Windkraftanlagen auf dem Hinteren Heuberg in Weingarten

Hoehenvergleiche

Die EnBW plant die Errichtung von fünf Windkraftanlagen auf dem Hinteren Heuberg in Weingarten. Ein Gastbeitrag von Dipl. Meteorologe Siegfried Vogt, der selbst in Weingarten lebt, hat sich intensiv mit diesem Projekt auseinandergesetzt und nimmt hierzu ausführlich Stellung.

Technische Daten

Seit Vorstellung der EnBW Planungen im Gemeinderat im Februar 2020 sind folgende Daten bekannt:

5 WKA mit Gesamtleistung28 MW
Leistung pro WKA5,6 MW
Durchmesser Rotor162 m
Rotorfläche20 612 m² =
2 ha
Nabenhöhe des Stahlmastes166 m
Gesamthöhe247 m
Die Eckdaten des von dern EnBW geplanten Windparks in Weingarten

Mit diesen Ausmaßen wird Weingarten die höchsten Windkraftanlagen in Deutschland haben und die höchsten Bauwerke in Baden-Württemberg. Der Aufzugsturm bei Rottweil wird um 1 m übertroffen. Der Fernsehturm in Stuttgart ist 50 m niedriger. Der Rotorradius ist mit 81 m doppelt so groß wie die Länge einer Tragfläche des Airbus A380. Die überstrichene Rotorfläche (20 612 m²) ist fast so groß wie drei Fußballfelder.

Abbildung 1. Größenvergleich Ulmer Münster, Aufzugtestturm Rottweil, Stuttgarter Fernsehturm, Windkraftanlage
Abb.1 – Größenvergleich

Ob dieser gewaltigen Dimensionen kann man von Monsteranlagen sprechen. Die fünf Windräder werden die Landschaft von Weingarten und der weiteren Umgebung deutlich verändern und prägen. Unsere Nachbargemeinde Jöhlingen wird diese Veränderung noch stärker spüren. Die nachfolgenden Bilder geben einen Eindruck dieser „Prägung”.

Stromertrag der Windkraftanlagen auf dem Hinteren Heuberg

Die Planer der EnBW sprechen von einem zu erwartenden Stromertrag pro Jahr von insgesamt 70 000 bis 76 000 MWh. Das wären für eine Anlage also
14 000 bis 15 200 MWh.

Solch hohe Ertragswerte werden nicht erreicht. Realistische Werte werden um 40% bis 60% niedriger liegen. Sollten seitens des Natur- und Vogelschutzes Abschaltzeiten wegen Brutzeiten und Fledermausflügen angeordnet werden, reduziert sich der Stromertrag weiter.

Der Stromertrag einer Windkraftanlage ist bestimmt durch die Zusammenhänge und physikalischen Gesetze wie der Winddruck die Rotoren in Bewegung bringt. Die Leistung und damit auch der Stromertrag, ist proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit. Also doppelte Windgeschwindigkeit gleich 8-fache Leistung (2³ = 8) oder halbe Windgeschwindigkeit gleich 1/8 Leistung. Anders ausgedrückt ergeben 10% weniger Windgeschwindigkeit 30% weniger Ertrag! Natürlich nimmt der Stromertrag zu mit der Größe der Rotorfläche und wachsender Nabenhöhe, da der Wind in größerer Höhe im Allgemeinen stärker weht.

Bisherige Erfahrungen zeigen, dass bei Planung neuer Windkraftanlagen generell zu hohe Stromertragswerte versprochen werden. Damit will man die Zustimmung der Bürger*innen gewinnen. Leider treffen solche Prognosen selten oder nie ein. Dies hat dann Auswirkungen auf die finanziellen Aspekte wie in Schlussbemerkung 4.4 ausgeführt wird.

In den nächsten drei Abschnitten wird der Stromertrag mittels unterschiedlicher Ansätze abgeleitet und den EnBW Stromertragswerten gegenübergestellt.

Stromertrag basierend auf Betriebsergebnissen anderer WKAs

In Straubenhardt im Nordschwarzwald sind 11 WKAs seit über einem Jahr in Betrieb. Das Gelände am Standort der WKAs erreicht Höhen zwischen 530 m und 660 m NN. Das Gelände am Hintere Heuberg bei Weingarten ist gerade mal 230 m NN hoch. Die Stromertragswerte bei Straubenhardt sind enttäuschend. Von den Planern vorhergesagt wurden 7 000 MWh pro Anlage. Tatsächlich erreicht wurden nur vier 4 400 MWh, also fast 40% weniger.

