Erneuerbare Energien

Die Windenergie oder die Windkraft ist eine erneuerbare Energiequelle. Dabei wird die kinetische Energie von Wind, also bewegten Luftmassen der Atmosphäre, technisch genutzt. Die Windenergie wird seit dem Altertum genutzt, um Energie aus der Umwelt für technische Zwecke verfügbar zu machen. Während sie in der Vergangenheit vor allem mitWindmühlen oder Segelschiffen genutzt wurde, ist heute die Stromerzeugung mit Windkraftanlagen die mit großem Abstand wichtigste Form der Windenergienutzung. Auf guten Standorten ist mittlerweile die Wettbewerbsfähigkeit mit konventionellen Wärmekraftwerken gegeben. Ende 2014 waren weltweit Windkraftanlagen mit einer Gesamtleistung von 369,6 GW installiert, davon 142 GW in Asien, 134 GW in Europa und 86 GW in Amerika. Die mehr als 200.000 Windkraftanlagen mit zusammen 282 GW Nennleistung, die Ende 2012 installiert waren, konnten mit rund 580 TWh jährlicher Produktion rechnerisch nahezu den kompletten deutschen Strombedarf von 594,5 TWh bzw. mehr als 3 % des weltweiten Strombedarfs decken. Weitere moderne Nutzungsformen sind in der zumeist nichtkommerziellen Segelschifffahrt zu finden.

Die Windenergie gilt aufgrund ihrer weltweiten Verfügbarkeit, ihrer niedrigen Kosten sowie ihres technologischen Entwicklungsstandes als eine der vielversprechendsten regenerativen Energiequellen. Windenergieanlagen können in allen Klimazonen, auf See und in allen Landformen (Küste, Binnenland, Gebirge) zur Stromerzeugung eingesetzt werden. Daher wird häufig nur zwischen der Windenergienutzung an Land sowie der Nutzung auf See in Offshore-Windparks unterschieden. Bisher ist vor allem die Windenergie an Land von Bedeutung, während die Offshore-Windenergie global gesehen mit einem Anteil von 1,9 % an der installierten Leistung bisher noch ein Nischendasein fristet. Auch langfristig wird mit einer Dominanz des Onshore-Sektors gerechnet, allerdings mit steigendem Anteil der Offshore-Installationen. So geht z.B. die IEA davon aus, dass bis 2035 rund 80 % des Zubaus an Land erfolgen werden.

Physikalische Grundlagen

Bei der Leistung ist zu unterscheiden zwischen der elektrischen Nennleistung, die sich aufgrund der technischen Konstruktion ergibt, und dem tatsächlich am Standort erzielbaren Ertrag, der sich noch aus einer Reihe weiterer Faktoren ergibt. Bei der Planung werden Daten aus Wetterbeobachtungen (Windstärke, Windrichtung) verwendet, um daraus eine Prognose zu berechnen. Diese Prognosen sind Mittelwerte und können wetterbedingt von den Ergebnissen der einzelnen Jahre abweichen. Langzeitbetrachtungen sind für eine großmaßstäbliche Nutzung der Windenergie, die Planung von Stromnetzen und Speicherkapazitäten unerlässlich.

Die in elektrische Leistung P umsetzbare Leistung aus dem Windangebot lässt sich aus dem kinetischen Leistungsangebot des Massenstroms der Luft errechnen, multipliziert mit dem Wirkungsgrad nach Betz , aus den Strömungsverlusten (Reibungsanteil in den Navier-Stokes-Gleichungen) sowie dem mechanischen (Reibungsverluste im Getriebe und den Lagern des Konverters) und elektrischen Wirkungsgrad des Systems  :

Die Formelzeichen bedeuten:

η: Wirkungsgrade, Beschreibung siehe oben

A: Querschnittsfläche des Rotors in m²

ρ: Dichte der Luft in kg/m³

ṁ: Massenstrom der Luft in kg/s (ṁ=ρ·A·v)

v: mittlere Geschwindigkeit der Luft in m/s

P: Leistung des Konverters in Watt

Die erzielbare Leistung nimmt also mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zu. Die Windgeschwindigkeit ist daher wichtig für ihre Nutzung sowie ein Schlüsselfaktor für die Wirtschaftlichkeit.

Die Häufigkeitsverteilung der erzeugten Windleistung kann mit der Log-Normalverteilung gut angenähert werden. Dieselbe Verteilungsart beschreibt auch die Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit. (Hinweis: Auch die erzeugte Leistung aus der Photovoltaik lässt sich mit der Log-Normalverteilung beschreiben.)

Die starke Wetterabhängigkeit der aus Windkraft erzeugten elektrischen Energie kann aus dem zweiten Diagramm abgeleitet werden. Wegen der hohen Variabilität ist eine möglichst genaue Prognose der erwarteten Einspeisung aus Windkraftquellen unerlässlich (siehe auch Artikel Windleistungsvorhersage), um eine entsprechende Planung und Verteilung im elektrischen Stromnetz vornehmen zu können.

