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Ökobilanz der Windenergie

Wie viel CO2 ein Windrad einspart

Bevor sie CO2-freien Strom erzeugen, wird beim Bau von Windrädern erst einmal CO2 frei. Wie viel Treibhausgas vermeiden sie dann überhaupt? Eine Studie liefert Antworten: Die Ökobilanz fällt schon nach wenigen Monaten positiv aus.

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    Offshore-Windpark Anholt in Dänemark: Die für die Herstellung der Windräder und ihre Installation aufgewendete Energie beeinflusst die Ökobilanz der Anlagen.

    Offshore-Windpark in Dänemark: Wie lang dauert es, bis die Windräder mehr Energie erzeugen, als für ihren Bau nötig ist?

     

    Von Peter Ringel

    Die Dimensionen moderner Offshore-Windräder sind gewaltig. Allein die Gondel mit der Turbine darin wiegt mehr als 250 Tonnen, der Turm und das Fundament darunter ein Vielfaches. Verbaut sind vor allem Stahl und Gusseisen, Kupfer und Alu – Metalle, für deren Produktion viel Energie nötig ist. Hinzu kommen Tausende Liter Schiffsdiesel, die während des Transports und der Installation der Anlagen auf See verbraucht werden. Eine große Hypothek für die Klimabilanz der Windräder. Doch trotz dieses Aufwands dreht die Bilanz schon nach wenigen Monaten ins Positive: Die Anlagen haben dann mehr Energie erzeugt, als für ihren Bau und die Installation nötig war.

    Zu diesem Ergebnis kommen zahlreiche Studien. Viele davon sind allerdings mehr als zehn Jahre alt und spiegeln den Stand der damals weniger leistungsstarken Technologie. Zudem rechnen die Studien unterschiedlich: Mal wird nur die Herstellung der Anlage betrachtet, mal fließen auch Transport, Wartung und Rückbau in die Bilanz ein. Mehr Klarheit bringt eine detaillierte Studie im Auftrag des Umweltbundesamts (UBA) vom vergangenen Jahr. Untersucht wird darin die Bilanz von Windrädern samt ihrer Anbindung an das Stromnetz für drei Standorte in Deutschland: auf See, in windreichen Gebieten an Land und in Schwachwindzonen an Land.

    Das Ergebnis: Offshore-Windparks vermeiden am meisten Treibhausgas; sie kommen dank der stetigen und starken Winde auf See auf die höchste Zahl von sogenannten Volllaststunden. Onshore-Windräder in Starkwindzonen schneiden ähnlich gut ab, gefolgt von Anlagen in Schwachwindzonen.

    Die Windräder werden effizienter. Damit verbessert sich auch die Ökobilanz

    Auf den gesamten Lebenszyklus des Windrads gerechnet werden demnach je Kilowattstunde Offshore-Strom 7,3 Gramm CO2-Äquivalente ausgestoßen. Bei Onshore-Anlagen in Starkwindregionen sind es 7,9 Gramm, bei Standorten mit schwachem Wind 10,6 Gramm. Dabei wird für Standorte an Land eine Betriebszeit von 20 Jahren zugrunde gelegt, bei den robusteren Turbinen auf See geht die Studie von 25 Jahren aus. Legt man dieselbe Laufzeit für alle Standorte zugrunde, schneidet der Onshore-Windpark in der Starkwindzone am besten ab.

    Von 2 auf 15 Megawatt: Die Leistung von Offshore-Windrädern ist förmlich explodiert. Die Infografik zeigt wesentliche Entwicklungssprünge und einen Größenvergleich zum Kölner Dom.

    Mit der wachsenden Leistung von Windrädern verbessert sich die Ökobilanz. Offshore-Turbinen sind besonders groß. Aber auch an Land werden bereits Sechs-Megawatt-Turbinen geplant.

    „Die Studie zeigt, dass die Hersteller ihre Windenergieanlagen in den letzten Jahren technologisch stark verbessern konnten“, sagt Aline Hendrich, Co-Autorin der Untersuchung, im Gespräch mit EnergieWinde. Der Stromertrag steigt, Ressourcen werden effizienter eingesetzt. Beides kommt der Ökobilanz zugute, erklärt die inzwischen für die Hochschule Pforzheim tätige Expertin.