Die aktuellen Windertragswerte sind frei zugänglich und können auf der Seite von Netztransparenz abgerufen werden.

Stromertrag basierend auf dem Windatlas des Ministeriums für Umwelt, Klima und
Energiewirtschaft Baden-Württemberg

Dieser Atlas weist für den Standort Hinterer Heuberg eine Windleistungsdichte von 340 W/m² in einer Höhe von 160 m über Grund aus. Siehe nachfolgende Abb.5. Diese Leistungsdichte entspricht einer mittleren Windgeschwindigkeit von 6,6 m/s. Mit dieser Angabe errechnet sich ein Stromertrag von etwa 60 GWh. Dies wären knapp 80% des EnBW Stromertragswertes.

Abb.5 - Karte der Windhöffigkeit für 160 m über Grund nach BW-Windatlas
(Windhöffigkeit angegeben in W/m²)
Abb.5 – Karte der Windhöffigkeit für 160 m über Grund nach BW-Windatlas
(Windhöffigkeit angegeben in W/m²)

Stromertrag basierend auf Windmessungen in Standortnähe

Zum Verständnis der Windverhältnisse am Hinteren Heuberg sind die nachfolgenden Ausführungen wichtig.

Ausgehend von der Bodenoberfläche nimmt die Windgeschwindigkeit zunächst in der sogenannten Prandtl Schicht rasch zu. Ab etwa 100 m verlangsamt sich die Zunahme und in Grenzschichthöhe (~1000 m) ist der Übergang zum reibungsfreien geostrophischen Wind erreicht.

Eine Besonderheit für das Windprofil ergibt sich, sobald die Windströmung auf ansteigendes Gelände (Hangkante, Hügel etc.) trifft. Natürlich können die Stromlinien (d. h. Linien gleicher Windgeschwindigkeit) nicht durch den Berg gehen. Das Windprofil wird angehoben, und die Stromlinien werden im unteren Bereich etwas „zusammengedrückt”. In den höheren Schichten werden die Stromlinien immer weniger gedrängt, so dass der ursprüngliche Verlauf des Windprofils wieder erreicht wird. In erster Näherung ist daher die Annahme sinnvoll: Die Windverhältnisse in Nabenhöhe am Hinteren Heuberg sind ähnlich den Windverhältnissen zwischen 100 m bis 200 m Höhe am KIT Messturm. Die Entfernung zwischen Messturm und Hinterem Heuberg beträgt 11 km.

Abb.6 - Idealisierte Darstellung der Stromlinien bei einer Hindernisüberströmung
Abb.6 – Idealisierte Darstellung der Stromlinien bei einer Hindernisüberströmung

Da die WKAs nicht unmittelbar an der Hangkante stehen wird die Luftströmung aus SW, das ist die Hauptwindrichtung, turbulenter. Dies bewirkt eine Abschwächung der Windgeschwindigkeit. Die Höhe, in der diese Turbulenzen auftreten reicht für Windgeschwindigkeiten größer 4,5 m/s über die Nabenhöhe hinaus. Es gilt die Faustformel H = 36 x WG (H in m, WG in m/s).

Am Standort des KIT, ehemaliges Kernforschungszentrum, werden seit 1972 bis heute ununterbrochen kontinuierliche Messungen der Windgeschwindigkeit und Richtung (10-Minuten Mittelwerte) in mehreren Höhen durchgeführt. Die Messdaten sind öffentlich zugänglich.

In der nachfolgenden Abb.7 ist für die Masthöhe in 160 m über Grund die Häufigkeit der Windgeschwindigkeit dargestellt. Die rote Balkenkurve zeigt wie häufig weht der Wind in den Windgeschwindigkeitsstufen 0 bis 1 m/s, 1 bis 2 m/s, usw. bis 18 m/s.