Potential

Weltweit

Weltweit bietet die bodennahe Windenergie nach einer 2013 im Fachjournal Nature Climate Change erschienenen Arbeit theoretisch Potential für über 400 Terawatt Leistung. Würde zusätzlich die Energie der Höhenwinde genutzt, wären sogar 1.800 Terawatt möglich, etwa das 100-fache des derzeitigen weltweiten Energiebedarfs. Während diese gesamtes Potential genutzt, hätte die Nutzung der Windenergie ausgeprägte Veränderungen des Klimas zu Folge; bei Nutzung von nur 18 TW, was dem aktuellen Weltprimärenergiebedarf entspricht, sind keine wesentlichen Einflüsse auf das Klima zu erwarten. Es gilt daher als unwahrscheinlich, dass dasgeophysikalische Windenergiepotential dem Ausbau der Windstromerzeugung Grenzen setzt. Bei sehr großen Windparks ist im Bereich der Anlagen selbst jedoch mit nachweisbaren Klimaeffekten zu rechnen, würden 10 % der im Jahr 2100 global benötigten Energie mittels Windkraft erzeugt, wobei an Land mit einer Erwärmung zu rechnen ist, auf See mit einer Abkühlung.

2009 ermittelten Forscher der Harvard-Universität unter konservativen Annahmen das globale Windenergiepotential und kamen zu dem Ergebnis, dass es den Weltenergiebedarf weit übersteigt: den damaligen Bedarf an elektrischer Energie um das 40-fache, den Gesamtenergiebedarf um das 5-fache. Laut einer ebenfalls 2009 veröffentlichten Strömungs-Modellrechnung der Stanford University würden Windkraftanlagen, sollten sie den gesamten heutigen Weltenergiebedarf decken, den Energiegehalt der unteren Luftschicht um circa 0,007 % verringern. Dies sei jedoch mindestens eine Größenordnung kleiner als der Einfluss durch Besiedlung und durch Aerosole aus Abgasen. Die Aufheizeffekte durch Stromerzeugung mit Windkraftanlagen seien viel niedriger als die Abwärme thermischer Kraftwerke.

Deutschland

Der von der Agentur für Erneuerbare Energien im Jahr 2010 erstellte ‚Potenzialatlas Deutschland‘ kam zu dem Ergebnis, dass Windkraftanlagen auf 0,75 % der Landfläche 20 % des deutschen Strombedarfs 2020 decken könnten.

2013 veröffentlichte das Umweltbundesamt eine Studie zum bundesweiten Flächen- und Leistungspotential der Windenergie an Land. Das Potential wurde vom Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik auf Grundlage detaillierter Geodaten und moderner Windenergieanlagentechnik modelliert. Demnach stehen auf Basis der getroffenen Annahmen prinzipiell 13,8 Prozent der Fläche Deutschlands für die Windenergienutzung zur Verfügung. Dieses Flächenpotential ermöglicht eine installierte Leistung von rund 1.190 GW mit einem jährlichen Stromertrag von ca. 2.900 TWh. Das realisierbare Potential der Windenergie an Land wird aber erheblich kleiner geschätzt, weil verschiedene Aspekte im Rahmen der Studie nicht betrachtet wurden (z. B. artenschutzrechtliche Belange oder wirtschaftliche Rahmenbedingungen).

Nach Volker Quaschning liegt das Potential der Onshore-Windenergie in Deutschland selbst unter restriktiven Flächennutzungskriterien bei 189 GW. Damit ließen sich 390 TWh/a produzieren und somit über 60 % des deutschen Strombedarfes decken.

Bereitstellungssicherheit

Windleistungsprognose

Windenergie ist Teil eines Energiemix und bildet nur eine Säule der erneuerbaren Energien. Ihr Hauptnachteil ist die unregelmäßige, mit dem Wind schwankende Leistungsabgabe, die durch ein sinnvolles Kraftwerksmanagement ausgeglichen werden muss. Bei starkem Wind erzeugt eine WEA 100 % ihrer Nennleistung (= Volllast), bei Flaute 0 %. Maßgeblich ist jedoch die Summe der eingespeisten Energie über größere Gebiete, da sich die Schwankungen der jeweiligen Windgeschwindigkeiten durch Kombination von Windenergieanlagen an verschiedenen Standorten teilweise gegenseitig ausmitteln. 2012 betrug z.B. die maximale (am 3. Januar 2012 gemessene) onshore Einspeisung in Deutschland mit 24.086 MW etwa 78 % der installierten Gesamtnennleistung.

Andere erneuerbare Energien können ausgleichend wirken und haben teils ein gegenläufiges Angebotsverhalten. Die durchschnittliche Kurve der Einspeiseleistung von Windenergieanlagen zeigt in Westeuropa im Durchschnitt tagsüber höhere Werte als nachts und im Winter höhere als im Sommer, sie folgt somit über den Tagesverlauf wie auch jahreszeitlich dem jeweils benötigten Strombedarf. Gleichwohl kann auch in einer ganzen Regelzone einige Tage lang die produzierte Windenergiemenge sehr hoch oder fast Null sein.

Meteorologische Prognosesysteme ermöglichen es, die von Windparks in das Stromnetz eingespeiste Leistung per Windleistungsvorhersage im Bereich von Stunden bis zu Tagen im Voraus abzuschätzen. Bei einem Vorhersagezeitraum von 48 h bis 72 h beträgt die Genauigkeit 90 %, bei einer 6-Stunden-Vorhersage mehr als 95 %. So werden zur Aufrechterhaltung eines störungsfreien Stromangebotes nur wenige regelenergieliefernde Kraftwerke benötigt.