    Rohstoffe, Installation, Rückbau: Alles fließt in die Rechnung mit ein

    Das Autorenteam betrachtet den kompletten Lebensweg vom Rohstoffabbau über Herstellung und Installation bis zum Rückbau. Berücksichtigt werden neben dem Windrad selbst auch die Verkabelung im Windpark sowie Umspannwerke. Auf See wird eine Acht-Megawatt-Anlage zugrunde gelegt, an Land für Starkwindzonen eine 3,6-Megawatt-Anlage und eine 3,8-Megawatt-Turbine mit größeren Rotoren und höherer Nabe für Gebiete mit schwachem Wind.

    Die Untersuchung des Ökobilanz-Spezialisten Sphera und des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik basiert auf Angaben von Herstellern und Betreibern, Literaturdaten und Expertenschätzungen. Rohdaten stammen unter anderem von Enercon, Siemens Gamesa und Vestas sowie von der Salzgitter AG und Vattenfall.

    Bau eines Windparks in Brandenburg: Wie viel CO2 ein Windrad im Laufe seines Lebens einspart, hängt vor allem vom Standort und der Laufzeit ab.

    Onshore-Windräder liefern in der Regel mindestens 20 Jahre lang sauberen Strom. Wird dieselbe Menge mit Kohle- und Gaskraftwerken erzeugt, gelangen viele Zehntausend Tonnen CO2 in die Luft.

    Wie viel CO2 der Atmosphäre während der gesamten Betriebszeit eines Windrads durch den von ihm erzeugten Ökostrom erspart wird, beziffert die Studie nicht. Es lässt sich aber überschlägig ableiten, indem man den Treibhausgasausstoß pro Kilowattstunde in der Windenergie mit dem vergleicht, der im Strommix über alle Energieträger hinweg anfällt. Während eine Offshore-Turbine 7,3 Gramm Treibhausgas pro Kilowattstunde verursacht, waren es im deutschen Strommix von 2020 laut dem Umweltbundesamt insgesamt 366 Gramm. Bei einem theoretisch erreichbaren Ertrag von gut 800 Gigawattstunden könnte eine moderne Anlage in der deutschen Nordsee während ihres Lebenszyklus demnach rund 290.000 Tonnen Treibhausgas vermeiden. Im realen Betrieb dürfte es gut ein Viertel weniger sein.

    Selbst wenn die Anlagen nur kurz in Betrieb sind: Die Klimabilanz fällt positiv aus

    Diese Rechnung ist allerdings theoretisch; sie geht davon aus, dass der Strommix gleich bleibt. Tatsächlich dürfte er sich in den Jahren der Betriebszeit des Windrads aber ändern. Und je grüner der Strommix wird, desto weniger CO2 lässt sich mit Windrädern „einsparen“. Klingt paradox, ist aber logisch: In einer zu 100 Prozent auf Erneuerbaren basierenden Welt fallen schlicht keine Treibhausgase mehr an, die vermieden werden könnten. Wird der Strom dagegen überwiegend aus besonders klimaschädlicher Braunkohle gewonnen, ist der Vermeidungseffekt eines Windrads umso größer.

    Während die Menge des vermiedenen CO2 vom künftigen Strommix abhängt und damit spekulativ ist, lässt sich ein anderer Maßstab sicherer anlegen: die sogenannte Energy Payback Time. Sie beschreibt, wie lange es dauert, bis ein Windrad genauso viel Ökostrom erzeugt hat, wie an nicht erneuerbarer Energie für seine Produktion und Installation eingesetzt wurden. In Deutschland ist das je nach Standort bereits nach zwei- bis viereinhalb Monaten der Fall. Selbst wenn ein Windrad schon nach einem halben Jahr wieder stillgelegt werden würde, hätte es sich aus energetischer Sicht also amortisiert.