Abb.7 - Verteilung der Windgeschwindigkeit in 160 m am KIT Messturm
Abb.7 – Verteilung der Windgeschwindigkeit in 160 m am KIT Messturm

Wie man sieht, ist die Verteilung schief. Es treten zwar hohe Windgeschwindigkeiten auf, aber diese sind selten. Niedrige Geschwindigkeiten sind dagegen häufiger. Weltweit gilt an allen Standorten für die Windgeschwindigkeit eine solche asymmetrische, sogenannte Weibull-Verteilung. Der Mittelwert obiger Verteilung beträgt 5,3 m/s.

Rechenprogramme, die den Stromertrag einer Windkraftanlage berechnen, benötigen technische Daten der Anlage sowie die mittlere Windgeschwindigkeit am Standort. In mehreren Rechenläufen wurde die mittlere Windgeschwindigkeit zwischen 7,5 m/s und 4,8 m/s variiert. Der obere EnBW Schätzwert für den Stromertrag beträgt 76 GWh. Dieser Wert wird bei Annahme einer mittleren Windgeschwindigkeit von 7,5 m/s errechnet. Die beiden nächsten Rechenläufe verwenden 6,6 m/s und 6,0 m/s als mittlere Windgeschwindigkeit. Die erste Geschwindigkeit gilt für die Windmessungen in 200 m. Die zweite Zahl ist die um 10% erniedrigte mittlere Windgeschwindigkeit infolge Turbulenzen beim Überströmen des Heubergs. In den letzten zwei Rechenläufen wird die mittlere Windgeschwindigkeit in 160 m zugrunde gelegt (5,3 m/s), sowie die durch
Turbulenz verminderte Geschwindigkeit (4,8 m/s). Die so erhaltenen Stromertragswerte sind in nachfolgender Abb.8 mit roter Farbe eingezeichnet. Der obere EnBW Stromertrag (76 GWh) wird für den Vergleich mit den Berechnungen zu 100% gesetzt. Die Stromertragswerte gehen zurück auf 78% bzw. 63% sofern mit mittleren Windgeschwindigkeiten von 6,6 m/s bzw. 6,0 m/s gerechnet wird. Mittlere Windgeschwindigkeiten von 5,3 m/s bzw. 4,8 m/s ergeben Ertragswerte von nur noch 45% bzw. 34% des EnBW Wertes. Gleichzeitig geht die Zahl der Volllaststunden (Zahlen in braun) von über 2000h auf unter 1000h zurück. Eine Auswertung aller bereits in Betrieb befindlicher WKAs in Deutschland ergab: Volllaststunden größer als 2000h werden nur in Küstennähe erreicht, in Norddeutschland werden etwa 1700h und im „Schlusslichtland” Baden-Württemberg wird kaum 1200h erreicht.

Abb.8 - Stromertrag, Stromgestehungskosten und Volllaststunden als Funktion
der mittleren Windgeschwindigkeit
Abb.8 – Stromertrag, Stromgestehungskosten und Volllaststunden als Funktion der mittleren Windgeschwindigkeit

Das Fazit dieser Berechnungen ist: Der realistische Stromertrag der WKAs am Hinteren Heuberg liegt zwischen 60% und 40% des EnBW Schätzwertes. Was dies für die Rentabilität, ausgedrückt in Stromgestehungskosten, bedeutet, wird in den Schlussfolgerungen ausgeführt.

Sichere Stromversorgung durch Windenergie?

Ein großes Problem für eine sichere Stromversorgung mit Windenergie ist die Variabilität des Windes und die Proportionalität des Stromertrags von der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit.

Anschaulich wird dies bei genauerem Betrachten der Abbildung 9. Geringe Windgeschwindigkeiten bis 3 m/s haben eine Häufigkeit von knapp 30%. Das entspricht etwa 3,4 Monate. In dieser Zeit wird kein Strom erzeugt. Kein Haushalt kann mit Strom versorgt werden. In weiteren 3,6 Monaten ist der Wind mäßig (zwischen 3 m/s und 4 m/s) und so können nur 8% des Jahresstromertrags erzeugt werden. Starkwindlagen sind selten; aber dann wird in 14 Tagen fast ein viertel des Jahresstromertrags erzeugt.

