Ein Windenergieprojekt kann grob in drei Phasen eingeteilt werden:
In jeder Phase gibt es folgende drei Gesichtspunkte zu beachten:
Bild 1 zeigt schematisch den zeitlichen Ablauf des Planungsverfahrens bis zur Realisierung des Vorhabens sowie den Betrieb bis hin zum Rückbau der Anlagen. Die Planungsphase gliedert sich in die Abschnitte:
Bild 1: Ablaufdiagramm eines Windenergieprojekts [1]
Im Rahmen der Vorklärung sollte die grundsätzliche Realisierbarkeit des Vorhabens am gewählten Standort geprüft werden, bevor mit weiteren formalen und kostenbehafteten Schritten der Standortanalyse und der Planung begonnen wird.
Besondere Bedeutung kommt bei der Standortauswahl der Einschätzung und Beurteilung der Windverhältnisse zu. Denn 10% weniger Windgeschwindigkeit als erwartet bedeuten einen Minderertrag von über 30%, was schnell zu wirtschaftlichen Problemen führen kann. Ein erster Schritt zur Windprognose ist neben der Bewertung der aus allgemeinen meteorologischen Daten ermittelbaren Windgeschwindigkeitswerte eine Prüfung der Orographie des ausgewählten Standortes, d.h. der Geländestruktur, der Bodenrauigkeiten sowie der Art und Größe der Berandungen des Geländes. Ferner sind einzelne Hindernisse, wie Baumreihen, Gebäude oder vorhandene Windkraftanlagen genau zu registrieren. Schon hier ist die Heranziehung eines erfahrenen Fachberaters erforderlich, durch den dann auch die weitere Vorgehensweise und die Methodik zur genaueren Ermittlung des Windenergiepotenzials festgelegt werden sollte. Zur Messung, Simulation der Windverhältnisse eines Standortes sowie deren Bewertung sind verschiedene Verfahren üblich. In Abhängigkeit von den lokalen Bedingungen, aber auch von der Qualität eventuell regional verfügbarer Winddaten, z.B. aus Messstationen, wird dann entschieden, welche Methoden zum Einsatz kommen sollten und inwieweit längere eigene Windmessungen zu sicheren Beurteilung der Standortverhältnisse erforderlich sind.
Es sollte daher frühzeitig durch eine Anfrage beim lokalen Netzbetreiber die mögliche Netzverknüpfungsleistung, die Entfernung zum nächst möglichen Einspeisepunkt und das Spannungsniveau für den Netzanschluss geklärt werden. Bei größeren Windparkleistungen (> 20 MW) kann es sinnvoll oder auch notwendig sein, ein eigenes Umspannwerk zu bauen. Aus diesen beiden Randbedingungen (verfügbare Grundfläche und Netzkapazität) können Anzahl und Nennleistung der infrage kommenden Windkraftanlagen abgeschätzt werden. Dies ist die Grundlage für die erste Ertragsprognose.
Der zu erwartende Ertrag wird mit Hilfe der für jeden Windrichtungssektor ermittelten Häufigkeitsverteilungsfunktion der Windgeschwindigkeit und der Leistungskennlinie der vorgesehenen Windkraftanlagen sektorenweise ermittelt. Dies ist erforderlich, um bei der Aufstellung der Anlagen im Windpark die im Hinblick auf den Gesamtenergieertrag optimale Anordnung zu finden und die unvermeidlichen Wechselwirkungen der Anlagen untereinander (gegenseitige Windabschattung) zu minimieren. Dies geschieht beim Windparklayout (siehe Bild 2).
Vorrangiges Kriterium bei der optimalen Anordnung der Windkraftanlagen auf dem vorgesehenen Gelände ist natürlich die Erzielung eines möglichst hohen Energieertrages des gesamten Windparks über dessen Betriebszeitraum. Aber auch die Installationsbedingungen und –kosten z.B. für Leitungsführung von den Anlagen zu Trafo- und Übergabestationen sowie die Wegerschließung für Montage-, Wartungs- und Servicefahrzeuge haben Einfluss auf die Anlagenanordnung. Inzwischen existieren bewährte Planungsinstrumente, z.B. Software wie WinPro, Windfarmer, u.a, die effizient und rasch zu optimierten Windparkauslegungen führen.
Weitere Einschränkungen im Windparklayout, z.B. durch vorgeschriebene Abstände zu Bebauungen, Umweltschutzauflagen oder festgelegte maximale Bauhöhe, kommen nicht nur aus technischen Überlegungen sondern auch aus Gesetzen und Auflagen der Träger öffentlicher Belange. Es ist günstig, sich vorab über solche Einschränkungen zu informieren, bevor Auflagen im Rahmen des Genehmigungsverfahrens eine zeit- und kostenintensive Änderung der Planung erforderlich machen.
Bild 2: Windparklayout mit geplanter Infrastruktur [1]
Die Eigentumsverhältnisse der relevanten Flurstücke sind zu klären und Pachtverträge mit den Grundeigentümern, oder zumindest Vorverträge, abzuschließen. Die Untersuchung der örtlichen Rahmenbedingungen geschieht in erster Linie, um die praktische Umsetzung des Projektes zu sichern. Es ist hierfür festzustellen,
Ferner ist für die gesamte Betriebsdauer der Zugang zu allen Anlagen für Service, Wartung und Reparatur zu gewährleisten.
