versuchsanlagen ab 1978

1978 vom Bundesforschungsministerium beschlossen, stand von 1983 bis 1987 im Kaiser-Wilhelm-Koog bei Marne die Versuchsanlage Growian (Große Windkraft-Anlage). Sie war lange Zeit die größte Anlage der Welt. Ausgerüstet mit einem über 100 Meter durchmessenden Zweiblattrotor, der als Leeläufer auf der windabgewandten Seite des Turmes arbeitete, lieferte Growian Erfahrungen mit einer Anlagengröße, die kommerziell erst Ende der 1990er Jahren erreicht werden sollte. Hauptsächlich wegen der seinerzeit noch nicht beherrschbaren Materialprobleme war die Anlage jedoch weitestgehend ein Misserfolg. Sie erreichte nicht einmal einen dauerhaften Testbetrieb.

Die erste Windkraftanlage Sachsen-Anhalts in Großgräfendorf, 1990

1988 entstand auf 20 Hektar des ehemaligen Versuchsgeländes der erste kommerzielle Windenergiepark Deutschlands mit 30 kleinen Anlagen. Die Windenergiepark Westküste GmbH bietet heute interessierten Besuchern ein Informationszentrum rund um die Geschichte der Windenergie.

Nach dem Fehlschlag von Growian wurde die kleinere, nur etwa halb so große Anlage WKA-60 ("Growian 2") entwickelt und 1990 auf Helgoland zum ersten Mal in Betrieb genommen. Wiederum gab es Materialprobleme, und da sich die Schäden nach dem dritten Ausfall nicht mehr versichern ließen, blieb es bei lediglich vier Anlagen.

Beginn des Ausbaus der Windenergie

Dänemark, EEG, Stall-Anlagen, Windfarmen USA, beginnende Verbreitung...

Das Stromeinspeisungsgesetz von 1991 leitete einen Aufschwung der Windenergie in Deutschland ein. Die Stromnetz-Betreiber wurden darin zur Abnahme des erzeugten Stroms zu definierten Preisen verpflichtet. Diese Entwicklung verstärkte im Jahr 2001 das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) noch einmal. In der Folge dieser politischen Entscheidung waren gegen Ende des Jahres 2003 etwa zwei Drittel der europäischen Windkraftanlagen in Deutschland installiert. Parallel dazu erreichte die deutsche Wirtschaft auch auf diesem Gebiet des Maschinenbaus eine führende Position in der Welt.

Eine ähnliche gesetzliche Regelung ließ auch in Österreich viele Windkraftanlagen entstehen, besonders in den windreichen Ebenen östlich und südlich von Wien sowie in Bergkuppenlagen. Der Tauernwindpark am Kobaldeck ober Oberzeiring (Steiermark) ist der zweithöchstgelegene Windpark Europas (1900 m).^[4] Er wurde 2002 errichtet und 2004 von elf auf 13 Anlagen erweitert.

Heutige Technik

Mit steigender Anlagengröße wurde auch die Technik weiterentwickelt. Die Leistungsregelung großer Anlagen im Megawatt-Bereich erfolgt durch Drehen der Rotorblätter (Pitchen), bei drehzahlvariablem Betrieb. Diese Anlagentypen haben eine höhere Leistungsausbeute sowie geringere Schallemissionen, da der lärmintensive Stalleffekt unterhalb der Nennleistung nicht mehr auftritt. Der Generator ist vom Stromnetz über einen Gleichstromzwischenkreis entkoppelt. Mit diesem Konzept ist auch eine Regelung der Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom im eingespeisten Drehstrom möglich, so dass diese Anlagen das Netz nicht mehr mit Blindleistung belasten, sondern sogar zur Blindleistungskompensation eingesetzt werden.

Aktuelle Entwicklungen zielen darauf ab, das Speicherproblem für regenerative Energien zu überwinden. Eine Wasserelektrolyse unter Verwendung von Wind- oder Sonnenenergie mit anschließender Methanisierung erlaubt heute (März 2011), das so gewonnene Wind- und Solargas (Methan) beispielsweise im Gasnetz zu speichern, von wo es dann bei Bedarf seinen Verwendungen zufließen kann. Windgas ist also sozusagen gespeicherte Windenergie.

Offshore

Großes Potenzial wird der Windenergienutzung auf dem Meer zugeschrieben (siehe Offshore-Windparks). Dort weht der Wind beständiger und stärker als auf dem Festland. Ähnlich der Erdöl- und Erdgasgewinnung auf See werden diese Anlagen Offshore-Anlagen genannt. Bisher sind in Deutschland 18 Offshore-Windparks in der Nordsee und drei in der Ostsee außerhalb der 12-Meilen-Zone genehmigt (Stand Juli 2008).