Ein Haushalt benötigt durchschnittlich 10 kWh Strom pro Tag. Die Versorgungsleistung ist im Mittel dann 10 kWh/24h = 0,41 kW. Für die Dauer von 3,6 Monate – Windgeschwindigkeiten zwischen 3 m/s und 4 m/s – reicht die Stromerzeugung einer WKA für die Versorgung zwischen 243 und 732 Haushalten. Haushalte verbrauchen den Strom aber zeitlich sehr unterschiedlich. Wird beispielsweise um die Mittagszeit intensiv gekocht, kann der Bedarf eines Haushaltes auf 4,1 kW ansteigen. Dann sinkt die Zahle der versorgten Haushalte ab auf ein Zehntel, also 24 bis 73!

Während Starkwindlagen (Windgeschwindigkeit ≥ 10 m/s) können dann aber zwischen 10 122 und 13 658 Haushalte mit Windstrom versorgt werden. (Zahl der „kochenden” Haushalte 1 012 bis 1 365). Allerdings ist dies nur an 14 Tagen möglich.

Abb.9 - Andauer der Windgeschwindigkeit und Stromertrag
Abb.9 – Andauer der Windgeschwindigkeit und Stromertrag

Materialbedarf, Flächenbedarf und Zufahrten

Da die EnBW bezüglich Materialbedarf bisher keine Angaben machte, werden im folgenden die publizierten Mengenangaben für eine ENERCON E-126 WKA verwendet. Dieses Windrad ist etwa um 20% in Größe und Leistung kleiner als die bei Weingarten geplanten WKAs. In den nachfolgenden Angaben für eine Anlage ist daher ein Zuschlag von 20% eingerechnet.

Gewicht Turm3 400 t
Gewicht Maschinenhaus260 t
Größe des Maschinenhauses18 x 6 x 6 m³
Gewicht Rotor400 t
Fundament1 600 t Beton und 200 t Stahl
Größe des Fundaments30 m Durchmesser mit 5 m bis 7 m Tiefe
Gesamtgewicht für einer WKA5 860 t
Gesamtgewicht aller 5 WKAsrunde 30 000 t

Die Zufahrt aller Materialien und Bauteile wird wahrscheinlich über das Mauertal erfolgen. Ohne Ausbau und Ertüchtigung des bestehenden Betonweges können solche Lasten vom Gewicht und den Ausmaßen nicht transportiert werden. Der Mauertalweg wird dann zu einer Schwertransportstraße!

Als im Zuge der Sperrung der Jöhlingerstraße über eine Umleitung des PKW-Verkehrs über das Mauertal diskutiert wurde, wurde dies aus Umweltschutzgründen, Beeinträchtigung der Landwirtschaft, usw. kategorisch abgelehnt.

Für jede WKA im Wald müssen inklusive Infrastrukturfläche etwa 10 000 m² Waldfläche gerodet werden. Davon kann nur ein kleiner Teil wieder aufgeforstet werden. Dauerhaft versiegelt bleiben die Grundfläche des Fundaments mit ca. 600 m² und die Kranstellfläche mit ca. 1 800 m² sowie die Zuwegung.

Abb.10 - Autobahnbreite Zufahrten zu eine WKA im Hessischen Bergland
Abb.10 – Autobahnbreite Zufahrten zu eine WKA im Hessischen Bergland

So wie in Abbildung 10 dargestellt könnten die Zufahrten am Hinteren Heuberg auch bald aussehen. Abbildung 11 zeigt die Rodungsflächen für drei WKAs bei Hassel, Südschwarzwald, die nicht wieder aufgeforstet werden dürfen. Abgeschätzt ist dies eine Fläche von 3 ha. Die Abholzfläche am Hinteren Heuberg in Weingarten wird um 10 bis 20% größer sein, da
die Rotorblätter einer WKA in Weingarten um 28% länger sind.

Abb.11 - Gerodete Waldfläche für drei WKAs am Standort Hassel bei Todtmoos
Abb.11 – Gerodete Waldfläche für drei WKAs am Standort Hassel bei Todtmoos

Als die Firma Rhein Petrolium ihr Projekt Erdölförderung am Baggersee vorstellte und Zahlen zur Bodenversieglung (0,8 ha) und Flächenverbrauch nannte (3 ha), kritisierten alle Fraktionen des Gemeinderats dies vehement. Das EnBW Projekt „WKAs am Hinteren Heuberg” zweckentfremdet deutlich mehr Fläche.