Regelenergiebedarf

Seit der Novellierung des Gesetzes für den Vorrang erneuerbarer Energien (EEG) zum 1. Juli 2004 sind die Regelzonenbetreiber zum sofortigen horizontalen Ausgleich der Windenergieeinspeisung verpflichtet. Wird die Summenleistung von aktuell über 22.000 Windenergieanlagen im deutschen Stromnetz betrachtet, so ergibt sich eine sehr langsame Summenganglinie. Die große Mittlung aus vielen Anlagen, räumlicher Verteilung und unterschiedlichem Anlagenverhalten führt bereits in einzelnen Regelzonen dazu (Ausnahme sind extreme Wetterlagen), dass die Schwankung der Windstromeinspeisung mit Mittellastkraftwerken ausgeglichen werden kann. Teure Regelenergie (Primär- und Sekundärregelung) wird in der Regel nicht benötigt. Dies belegen zum Beispiel Untersuchungen für das im Auftrag mehrerer Stadtwerke erstellte „Regelmarkt-Gutachten“. Für einen marktrelevanten Zusammenhang zwischen Windstromeinspeisung und Regelenergiemenge und -preis gibt es keine Belege. Zwar geht man davon aus, dass sich mit einer verstärkten Nutzung der Windenergie auch der Regelenergiebedarf, insbesondere an negativer Regelenergie erhöht, die tatsächlich bereitgestellte Regelenergie blieb jedoch in den letzten Jahren gleich bzw. nahm leicht ab.

Werden fossile Kraftwerke zur kurzfristigen Bereitstellung von (negativer) Regelleistung im Teillastbetrieb gefahren statt vollständig abgeschaltet, nimmt der Wirkungsgrad etwas ab. Für die moderne Steinkohlekraftwerkeliegen die Wirkungsgrad im Volllastbetrieb bei ca. 45-47 %. Werden diese Kraftwerke auf 50 % Leistung gedrosselt sinkt der Wirkungsgrad auf ca. 42-44 % ab. Bei GuD-Kraftwerken mit einem Volllastwirkungsgrad von 58–59 % reduziert sich der Wirkungsgrad bei 50 % Leistung bei Einblock-Konfiguration auf 52-55 %.

2013 prognostizierte eine Studie des NREL die zusätzlichen Kosten für das vermehrte Regeln bzw. An- und Abfahren konventioneller Kraftwerke aufgrund einer höheren Einspeisung aus Wind- und Solarenergie. Bei einem Anteil von 33 % dieser fluktuierenden Energieformen an der Gesamteinspeisung würden sich in den westlichen USA die Betriebskosten konventioneller Kraftwerke um 2-5 % erhöhen, entsprechend 0,47-1,28$/MWh. Damit würden sich die Mehrkosten auf 35 bis 157 Mio. US-Dollar belaufen, während sich durch den eingesparten Brennstoff Ersparnisse in Höhe von ca. 7 Mrd. US-Dollar ergeben würden. Verglichen mit den Einsparungen durch den vermehrten Betrieb von Wind- und Solaranlagen sei die Erhöhung der Kohlendioxidemissionen durch vermehrtes Regeln in Höhe von 0,2 % vernachlässigbar.

Die Höhe der vorzuhaltenden Reserveleistung hängt erheblich von der Vorhersagegenauigkeit des Windes, der Regelungsfähigkeit des Netzes sowie dem zeitlichen Verlauf des Stromverbrauchs ab. Bei einem starken Ausbau der Windenergiegewinnung, wie es in der dena-Netzstudie für Deutschland untersucht wurde, wird der Bedarf an Regel- und Reservekapazität (Mittellastkraftwerke) zwar steigen, kann aber laut Studie ohne Neubau von Kraftwerken (also nur mit dem bestehenden Kraftwerkspark) gedeckt werden. Ein Zubau von Windenergieanlagen führt nicht automatisch zu einem Abbau der dann schlechter ausgelasteten, nach Bedarf steuerbaren, Kraftwerkskapazitäten. Aufgrund der Unstetigkeit des Windes kann die mit Windenergieanlagen gewonnene elektrische Energie nur im Verbund mit anderen Energiequellen oder mit Speichern wie Pumpspeicherkraftwerken oder der Umwandlung in Windgas für eine kontinuierliche Energiebereitstellung genutzt werden. Durch Prognose der Einspeisung und Austausch in und zwischen den Übertragungsnetzen (Regelzonen) muss die schwankende Stromerzeugung im Zusammenspiel mit anderen Kraftwerken wie die normalen Verbrauchsschwankungen ausgeglichen werden. Für Deutschland geht man laut einer Studie der DENA derzeit von 20 bis 25 % maximalem Anteil beim nur moderaten Ausbau der Netzinfrastruktur aus. Weitere Möglichkeiten, zukünftig den Anteil an Windstrom an der Gesamtstromerzeugung über einen solchen Wert hinaus zu erhöhen, sind:

• Verstärkung und Vermaschung des Hochspannungsnetzes mit benachbarten Regelzonen über moderaten Ausbau hinaus
• Demand Side Management (zeitweiliges Abschalten oder verzögerter Betrieb nicht zwingend notwendiger Verbraucher – siehe Lastabwurf)
• Energiespeicherung, zum Beispiel durch Pumpspeicherkraftwerke und Druckluftspeicherkraftwerk oder durch Speicherung nach Umwandlung als Windgas
• Auslegung der Windkraftanlagen auf einen höheren Kapazitätsfaktor durch Erhöhung der Rotorfläche bei gleichbleibender Nennleistung
• Erhöhung der installierten Nennleistung und zeitweise Abschaltung bei Leistungsüberschuss

Aufgrund begrenzter Netzkapazitäten kann es insbesondere während Sturmphasen lokal bzw. regional zu Abschaltung bzw. Drosselung von Windkraftanlagen kommen („Abregelung“). 2010 gingen so in Deutschland 150 GWh verloren, 2011 waren es 407 GWh. Dies entsprach 0,4 bzw. 0,83 % der in den jeweiligen Jahren eingespeisten Windenergie. Die Betreiber werden für solche Produktionsdrosselungen nach Erneuerbare-Energien-Gesetz entschädigt; die Stromverbraucher zahlen auch für nicht eingespeisten Strom. Im Jahr 2012 sank die abgeregelte Arbeit auf 385 GWh, was ca. 0,71 % der insgesamt eingespeisten Windstromproduktion entspricht. Hauptsächlich betroffen waren mit ca. 93,2 % Windkraftanlagen. Hierfür wurden Entschädigungen in Höhe von 33,1 Mio Euro gezahlt.

In zahlreichen, zumeist dieselgestützten Inselnetzen mit Windstromeinspeisung (Australien, Antarktis, Falklands, Bonaire), werden neben dem Demand Side Management zudem Batterien und teilweise auchSchwungradspeicher zur kurz- und mittelfristigen Netzstabilisierung und -optimierung eingesetzt, wobei relativ schlechte Wirkungsgrade aus wirtschaftlichen Gründen (Reduktion des sehr teuren Dieselstromanteils) akzeptiert werden können. Speicherung von Windstrom durch Wasserstoffelektrolyse und -verbrennung (siehe Wasserstoffspeicherung, Wasserstoffwirtschaft) und Schwungradspeicher wurde in einem Modellprojekt auf der norwegischen Insel Utsira erprobt.

Blindleistungsregelung

Ältere drehzahlstarre Windenergieanlagen mit Asynchrongeneratoren, die in der Frühphase der Windenergienutzung (d. h. von den 1970er bis in die frühen 1990er Jahre) zum Einsatz kamen, haben zum Teil Eigenschaften, die bei einem starken Ausbau Probleme im Netzbetrieb bereiten können; dies betrifft vor allem den sog. Blindstrom. Dem kann durch Blindstromkompensation abgeholfen werden; moderne drehzahlvariable Anlagen mit elektronischem Stromumrichter können den Blindstromanteil ohnehin nach den Anforderungen des Netzes beliebig einstellen und auch Spannungsschwankungen entgegenwirken, so dass sie sogar zur Netzstabilisierung beitragen können. Im Zuge des sogenannten Repowering sind zahlreiche alte Anlagen abgebaut worden.

Wirtschaftlichkeit

Stromgestehungskosten und Wettbewerbsfähigkeit

Bei der modernen Windenergienutzung handelt es sich um eine Technologie, die nach den Anfängen in den späten 1970er Jahren erst seit den 1990er Jahren in größerem Ausmaß zum Einsatz kommt. Die Verbesserungspotentiale werden daher erst allmählich durch Skaleneffekte infolge weiterer Erforschung und der mittlerweile bei den meisten Herstellern etablierten industriellen Serienfertigung erschlossen, weshalb noch ein weiteres Kostensenkungspotential aufgrund technischer Weiterentwicklung besteht. Größter Kostenfaktor bei der Windstromerzeugung sind die relativ hohen Anfangsinvestitionen in die Anlagen; die Betriebskosten (u.a. Wartung; ggfs. Standortmiete) und der der Rückbau sind relativ gering. Praktisch weltweit sind Standorte im Binnenland wirtschaftlich nutzbar; Windkraftanlagen auf guten Onshore-Standorten sind seit vor 2008 ohne Förderung mit konventionellen Kraftwerken konkurrenzfähig. Es wird davon ausgegangen, dass sich die Windenergie in der Zukunft zur günstigsten Form der Stromproduktion entwickeln wird. Aufgrund ihrer Wirtschaftlichkeit kommt der Windenergie daher eine wichtige Rolle zur Dämpfung des Strompreisanstiegs zu.