    Mit der Wassertiefe steigt der Aufwand – das wirkt sich auf die Bilanz aus

    Neben dem Basisszenario nimmt die Studie mehrere Varianten in den Blick. Für Offshore-Anlagen sind dies die Wassertiefe, die Volllaststunden und die Anrechnung des Recyclings. Dadurch reicht die Bandbreite von 5,4 bis 11,8 Gramm Treibhausgas, die über den gesamten Lebenszyklus pro generierter Kilowattstunde verursacht werden. Im Basisszenario liegt die Wassertiefe bei 20 Metern. Bei einer Verdoppelung braucht es bis zu 85 Prozent mehr Material für das Fundament. Außerdem steigt der Aufwand bei Installation und Rückbau um ein Fünftel. In der Ökobilanz führt es zu einem 22 Prozent höheren Ausstoß an Treibhausgas, wenn ein Windpark in besonders tiefem Wasser errichtet wird.

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    Eine lange Anlagenlaufzeit ist eine entscheidende Stellschraube für die Ökobilanz

    Aline Hendrich, Co-Autorin der Studie des UBA

    Welchen Einfluss die Bauweise des Turms bei Onshore-Windparks hat, zeigt die Studie für Schwachwindstandorte. Dort hängt der Stromertrag mehr noch als in günstigen Lagen von der Nabenhöhe ab. Kommt anstelle des üblichen Stahlrohr- oder Hybridturms mit Beton ein Gitterturm zum Einsatz, verbessert sich die Ökobilanz um ein Viertel. Wie gut sie am Ende ausfällt, hängt allerdings nicht nur vom Bau der Anlagen ab. Maßgeblich sind auch Windbedingungen und Nutzungsdauer, erklärt Hendrich: „Eine lange Anlagenlaufzeit ist eine entscheidende Stellschraube für die Ökobilanz.“

    Wind- schneidet besser ab als Solarenergie. Trotzdem sind beide Quellen nötig

    Die Studie nimmt auch die Fotovoltaik in den Blick. Eine Solarstromanlage verursacht in Deutschland demnach je nach Standort 17 bis 63 Gramm Treibhausgas pro Kilowattstunde. Wesentlich für die Ökobilanz sind dabei die Fragen, welche Modultechnologie eingesetzt wird und wie groß der Anteil von schmutzigem Kohlestrom in dem Land ist, in dem die Module hergestellt werden.

    Windrad in Nordrhein-Westfalen: Wie viel CO2 spart ein Windrad im Laufe seines Lebens ein? Die Rechnung hängt u.a. vom Standort und dem zugrundeliegenden Strommix ab.

    Windrad in NRW: Im deutschen Strommix werden im Durchschnitt 366 Gramm CO2 je erzeugter Kilowattstunde frei. In der Windenergie sind es selbst an windarmen Standorten nur 10,6 Gramm.

    In der Ökobilanz schneidet die Windkraft somit besser ab. Daraus lässt sich laut Hendrich aber nicht ableiten, dass man Windkraft aus Klimaschutzgründen stärker als Fotovoltaik gewichten sollte. „Für die Energiewende ist ein Mix unabdingbar“, betont Ökobilanzexpertin Hendrich. „Eine stabile Stromversorgung benötigt mehrere Technologien.“

    Die Stahlproduktion muss grün werden. Dann verbessert sich die Ökobilanz weiter

    Windkraftanlagen haben eine hervorragende Klimabilanz. Wer sie weiter verbessern will, kommt vor allem bei Offshore-Anlagen nicht am Stahl vorbei – allein die Monopiles wiegen rund 1000 Tonnen. Bei der konventionellen Herstellung landet für jede Tonne Stahl rund eine halbe Tonne Koks im Hochofen. Würde stattdessen erneuerbar produzierter Wasserstoff verwendet, hätte ein Windpark aus grünem Stahl eine noch bessere Ökobilanz. Bis dahin ist es jedoch noch ein weiter Weg. Um per Elektrolyse genug grünen Wasserstoff zu produzieren, ist weitaus mehr Ökostrom nötig, als bislang in Deutschland erzeugt wird. Damit Windkraftanlagen noch klimafreundlicher werden, braucht es also vor allem: noch mehr Windkraftanlagen.

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