Wie viele Bäume im Hinteren Heuberg gerodet werden müssen, kann der Author nicht abschätzen. Zur Erinnerung: bei den Projekten „Stuttgart 21” und „Hambacher Forst” wurde um jeden Baum, der gerodet werden sollte, erbittert gekämpft. Auch die dauerhafte Bodenversiegelung, immerhin in der Größe von mehr als einem halben Fußballfeld, passt nicht in das Selbstverständnis einer Gemeinde, die viel Wert auf eine intakte Natur legt.

Schlussbemerkungen

1 Dem im Jahr 2019 erschienen Bericht über regenerative Energien in Baden-Württemberg ist zu entnehmen, dass Ende 2018 in BW alle WKAs eine Gesamtkapazität von 1 534 MW hatten. Die Anzahl der Windräder betrug über 700. Ihr Stromertrag im Jahr 2018 erreichte 2 279 GWh. An der gesamten Strommenge in BW (60 277 GWh) ist dies ein Anteil von 3,78%. Nehmen wir an, dass der Stromertrag durch die WKA bei Weingarten 48 GWh (=48 000MWh) sein wird. Dann würde der „Windstromanteil“ im BW-Strommix auf 3,86% anwachsen. Dies wäre eine winzige Zunahme um 0,08%!

2 Nach den Plänen des Baden-Württembergischen Umweltministers Untersteller soll der Windstromanteil im Land auf 10% anwachsen damit die Energiewende ein Erfolg wird. Rein rechnerisch müssen in BW also noch weitere 78 ähnliche Anlagen, wie die bei Weingarten, errichten.

In BW gibt es 35 Landkreise. Also in jedem Landkreis sollten zwei Windkraftindustrieanlagen mit den Ausmaßen der Anlage bei Weingarten gebaut werden. Ist das realistisch? Und woher kommen dann die restlichen 90% unseres Stroms?

Aber auch wenn dieser Ausbau erfolgen würde, wird wegen der ungünstigen Windverhältnisse in BW 6 bis 7 Monaten, kein oder nur wenig Windstrom geliefert. Die meteorologische Wissenschaft weiß übrigens seit langem, dass Baden-Württemberg das windärmste Bundesland in Deutschland ist.

3 Die bei der Presse beliebte Aussage „Die Windräder können so und so viel
Haushalte mit Strom versorgen” ist falsch. Denn wenn der Wind nur „säuselt” (Windgeschwindigkeit unter 3m/s) dreht sich der Rotor nicht und es wird kein Strom geliefert. Am Hinteren Heuberg ist dies in mehr als 3 Monaten der Fall.

4 Windenergieanlagen sind auch Kapitalanlagen. Investoren geben ihr Geld und wollen es wieder haben. Außerdem soll dieses Kapital noch Rendite in Form von Dividenden oder Zinsen erbringen. All dies muss über die Laufzeit durch den Stromertrag erwirtschaftet werden. Allerdings fallen auch Betriebskosten an, die ebenfalls aus dem Stromertrag bestritten werden müssen. Die Stromgestehungskosten bei einer betriebswirtschaftlichen Rechnung sind in Abb.8 dargestellt. Die blaue Kurve zeigt, dass beim Übergang von einer mittleren Windgeschwindigkeit von 7,5m/s auf 5,3m/s sich die Stromgestehungskosten mehr als verdoppeln.

5 Alle Befürworter*innen für den Bau dieser fünf „Monster-Windräder” auf dem Hinteren Heuberg sollten sich ernsthaft prüfen, ob dieser wenig windhöffige Standort ökonomisch, ökologisch und ethisch sinnvoll ist.

6 Wenn Sie aktuelle Information über Stromerzeugung (Mengen, Herkunft, CO2 Intensität und Import/Export über Ländergrenzen sehen wollen, empfehle zwei kostenlose Apps: Die App – E-Cockpit – der ENBW zeigt die aktuelle Leistung aller von ENBW in Deutschland betriebenen regenerativen Anlagen. unterteilt in Fotovoltaik, Wind-Onshore, Wind-Offshore und Laufwasser. Die App – electricityMap – zeigt für alle Länder in Europa und weltweit aktuelle Daten über Stromerzeugung. Also: welche Leistung, wie und mit welcher CO2 Intensität wird Strom bereitgestellt, was kostet der Strom momentan und wie sind die Export/Import Stromflüsse.