Für jede Windkraftanlage ist ein eigenes Bodengutachten erforderlich, um die Mindesttragfähigkeit des Untergrunds für die Fundamentierung zu klären. Daraus ergibt sich die Fundamentbauform. Üblich sind Flachfundamente oder bei zu weichen Böden Pfahlfundamente.
Die Zuwegung und Transportmöglichkeiten für die Aufstellung sowie der Platz vor Ort für die Kranaufstellung sind zu prüfen. Die Anlieferung der großen Anlagenkomponenten, wie Turmschüsse und Rotorblätter, zur Baustelle behindern eventuell Bebauungen (z. B. auch historische Bauwerke), Brückendurchfahrten, Freileitungen, Verkehrsschilder, Bahnlinien, Antennen, kurvige Strassen mit Alleebäumen, Gewässer usw. Weiterhin sind klimatische Bedingungen wie zeitweilig starke Regenfälle und Stürme zu beachten.
Der Ort und die Art (z.B. das Spannungsniveau) des Netzzuganges werden ermittelt. Im einfachen Fall wird eine kurze Stichleitung vom Windpark zum Einspeisepunkt gebaut. Gegebenenfalls wird die Stromleitung auch direkt bis zum nächsten Umspannwerk gelegt. Dort ist entweder die entsprechende Netzkapazität verfügbar oder es wird eine eigene Zelle im Umspannwerk hinzugefügt. Sehr große Projekte benötigen oft ein eigenes Umspannwerk, so dass der Windpark in höhere Spannungsebenen einspeisen kann. Die Weglängen und die Art der Kabeltrasse sind unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu prüfen. Bei langen Kabeltrassen ist eventuell eine aufwändigere Planung mit eigener Umweltverträglichkeitsprüfung (s.u.) erforderlich.
Bei der Prüfung der genehmigungsrechtlichen Zulässigkeit eines Windparks oder einer einzelnen Windkraftanlage ist das jeweilige Baurecht maßgebend.
Außerdem sind in den meisten Ländern bereits in der Planungsphase die Umweltauswirkungen der Anlage zu prüfen. Dies geschieht in der Regel im Rahmen einer Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP).
Es wird geprüft, ob die Umweltstörung durch die Errichtung und den Betrieb von Windkraftanlagen im Sinne des Naturschutzes hingenommen werden kann. Der Tier- und Pflanzenschutz wird gegebenenfalls durch weitere Gutachten geprüft, z.B. zum Schutz der Nist-, Rast- und Ruheplätzen von Vögeln.
Die zuständige Behörde prüft, ob unter Berücksichtigung der gesetzlichen Kriterien erhebliche nachteilige Umweltauswirkungen zu erwarten sind. Besteht eine Pflicht zur Umweltverträglichkeitsprüfung, so sind die Kartierungen von Biotopen, Pflanzen und Tierarten, z.B. Brut-, Rast- und Zugvögeln sowie Fledermäusen, und die Bewertung des Landschaftsbildes wesentliche Bestandteile.
Zu den Nachweisen über die Auswirkungen der Windkraftanlagen auf Mensch und Umwelt gehören:
Für Schallimmissionen existieren gesetzliche Vorschriften mit Vorgaben des zulässigen Schallpegels je nach Gebiet (Wohn-, Industrie-, Dorfgebiet, usw.) und Tageszeit. Die Schall-Emissionsmessungen an Windkraftanlagen im Rahmen der Typenprüfung, üblicherweise nach IEC 61400-11, ergeben für den jeweiligen Anlagentyp den Schallleistungspegel sowie eventuelle Zuschläge für Tonhaltigkeit (z.B. dominante Einzeltöne) und Impulshaltigkeit (eher niederfrequente, rhythmische Impulse). Diese Merkmale werden vom Menschen als besonders auffällig und unangenehm wahrgenommen und stammen z.B. vom Getriebe, Generator oder Umrichter. Aus den Ergebnissen der typenbezogenen Schall-Emissionsmessungen einer Anlage lassen sich dann die Schallimmissionen am Aufstellungsort prognostizieren.
Die Schallabstrahlung einer Windkraftanlage ist nie konstant, sondern stark von der momentanen Leistung und somit von der Windgeschwindigkeit abhängig. Man rechnet überschlägig mit ca. 1 dB(A) Pegelzuwachs bei Zunahme der Windgeschwindigkeit um 1 m/s. Allerdings steigen auch die Windgeräusche z.B. in Bäumen und Büschen, so dass diese meist lauter sind als der Maschinenlärm. Die Schallabstrahlung ist weiterhin richtungsabhängig, was in den Messungen der unabhängigen Prüfinstitute und auch ebenfalls in den Planungsprogrammen berücksichtigt wird.
