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Titel
Lebenszyklusanalyse von Windkraftanlagen
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4
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In diesem Video befassen wir uns damit, was eine Lebenszyklusanalyse ist und zu welchen Ergebnissen Forschungsarbeiten bei der Analyse von Windkraftanlagen kommen. Wir schließen das Video mit einem Vergleich zu anderen Stromerzeugungsarten. Dieses Material ist Teil der Lehr-Lern-Materialien von „OER4EE - Technologien für die Energiewende“.
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ComputeranimationDiagrammBesprechung/Interview
Vorlesung/KonferenzBesprechung/Interview
Vorlesung/Konferenz
Besprechung/Interview
Vorlesung/Konferenz
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Vorlesung/KonferenzBesprechung/Interview
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Besprechung/Interview
Vorlesung/KonferenzBesprechung/Interview
Vorlesung/Konferenz
Hallo und herzlich willkommen. In dem Video wollen wir mal uns darüber unterhalten, wie die Ökobilanz von Windkraftanlagen aussieht. Und das Video werde ich gemeinsam mit meiner
Kollegin Hanna Neumann präsentieren. Und was gucken wir uns an? Wir wollen uns erstmal angucken, was heißt es überall, eine Ökobilanz zu erstellen bzw. eine Lebenszyklusanalyse. Dann haben Windkraftanlagen schon einige Wissenschaftler untersucht. Da wollen wir uns
ein paar Beispiele von den Ergebnissen angucken. Und dann wollen wir uns die Windkraftanlagen im Bereich der Ökobilanz noch mit anderen Möglichkeiten der Stromerzeugung uns angucken. Ja, was ist denn eine Ökobilanz? Die Ökobilanz ist definiert und sie schätzt auf systematische
Weise die Umweltaspekte und Umweltwirkungen von Produktsystemen ab. Und zwar von der bis zur Beseitigung immer in Übereinstimmung mit dem festgelegten Ziel und dem Untersuchungsrahmen. Und die Beschreibung von Methoden von Ökobilanzen ist festgelegt in der ISO 14.040 und in
der ISO 14.044. Und es gibt auch verfügbare Software, mit denen man eine solche Ökobilanz durchführen kann. Eine Ökobilanz besteht immer aus vier Phasen. Die erste Phase ist immer die Festlegung des Ziels und des Untersuchungsrahmens. Und als Erstes muss dafür
die Systemgrenze definiert werden. Anschließend muss eine funktionelle Einheit definiert werden. Zum Beispiel, dass untersucht werden soll, wie die Auswirkungen sind, wenn man eine Kilowattstunde Strom erzeugen möchte mit einer Windkraftanlage. Und im zweiten Schritt machen
wir dann die Sachbilanz. Das heißt, es geht um die Bestandsaufnahme von den Input- und Outputdaten. Das heißt, wir müssen uns die Daten erstmal beschaffen, die wir benötigen, um die Aussagen, die wir mit einer Studie, einer Untersuchung treffen wollen, zu erreichen. Und Beispiele dafür wären für die Eingabedaten die Materialien, die wir für die
Produktion der Windkraftanlage benötigen. Und als Ausgabedaten hätten wir beispielsweise die Materialien, die wir im Recyclingprozess wieder gewinnen können. Im dritten Schritt kommt dann die Wirkungsabschätzung. Die Wirkungsabschätzung stellt zusätzliche Informationen zur Unterstützung der Einschätzung der Sachbilanzergebnisse eines Produktsystems
dar. Beispiele sind hier die Treibhausgasemissionen, die entstehen, wenn eine Kilowattstunde Strom aus Windenergie erzeugt werden soll, der kumulierte Energiebedarf oder die Versauberung. Und im abschließenden vierten Schritt erfolgt dann die Auswertung. Das heißt, wir haben die Ergebnisse aus dem Schritt zwei und drei und