Laut Fraunhofer ISE (Stand 2013) können Windkraftanlagen auf guten Standorten zu niedrigeren Stromgestehungskosten – bis zu 4,5 ct/kWh – produzieren als neue Steinkohle- und Gaskraftwerke, die Stromgestehungskosten von 6,3 ct/kWh bis 8,0 ct/kWh bzw. 7,5 ct/kWh bis 9,8 ct/kWh aufweisen. Weiterhin günstiger sind Braunkohlekraftwerken mit 3,8 ct/kWh bis 5,3 ct/kWh. Insgesamt schwanken die Stromgestehungskosten der Windenergie je nach Standortgüte zwischen 4,5 ct/kWh auf sehr guten und 10,7 ct/kWh auf sehr schlechten Standorten. Als sehr schlechter Standort gilt eine Windhöfigkeit von 5,3 m/s durchschnittlicher Windgeschwindigkeit auf 130 m Nabenhöhe.

Offshore-Anlagen sind dagegen aufgrund des größeren Bauaufwandes sowie höheren Finanzierungs- und Betriebskosten trotz mehr Volllaststunden deutlich teurer, ihre Stromgestehungskosten liegen (Stand 2013) bei 11,9–19,4 ct/kWh.

Ähnliche Zahlen liefert eine 2013 erschienene Studie der Deutschen Windguard, die sich ausschließlich mit der Onshore-Windenergie in Deutschland befasst. In dieser Studie wurden auf sehr guten Standorten (150 % des Referenzertrages) Stromgestehungskosten von 6,25 ct/kWh ermittelt. Auf schlechteren Standorten steigen die Stromgestehungskosten an. Bei einer durchschnittlichen Kostenstruktur und üblichen Renditeerwartungen der Betreiber gelten Standorte bis etwa 80 % des Referenzertrages als rentabel. Auf diesen Standorten werden Stromgestehungskosten von ca. 9 ct/kWh erreicht, was in etwa der aktuell für Windkraftanlagen gezahlten Einspeisevergütung entspricht. Zwischen 2010 und 2013 sanken die Stromgestehungskosten auf schwächeren Standorten inflationsbereinigt um ca. 11 % pro Jahr, auf guten Standorten um 5,2 % pro Jahr. Weiteres Kostensenkungspotential wird in der Weiterentwicklung der Anlagentechnik sowie insbesondere in der Auslegung der Windkraftanlagen mit größeren Rotordurchmessern und Nabenhöhen ausgemacht.

Diese Grundannahmen werden von Bloomberg gestützt. Demnach sind Windkraftanlagen in einigen Staaten mit guten Windbedingungen und vergleichsweise hohen Stromkosten wie Brasilien, Argentinien, Kanada, Portugal und dem Vereinigten Königreich bereits heute gegenüber konventionellen Stromerzeugern wettbewerbsfähig. Bis 2016 soll auch in einigen weiteren Gebieten mit moderaten Windbedingungen die Netzparität erreicht werden. Für Australien errechnete Bloomberg beispielsweise im Februar 2013, dass Windkraftanlagen eines Windparks deutlich kostengünstiger produzieren könnten als neu zu bauende Kohle- oder Gaskraftwerke. So lägen die Stromgestehungskosten eines neuen Windparks bei umgerechnet 80 Australischen Dollar pro MWh, während Kohlekraftwerke mit 143 A$ und Gaskraftwerke mit A$116 deutlich höhere Stromgestehungskosten aufwiesen. Bei letzteren waren die Kosten des CO₂-Austoßes mit eingerechnet, diese wurden in Australien mit 23 Australischen Dollar pro Tonne CO₂ festgesetzt. In Brasilien, das zu den Ländern gehört, in denen die Nutzung der Windenergie im weltweiten Vergleich mit am günstigsten ist, liegen die Stromgestehungskosten von Windkraftanlagen mittlerweile bei unter 60 US-Dollar/MWh, umgerechnet ca. 53 Euro/MWh.

Förderung

Um die erwünschten Investitionen in Windenergie auch an Standorten mit geringerer Windhöffigkeit zu erleichtern, werden diese in vielen Staaten unabhängig von politischer Ausrichtung gefördert. Mögliche Förderungsmaßnahmen sind:

• Förderung von Forschung und Entwicklung
• Förderung von Prototypen und Demonstrationsobjekten
• teilweise Übernahme der Investitionskosten
• Günstigere Kredite
• Steuervergünstigungen (z.B. PTC in den USA)

Als wichtigstes Kriterium für den Ausbau nennen Gasch u. a. Planungssicherheit, wie sie vor allem bei Mindestpreissystemen auf Basis von Einspeisevergütungen erreicht wird. Erste Gesetze hierzu wurden 1981 in Dänemark, 1991 in Deutschland und 1993 in Spanien erlassen und führten dort zu einem langfristigen und stabilem Ausbau der Windenergie. Als wenig zielführend gelten hingegen Quotensysteme, wie sie in England und bis 2002 in Frankreich existierten; ihr Erfolg wird mit „mäßig bis null“ beziffert. Mittlerweile setzen viele Staaten auf Mindestpreissysteme (z.B. Beispiel Deutschland, Spanien, Österreich, Frankreich, Portugal, Griechenland, Großbritannien), da auf diese Weise mehr installierte Leistung erzielt wird.

Der Einspeisetarif für Windkraft in Österreich liegt bei 7,8 ct/kWh. 2013 betrug die in Deutschland nach EEG für mindestens 5 Jahre gezahlte Anfangsvergütung für Onshore-Windenergie 8,80 ct/kWh; die nach Ablauf der Anfangsvergütung gezahlte Grundvergütung lag bei 4,80 ct/kWh. Beide sinken jährlich um 1,5 %.