Der Schallleistungspegel wird logarithmisch angegeben. Eine Zunahme um 3,01wirkt sich als Verdopplung der wahrgenommenen Lautstärke aus.
Im Rahmen der Projektierung werden Karten mit Isophonen, d.h. Linien gleichen Schallleistungspegels, für den geplanten Standort erstellt, Bild 3. Die Überlagerung der Schallleistungspegel mehrerer Anlagen ergibt den Gesamtschallleistungspegel. Auf diese Weise lassen sich schallkritische Gebiete identifizieren und Verbesserungen durch Änderungen in der Aufstellung oder Anlagenwahl vornehmen, mit denen dann vorgeschriebene Mindestabstände erfüllt sind.
Bild 3: Windpark-Lageplan mit Isophonen aus der Schallprognose [1]
Sollten die auftretenden Schallleistungspegel durch den betroffenen Anwohner angezweifelt werden, ist eine Nachmessung durch das Gewerbeaufsichtsamt erforderlich. Erteilt dies Auflagen, z.B. nachts bei bestimmter Windrichtung, so gibt es bei drehzahlvariablen Anlagen mit Pitch-Regelung notfalls die Möglichkeit eines schallreduzierten Betriebs mit geringerer Drehzahl und somit reduzierten Strömungsgeräuschen. Bei Stall-Anlagen mit fester Drehzahl und ohne Blattverstellung sind diese technischen Möglichkeiten nicht gegeben. Im Ernstfall droht dem Betreiber eine so genannte Nachtabschaltung, was bei längeren Zeiträumen zu erheblichen Ertragseinbußen führt. Auf eine vorsichtige Schallimmissionsprognose mit großzügigen Sicherheitsabständen ist daher besonderes Augenmerk zu legen.
Ein weiterer genehmigungsrelevanter Aspekt ist das mögliche Auftreten von periodisch wechselndem Schlagschatten, den der drehende Rotor bei Sonnenschein erzeugt und der als unangenehm empfunden werden kann. Auch dieser Punkt wird in der Planung durch Berechnungen als „worst case“ prognostiziert, d.h. ohne Berücksichtigung von atmosphärischer Trübung und Wolken. Die Berechnungen basieren auf den standortbezogenen Sonnenverlaufsbahnen, der Nabenhöhe und dem Rotordurchmesser der Anlagen. Bild 4 zeigt eine solche Prognose exemplarisch für zwei Windkraftanlagen eines Windparks. Der vom Gesetzgeber definierte Grenzwert beträgt wenige Stunden im Jahr. Um ihn an problematischen Standorten einzuhalten, kann die Windkraftanlage mit einer speziellen Sensorik ausgestattet werden, die zu einer automatischen Abschaltung führt, wenn das Zusammentreffen der kritischen Betriebsbedingungen detektiert wird. Dies sind laufende Anlage bei relevanter Windrichtung und -geschwindigkeit, klarer Himmel und ein bestimmter Sonnenstand.
Bild 4: Windpark-Lageplan mit Isolinien der Schattenwurfdauer in Stunden pro Jahr [1]
Für die Realisierung eines Windparks ist die Wirtschaftlichkeit von entscheidender Bedeutung. Ist diese nicht gegeben, ist das Projekt nicht lohnenswert und sollte daher gar nicht erst umgesetzt werden. Hierbei ist zu beachten, dass über die Betriebszeit von ca. 20 Jahren diverse Kostenpunkte wie z.B. der real erzielte Ertrag und nötige Reparaturen mit Prognoseunsicherheiten behaftet sind. Für die Wirtschaftlichkeit sind einerseits die Investitionskosten, die im Wesentlichen von den Kosten der Windkraftanlagen selbst abhängen und die Betriebskosten relevant. Andererseits ist für die erwirtschafteten Einnahmen die Vergütung für den ins Netz eingespeisten Strom maßgebend. Hier sollte ein möglichst langfristiger Einspeisevertrag (ppa: power purchase agreement) mit festgelegten Preisen abgeschlossen werden. Nur bei ausreichender Laufzeit des Einspeisevertrags (i.d.R. Minimum 10 Jahre) und herrschender Rechtssicherheit ist die Finanzierbarkeit des Vorhabens gegeben. Bei der Bewertung der Wirtschaftlichkeit müssen schon in der Planung Kosten für den laufenden Betrieb (Wartung, Reparatur, Versicherung, u.a.) sowie Rückstellungen für den Rückbau der WKA angemessen kalkuliert werden. Sonst ist weder wahrscheinlich, Investoren und Banken von der Finanzierung des Projekts überzeugen zu können noch den Betrieb des Windparks wirtschaftlich sicher zu stellen. Ist die Planung eines Windenergieprojekts jedoch mit positivem Ergebnis in allen Teilschritten erfolgt, kann die Realisierung und der nachfolgende Betrieb begonnen werden.
[1] Quelle: Verkürzte Version des Kapitels Planung, Betrieb und Wirtschaftlichkeit von Windkraftanlagen aus:
Gasch/Twele (Hrsg.):Windkraftanlagen – Grundlagen und Entwurf, Planung und Betrieb, Teubner-Verlag, 2005