die werden dann über Einstimmung mit der Zielsetzung und dem Untersuchungsrahmen als Basis für Schlussfolgerungen, für Empfehlungen und Entscheidungshilfen diskutiert und zusammengefasst. Die Ergebnisse basieren auf einem relativen Ansatz, also immer zum
Beispiel auf einer erzeugten Kilowattstunde Strom. Und die Ergebnisse zeigen auch umweltwirkungen. In dieser Folie kann man noch mal die vier Schritte einer Ökobilanz zusammengefasst sehen. Links oben ist die Festlegung des Ziels und des Untersuchungsrahmens, danach kommt die Sachbilanz und dann kommt die Wirkungsabschätzung und am Ende wird die
Auswertung durchgeführt. Und auf der rechten Seite kann man die direkten Anwendungen sehen, für die Ökobilanzen zum Beispiel durchgeführt werden. Das ist einerseits die Verbesserung von Produkten, das ist andererseits die strategische Planung oder politische Entscheidungsprozesse, aber auch Marketing oder andere Beispiele. Und jetzt gucken wir uns mal
an, was für Studien schon erstellt wurden für die Ökobilanz von Windkraftanlagen. Da gibt es etliche, die schon durchgeführt wurden und von der Wiege bis zur Bare den Prozess der Windkraft betrachten. Und so haben zum Beispiel Hapala und Pempreter herausgefunden in ihren
Arbeiten, dass die Umwelteinflüsse hauptsächlich durch den Materialverbrauch bestimmt wird. Und da wiederum vor allem durch die Anwendung von Stahl. Und Mendeca und Lombardi in der sehr ausführlichen Studie haben gesehen, dass die LCA-Studien eine besondere Bedeutung im
vorgelagerten Prozesse besitzen, also beispielsweise im Rohmaterialabbau, in der Produktion der eigentlichen Windkraftanlage und auch noch im Bau der Windkraftanlage. Aber dann im eigenen Betrieb haben wir quasi fast keine Umweltauswirkungen mehr. Ja,
hier auf der Folie sieht man ein Beispiel einer Systemgrenze. Links oben sind als Ausgangsmaterial die Rohmaterialien dargestellt und als nächstes kommen sie zu den Lieferanten und anschließend in die Produktion zur Herstellung der Windkraftanlagen. Sobald die Anlagen fertig sind, erfolgt der Transport und die Installation der Anlagen. Und anschließend folgen Betrieb
und Wartung. Die Anlagen produzieren dann eben elektrische Energie und nach Ablauf der Lebenszeit erfolgt dann Rückbau und Transport. Ein Teil wird recycelt und der Rest wird eben entsorgt. An dieser Stelle möchte ich eine Studie vorstellen, die die Ökobilanz von zwei Onshore- und von zwei Offshore-Windkraftanlagen untersucht. Die
funktionelle Einheit dieser Studie ist die Bereitstellung von einer Kilowattstunde elektrischer Energie. Die Systemgrenze beinhaltet dabei alle Anlagenkomponenten von der Anlage bis zur Netzeinspeisung. Und in dieser Tabelle hier sieht man, dass pro Kilowattstunde zwischen 5
und 11 Gramm CO2-Äquivalent erzeugt werden. Unten sieht man die Vergleichswerte für Kohle und Erdgas. Bei Kohle sind das 990 Gramm CO2-Äquivalent pro Kilowattstunde und bei Erdgas sind es 530, also deutlich mehr. Außerdem ist in der Tabelle noch die Energy
Payback Time angegeben. Das ist die Zeit, die eine Windkraftanlage in Betrieb sein muss, um die Energie zu erzeugen, die sie an Primärenergie während ihrer gesamten Laufzeit verbraucht hat. Und diese Werte schwanken zwischen 5 und 11 Monaten, also in
allen Fällen deutlich weniger als ein Jahr. Man kann auch erkennen in der Tabelle, dass die Offshore-Anlagen einen höheren Impact haben als die Onshore-Anlagen. Und dies liegt hauptsächlich an den höheren Materialanforderungen für die Hauptinfrastruktur bei Offshore-Anlagen.