Auswirkungen auf den Strompreis

Die Windenergie trägt als erneuerbare Energie zum Merit-Order-Effekt bei und senkt durch die Verdrängung konventioneller Kraftwerke den Strompreis an der Börse. Der Merit-Order-Effekt berücksichtigt allerdings nicht die langfristigen Veränderungen in der Zusammensetzung der Kraftwerke, so dass nachhaltige Auswirkungen in Bezug auf den Strompreis durch den besagten Effekt nicht zweifelsfrei geklärt werden können.

Wird an windstarken Tagen viel aus Windenergie erzeugter Strom eingespeist, sinkt der Großhandelspreis an der Strombörse. Ist wenig Windenergie vorhanden, steigt der Preis an der Strombörse. Die Strompreissenkung durch Windenergie entsteht durch die gesetzliche Abnahmepflicht für produzierten Windstrom. Ist viel Strom aus Windenergie verfügbar, wird der Einsatz teurer konventioneller Kraftwerke, insbesondere Gaskraftwerke, („Grenzkosten-Theorie“) vermindert, was zu einem Absinken der Preise an der Strombörse führt. Im Jahr 2007 betrug dieser preisdämpfende Effekt ca. 5 Mrd. Euro. Im 2. Quartal 2008 kostete Strom an der Leipziger Strombörse im Mittel 8,495 ct/kWh, ging aber u. a. durch die verstärkte Einspeisung der Erneuerbaren Energien bis 2012 auf ca. 4 ct/kWh zurück.

Vermeidung externer Kosten

Verglichen mit konventionellen Stromerzeugungsformen weist die Windenergie deutlich geringere externe Kosten auf. Dabei handelt es sich um nicht in die Strompreise mit einfließende Schadenseffekte durchTreibhausgasemissionen, Luftschadstoffe usw., die sich z.B. im Klimawandel, Gesundheits- und Materialschäden sowie landwirtschaftliche Ertragsverluste äußern. Bei Kohlekraftwerken liegen die Externen Kosten in Bereich von 6-8 ct/kWh, bei GuD-Kraftwerken bei ca. 3 ct/kWh. Erneuerbare Energien liegen zumeist unter 0,5 ct/kWh, die Photovoltaik im Bereich von 1 ct/kWh. Unter Einbeziehung dieser externen Kosten ergeben sich für die Windkraft deutlich niedrigere Vollkosten als bei der konventionellen Energieerzeugung und damit volkswirtschaftliche Einspareffekte.

So wurden z. B. im Jahr 2011 in Deutschland durch die Erneuerbaren Energien insgesamt ca. 9,1 Mrd Euro an externen Kosten eingespart. Da die Messung externer Kosten und Nutzen jedoch aufgrund verschiedener Methodiken nicht eindeutig zu beziffern ist, kamen ältere Studien mit Daten nicht neuer als 2004 zu anderen Ergebnissen.

Politische und ökologische Aspekte heutiger Nutzung

Nachhaltigkeit

Die Windenergie gehört zu den umweltfreundlichsten, saubersten und sichersten Energieressourcen. Ihre Nutzung wird in der wissenschaftlichen Literatur – auch verglichen mit anderen Regenerativen Energien – zu den umweltschonendsten Energiegewinnungsformen gezählt.

Wie auch andere Erneuerbare Energien ist die Energie des Windes nach menschlichem Ermessen zeitlich unbegrenzt verfügbar und steht somit im Gegensatz zu fossilen Energieträgern und Kernbrennstoffen dauerhaft zur Verfügung. Ebenfalls entsteht bei der Windenergienutzung nahezu keine Umweltbelastung infolge von Schadstoffemissionen, wodurch die Windenergie als wichtiger Baustein der Energiewende sowie einer nachhaltigen und umweltschonenden Wirtschaftsweise angesehen wird. Da sie zugleich weltweit und im Überfluss vorhanden ist und ihre Wandlung vergleichsweise kostengünstig ist, wird davon ausgegangen, dass sie in einem zukünftigen regenerativen Energiesystem zusammen mit der Photovoltaik den Großteil der benötigten Energie bereitstellen wird.

Aufgrund ihres sehr geringen CO₂-Ausstoßes von ca. 9 bis 18,5  g/kWh gilt sie darüber hinaus als wichtiges Mittel im Kampf gegen die Globale Erwärmung. Zudem gibt es bei der Windenergie keine Risiken von großen oder extrem großen Umweltschädigungen wie bei der Kernenergie infolge von schweren Unfällen.

Befürworter der Windenergie versprechen sich von ihrer Nutung zudem mehr Gerechtigkeit, da auf diese Weise insbesondere vor dem Hintergrund steigender Preis für fossile Energieträger auch Staaten ohne Energieressourcen einen höheren Grad der Selbstversorgung bis hin zur Autarkie in der Energieversorgung erreichen könnten.

Moderne Windenergieanlagen besitzen eine kurze energetische Amortisationszeit von nur wenigen Monaten.