In der deutschen Ausschließlichen Wirtschaftszone (EEZ) befindet sich in der Nordsee seit Ende 2003 die Forschungsplattform „FINO 1“, auf der u. a. die Bedingungen für Windkraftanlagen im Meer untersucht werden. In der Ostsee wurde zu diesem Zweck die Plattform „FINO 2“ errichtet. In der Nordsee ist die dritte Forschungsplattform „FINO 3“ in Bau.

Am 20. Oktober 2004 hat eine 108 Meter hohe E-112-Testanlage mit 4,5 Megawatt Leistung in der Ems das erste Mal Strom ins öffentliche Netz eingespeist. Mit dieser Leistung ist der Anlagentyp derzeit einer der größten und leistungsstärksten (Stand Anf. 2005).

Im Sommer 2008 begann bei der Forschungsplattform FINO 1 der Bau des ersten deutschen Offshore-Windparks „alpha ventus“. Am 27. April 2010 fand die offizielle Inbetriebnahme mit einer vorläufig installierten Gesamtleistung von 60 Megawatt statt (12 Anlagen je 5 Megawatt).^[5]

Im Dezember 2002 ging in Dänemark der damals größte Offshore-Windpark der Welt ans Netz: Dort stehen in der Nordsee auf 20 Quadratkilometern 80 Windräder in zehn Reihen mit je acht Windrädern. Sie sollten jährlich 600.000.000 Kilowattstunden Strom erzeugen, genug für 150.000 dänische Haushalte.

Literatur

• Paul La Cour: Die Windkraft und ihre Anwendung zum Antrieb von Elektrizitäts-Werken. Übersetzt von Johannes Kaufmann. Verlag von M. Heinsius Nachf., Leipzig 1905.
• Albert Betz: Windenergie und ihre Ausnutzung durch Windmühlen. Ökobuch, Staufen, unveränderter Nachdruck aus dem Jahre 1926, ISBN 3-922964-11-7.
• Th. v. Kármán: Aerodynamik, Ausgewählte Themen im Lichte der historischen Entwicklung. Interavia-Verlag, Genf 1956.
• Werner Bennert: Windenergie. 1. Auflage. VEB Verlag Technik, Berlin 1989, ISBN 3-341-00627-3.
• M. Heymann: Geschichte der Windenergienutzung: 1890-1990. Campus Verlag, Frankfurt 1995 (zugl. Diss. Deutsches Museum München).
• Erich Hau: Windkraftanlagen. 3. Auflage. Springer-Verlag, Berlin 2003, ISBN 3-540-42827-5
  (enthält auch einen recht ausführlichen Teil zur Geschichte der Windenergienutzung)
• Jan Oelker: Windgesichter. Aufbruch der Windenergie in Deutschland, Sonnenbuchverlag sonnenbuch.de, Dresden 2005, ISBN 3-9809956-2-3.
• Robert Gasch, Jochen Twele: Windkraftanlagen: Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb. 4. Auflage. Teubner Verlag, ISBN 3-519-36334-8
• H. Dörner: Drei Welten – ein Leben, Prof. Dr. Ulrich Hütter, Hochschullehrer – Konstrukteur – Künstler. erweiterte Auflage. Heilbronn 2002. ISBN 3-00-000067-4

Weblinks

• Heiner Dörner: Meilensteine der Windenergienutzung. Universität Stuttgart, 1997.
• Darrell M. Dodge: Illustrierte Geschichte der Windenergienutzung (englisch)
• Achmed A. W. Khammas: Buch der Synergie Geschichte und Gegenwart der Windenergie
• dena: Offshore-Wind.de (Themenseite)
• Erik Grove-Nielsen: Winds of Change, dänische Windenergieentwicklung 1975–2000 (englisch)

Einzelnachweise

1. ↑ Aleida Assmann, Frank Hiddemann, Eckhard Schwarzenberger: Firma Topf & Söhne – Hersteller der Öfen für Auschwitz: Ein Fabrikgelände als Erinnerungsort? Campus Verlag, 2002, ISBN 3-593-37035-2, S. 41 ff, unter „Windstrom für Wehrbauern“ en detail zur Windenergie in Weimar
2. ↑ Walther Schieber: Energiequelle Windkraft. Berlin (1941)
3. ↑ M. Heymann: Geschichte der Windenergienutzung: 1890–1990. Campus Verlag, Frankfurt 1995 (zugl. Diss. Deutsches Museum München)
4. ↑ Der höchstgelegene Windpark Europas ist auf dem Gütsch bei Andermatt auf 2331 m ü. M. Er umfasst drei Anlagen mit total 2,4 MW Leistung Anlagenübersicht der Schweiz mit Details des Windpark Gütsch
5. ↑ tagesschau.de Bericht vom 27. April 2010: Erster Windpark vor deutscher Küste geht in Betrieb. http://www.tagesschau.de/wirtschaft/windpark110.html (nicht mehr online verfügbar)