Ja, diese Folie hier gehört auch noch zu der vorgestellten Studie. Hier wird die Sensitivität des Klimawandeleinflusses, also der ausgestoßenen CO2-Emissionen untersucht. Die roten Balken, die nach links zeigen, zeigen eine Verringerung des CO2-Ausstoßes
und die blauen Balken, die nach rechts zeigen, eine Erhöhung des CO2-Ausstoßes. Und untersucht werden eben eine Änderung der Annahmen für den Recyclinganteil des Stahls, den Recyclinganteil des Fundamentes, der Effizienz der Anlage, der Lebenszeit der Anlage und der angenommen
Windgeschwindigkeit. Und es ist erkennbar, dass sich der Wert dann durch verschiedene Das ist die Toleranz. Weiterhin wird in dieser Studie untersucht, wie sich die Gesamtwirkung zum Klimawandel der vier untersuchten Anlagen auf den Beitrag der einzelnen Lebenszyklusphasen
aufteilt. Die Gewinnung und Produktion der Materialien ist dabei für 70 bis 80 Prozent des CO2-Ausstoßes verantwortlich. Und der Rest verteilt sich dann auf die Produktion der Anlagen, die Installation, den Betrieb und die Demontage. Und dadurch wird
eben die große Bedeutung vom Material Recycling am Lebensende der Anlagen deutlich. Auf der folgenden Folie hier sind die Ergebnisse einer anderen Studie zu sehen. In dieser Studie wird die Ökobilanz der Offshore Windfarm Alpha Ventus untersucht. In der linken Grafik
ist die Materialbilanz dargestellt. 73,2 Prozent des eingesetzten Materials sind dabei Eisenmetall, 8,1 Prozent sind Nichteisenmetalle, 5,9 Prozent sind synthetische Materialien und der Rest
12,7 Prozent sind andere Materialien. Und interessant ist noch, dass das Unterseekabel für 80 Prozent der Nichteisenmetalle verantwortlich ist. Rechts in der Grafik ist dann der kumulierte Energiebedarf dargestellt. Also die Gesamtenergie,
die während der Lebenszeit der Anlage verbraucht wird. Und davon fallen 78,4 Prozent auf die Herstellungsphase an, 20,4 Prozent auf die Nutzung und 1,2 Prozent auf die Entsorgung. Und die energetische Paybackzeit beträgt in dieser Studie ebenfalls weniger als ein Jahr.
Kommen wir nochmal zu Mendeca und Lombardi zu der Studie. Da sehen wir jetzt die CO2-Emissionen für eine produzierte Kilowattstunde Strom, angegeben in der Einheit CO2 Gramm CO2 pro Kilowattstunde erzeugt und das für verschiedene Anlagengrößen. Und da sehen wir die
Kilowattnennleistungen, die haben eine entsprechend höhere Auswirkung und das ist der typische Größendegression. Je größer wir die Anlagen bauen und wenn wir dann zu Größen kommen von der Megawattklasse, dann sehen wir, dass wir unter 10 Gramm für eine
Kilowattstunde, nur mal zum Vergleich ein deutsches Kohlekraftwerk hat fast 1 Kilogramm, also 1000 Gramm für eine Kilowattstunde. Und dann sehen wir hier auch nochmal dieselbe Untersuchung für den kumulierten Energiebedarf. Der ist jetzt hier angegeben in Megajoule pro
Kilowattstunde und auch da sehen wir diese Degression, ein relativ hoher Bedarf für die Kleinstwindkraftanlagen, der immer weiter runtergeht, wenn wir zu den größeren Anlagenklassen kommen. Was wir aber nachher nochmal sehen, aber natürlich ist der Energiebedarf deutlich geringer als die erzeugte elektrische Energie. Sonst würde das ja
gar keinen Sinn machen. In dieser Grafik hier sieht man das Treibhausgaspotenzial aufgetragen über der Anlagenennleistung in Kilowatt. Und es wird deutlich, dass das Gesamttreibhausgaspotenzial mit größer werdender Anlage exponentiell ansteigt und der exponentielle Verlauf
kommt hauptsächlich aus dem nicht linearen Faktor für den Materialbedarf für die Konstruktion der Turbinen. In dieser Grafik ist der CO2-Ausstoß diesmal pro erzeugter Kilowattstunde elektrischer Energie wieder über der Anlagenennleistung in kW aufgetragen.