Flächenbedarf

Windkraftanlagen weisen nur einen sehr geringen Flächenbedarf auf, da die eigentliche Energiegewinnung in der Höhe stattfindet. Nahezu 99 % der von einem Windpark beanspruchten Fläche können weiterhin landwirtschaftlich bzw. für andere Zwecke genutzt werden. Auch verglichen mit anderen Formen der Energieerzeugung weist die Windenergienutzung einen vergleichsweise niedrigen Flächenbedarf auf; man geht von circa 0,4 ha (4.000 m²) pro Windkraftanlage aus. Die Fundamentfläche moderner Anlagen der 3-MW-Klasse liegt bei ca. 350–500 m², die größten derzeit errichteten Windkraftanlagen vom Typ Enercon E-126 liegen bei einer Leistung von 7,6 MW bei einer Fundamentfläche von etwa 600 m². Hinzu kommt bei Verwendung eines Mobilkranes die Kranstellfläche mit einem Flächenverbrauch von circa 0,3 ha, die während des Betriebes der Anlage dauerhaft erhalten bleibt. Kommt zur Errichtung der Anlage ein Turmdrehkran zum Einsatz, reduziert sich der Flächenbedarf für die Montage des Krans und der Windkraftanlage auf rund 0,12 ha. Daneben kann ggf. ein Neu- oder Ausbau der Zuwegung zur Anlage notwendig werden, zudem wird während der Bauphase temporär eine Bedarfsfläche von 0,2–0,3 ha für die Lagerung und evtl. Vormontage von Anlagenteilen benötigt.

Insgesamt betrug der Flächenverbrauch von Windkraftanlagen in Deutschland im Jahr 2011 rund 100 km². Zum Vergleich: In deutschen Braunkohletagebauten wurden ohne Kraftwerke ca. 2.300 km² bewegt und verbraucht; der Anteil der Braunkohle am deutschen Stromverbrauch lag 2012 bei etwa dem Dreifachen der Windstromerzeugung. Geht man von einer Stromproduktion von 6–8 Mio. kWh jährlich und einem Flächenverbrauch von 4.000 m² aus, was typische Werte für eine moderne Binnenlandanlage der 3-MW-Klasse sind, so ergibt sich ein Stromertrag von 1.500–2.000 kWh pro m² Gesamtfläche pro Jahr. Auf Starkwindstandorten liegt der Flächenertrag noch deutlich höher. Damit liegt die Flächenproduktivität (Ertrag pro Fläche) der Windenergienutzung bei etwa dem Tausendfachen von Biogasanlagen.

Arbeitsmarkt-Effekt

Weltweit waren im Jahr 2010 ca. 670.000 Menschen in der Windenergie-Branche beschäftigt, knapp dreimal so viele wie noch 2005 (ca. 235.000). In Deutschland bot die Branche 2011 mehr als Hunderttausend Menschen Arbeit, 2012 waren es rund 118.000. Die Arbeitsplätze entfallen dabei sowohl auf die Produktion als auch auf den Betrieb der Anlagen, womit neben Produktionsstandorte Städte und Gemeinden, in denen Dienstleister und Zulieferbetriebe angesiedelt sind, an der Wertschöpfung teilhaben. Nach einer Studie der Gesellschaft für Wirtschaftliche Strukturforschung (GWS) erstrecken sich die Beschäftigungseffekten über alle Bundesländer, nicht nur auf die vorwiegend in Norddeutschland befindlichen Zentren des Ausbaus. Nach dieser Studie könnten bis 2030 über 165.000 Menschen in der Onshore-Windenergie arbeiten.

Gesellschaftliche Akzeptanz

Grundsätzlich befürwortet ein großer Teil der Bevölkerung die Windenergienutzung, wie eine Reihe repräsentativer Umfragen ergeben hat. Dies ist auch dann der Fall, wenn konkrete Anlagen in der Nähe der befragten Personen aufgestellt werden sollen. Insbesondere liegt die Zustimmung zur Windenergienutzung in Regionen, wo bereits Windkraftanlagen vorhanden sind, höher, als dort, wo die Bevölkerung noch nicht mit der Windenergienutzung vertraut ist. Tatsächlich nimmt die Zustimmung mit zunehmender Nähe zu den Anlagen häufig zu; zudem legen Studien nahe, dass es zwar während der Bauphase die Unterstützung etwas abnimmt, nach Inbetriebnahme der Anlagen die Zustimmung jedoch ansteigt. Trotz der allgemein breiten Zustimmung ist die Windenergienutzung jedoch nicht unumstritten, weshalb es immer wieder u. a. zur Gründung von Bürgerinitiativen gegen geplante Projekte kommt. In Bayern fordert der Ministerpräsident Seehofer einen Abstand von 2 Kilometer für große Windkraftanlagen zur nächsten Besiedlung.

Moderne Windkraftanlagen haben heute eine deutlich größere Nabenhöhe als früher. Durch den größeren Rotor drehen sie sich auch deutlich langsamer als früher (bei großen Anlagen liegt die Nennwindgeschwindigkeit nur noch bei etwa 10–15 Umdrehungen pro Minute), was von vielen Menschen als ruhiger wahrgenommen wird. Im Rahmen des sogenannten Repowering werden z. B. drei oder vier ältere Klein-Turbinen durch eine neue Groß-Anlage ersetzt; diese hat meist trotzdem eine höhere Leistung als die ersetzten alten Anlagen. Die „Verspargelung“ von Aufstellungsgebieten nimmt damit subjektiv ab.