Und man sieht, dass der CO2-Ausstoß bezogen auf die Kilowattstunde erzeugter elektrischer Energie abnimmt. Das bedeutet also, dass größere Anlagen effizienter sind als kleinere Anlagen. Und dann sehen wir jetzt hier auf der Folie nochmal die Ergebnisse einer Studie von
Gibbon & Hurtwig, die in den USA mal untersucht haben, wie Windkraftanlagen und andere erneuerbare Energietechnologien abschneiden im Vergleich zu den herkömmlichen Technologien wie Kohle-, Gaskraftwerke oder GUD-Kraftwerke. Und dann sehen wir nochmal diesen Materialbedarf
von den Erneuerbaren, das sind die Balken, der ist bei den erneuerbaren Technologien überaus riesig im Vergleich zu den Kohle- und Gaskraftwerken. Insbesondere sticht hervor Eisen und Stahl, den wir dazu brauchen. Aber das ist ja auch der Vorteil beim Materialbedarf,
der darf ruhig so hoch sein. Natürlich müssen wir gucken, dass wir auch da runterkommen mit diesem Niveau, aber durch Recyclingprozesse können wir das ja immer wieder im Kreis führen und es wird nicht wirklich verbraucht. So wichtig ist eben dann auch für die Erneuerbaren diese Kreislaufwirtschaft. Und wenn wir uns dann auch zum anderen nochmal diesen
Energieaufwand uns angucken für eine erzeugte Kilowattstunde Strom, das sind diese kleinen Rauten, die wir in der Grafik sehen. Und dann sehen wir, das ist gerade die Verhältnisse andersrum, dann sieht man die kaum mehr bei den erneuerbaren Technologien und bei
den Kohle- und Gaskraftwerken sind die sehr hoch. Und wenn wir jetzt diese Megajoule mal umwandeln würden auch in Kilowattstunden und durch die Kilowattstunde erzeugte Elektrizität dividieren würden, dann sehen wir eben bei Verbrennung von Kohle und
ist das deutlich übereins. Das heißt, wir brauchen immer mehr Energie, als wir Strom erzeugen und das ist natürlich bei den Erneuerbaren gerade andersrum, da erzeugen wir viel mehr Elektrizität, als wir vorher an Energie einsetzen, um diese Anlagen überhaupt herzustellen. In der Grafik hier wird die Landnutzung zur Implementierung
von verschiedenen Technologien in den USA miteinander verglichen. Und Kohle hat wegen des Rohstoffabbaus die höchste Landnutzung und zwar zwischen 17 und 26 Quadratmeter pro erzeugter jährlicher Megawattstunde. Die Windenergie im Vergleich dazu liegt bei unter 200 Quadratmeter, allerdings pro erzeugter jährlicher
Kilowattstunde, also um einen Faktor 85 bis 130 niedriger als ein Kohlekraftwerk. Zum Schluss möchten wir noch eine Studie vorstellen, in der hier verschiedene Szenarien von Umwelteinflüssen bis 2050 untersucht
wurden. Und zwar wurde hier eine globale ganzheitliche Ökobilanz einer langfristigen Implementierung der Stromerzeugung durch erneuerbare Quellen untersucht. Und basierend wurde das ganz durchgeführt auf dem Blue-Map-Szenario der Internationalen Energie Agentur bis 2050. Das Blue-Map-
betrifft die Erneuerbaren Energien. Und dabei wurde festgestellt in der Studie, dass eine Verdoppelung der Stromerzeugung bei Stabilisierung oder Reduktion der Umweltverschmutzung erreicht werden kann. Allerdings ist ungefähr 11 bis 40 mal mehr Kupfer für Photovoltaiksysteme notwendig
als zum Referenzzenario. Es ist ungefähr 6 bis 14 mal mehr Eisen für die Umweltverschmutzung benötigt. Aber es wird auch gesagt, dass zwei Jahre der aktuellen globalen Kupfer und ein Jahr der Eisenproduktion ausreichen
werden, um ein kohlenstoffarmes Energiesystem aufzubauen, das eben den weltweiten Strombedarf 2050 decken kann. Dann lassen wir abschließend noch mal zusammenfassen. Wir haben also jetzt gelernt, was eine Ökobilanz ist, wie man eine solche erstellt. Wir haben gesehen, dass es bereits viele Studien zu Ökobilanzen von
Windkraftanlagen vorhanden sind. Wir haben gesehen, dass die Wirkungen auf den Klimawandel durch Windkraftanlagen deutlich geringer sind als die meisten anderen Technologien. Sehen aber auch, dass der Materialbedarf von Windkraftanlagen höher ist als bei den anderen Stromerzeugungsanlagen, weshalb eben eine solche Kreislaufwirtschaft wichtig ist, dass wir die
Materialien immer wieder verwenden können. Und sehen auch, dass die Ökobilanz geringer als ein Jahr ist, nur leicht mehr als ein halbes Jahr. Recht herzlichen Dank.