Internationale Entwicklung

Globale Statistik

International gehören die Volksrepublik China, USA, Deutschland und Spanien zu den größten Erzeugern von Windstrom. Österreich lag Ende 2012 mit 1378 MW auf Platz 22, die Schweiz mit 50 MW installierter Leistung auf Platz 52. Die Staaten mit den höchsten Anteilen der Windenergie am nationalen Stromverbrauch (bezogen auf ein durchschnittliches Windjahr, Stand 2011) sind laut EWEA Dänemark mit 25,9 %, Spanien mit 15,9 %, Portugal mit 15,6 %, Irland mit 12,0 % und Deutschland mit 10,6 %. 2014 deckte Windstrom 39 % des dänischen Strombedarfes.

Die Ende 2012 weltweit installierte Leistung von 282 GW hat ein Stromerzeugungspotenzial von 580 TWh/a, was gut 3 % des Weltstromverbrauchs entspricht. Das Potential der rund 106 GW, die Ende 2012 in der EU installiert waren, liegt in einem durchschnittlichen Jahr bei 230 TWh, entsprechend 7 % des Elektrizitätsbedarfes der EU.

In Deutschland, Dänemark und Spanien gab es über Jahre eine durch den politischen Willen getragene gleichmäßige Entwicklung der Windenergie. Dies hat zur Entwicklung eines neuen Industriezweiges in diesen drei Staaten geführt. Im Jahre 2009 hatten die führenden Hersteller mit Standorten in Deutschland noch einen Anteil von mehr als 36 %, zwei Jahre später hatten allein die fünf größten asiatischen Unternehmen einen Anteil von 36 % am Weltmarkt erreicht. Insgesamt decken die zehn Top-Firmen der Windenergiebranche rund 80 % des weltweiten Bedarfes ab. Deutschland ist einer der Hauptexporteure von Windkraftanlagen.

2014 wurden weltweit 51.477 MW neu installiert, etwa 45 % davon mit 23.351 MW in der Volksrepublik China.

Deutschland

Geschichtliche Entwicklung

Ganz entscheidend für den Boom der Windenergie in der Bundesrepublik Deutschland war das Stromeinspeisungsgesetz von 1991, das die Stromnetzbetreiber zur Abnahme des erzeugten Stroms verpflichtete. Diese Förderung des Technologieeinstiegs in erneuerbare Energien wurde von der von Herbst 1998 bis Herbst 2005 bestehenden Rot-Grünen Bundesregierung im Jahr 2000 im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) mit Einschränkungen fortgeschrieben. Das Gesetz sichert den Betreibern von Windenergieanlagen bisher feste Vergütungen für den eingespeisten Strom zu. Die Festpreisvergütung im Rahmen des EEG hat zu einem starken Ausbau der Windenergienutzung in der Bundesrepublik Deutschland geführt. Ende 2003 war rund die Hälfte der gesamten europäischen Windenergieleistung (28.700 MW) in Deutschland installiert, zehn Monate später bereits zwei Drittel. Mittlerweile haben andere europäische Staaten stark aufgeholt, so dass 2014 der deutsche Anteil an der europäischen Windkraftleistung nur noch knapp 30 % betrug.

Der allgemeine Subventionsvorwurf gegen die Windenergie bezieht sich in der Regel auf die EEG-Förderung. Dass es sich bei Transfers aus dem EEG um keine Beihilfen im Sinne des EG-Vertrages handelt, wurde vom Europäischen Gerichtshof (EuGH) mit Entscheidung vom 13. März 2001 C-379/98 bestätigt. Auch der Subventionsbegriff laut § 12 des Stabilitäts- und Wachstumsgesetzes wird vom EEG nicht erfüllt. Die ökonomischen Wirkungen des EEG und von Subventionen sind vergleichbar bzw. ähnlich.

Weitere Vergünstigungen, die den Betreibern von Windenergieanlagen aktuell gewährt werden, sind:

• Auf Antrag Befreiung von der Stromsteuer für Bezugsstrom (insgesamt bundesweit weniger als 100.000 € im Jahre 2004)
• Kreditverbilligungen der KfW-Bankengruppe. Günstige Kredite für Investitionen werden zum Beispiel auch mittelständischen Betrieben oder Privathaushalten für Gebäudesanierungen gewährt. Auch Betreiber von Windenergieanlagen können Mittel beantragen. Dies ist jedoch zeitaufwändig und die Rückzahlung unflexibel in der Tilgung, weshalb oft darauf verzichtet wird. Der Zinsvorteil dieser Kredite ist mit den Zinsen am freien Kapitalmarkt gegenzurechnen und als Subvention zu bewerten. Bei einem Zinsvorteil von 0,5 bis 1 % ergab sich für 2003 eine Subvention der Windenergie von schätzungsweise 18,5 bis 37 Millionen Euro.

Investitionskostenzuschüsse von Bund und Ländern für die Errichtung von Windenergieanlagen werden seit Ende der Neunzigerjahre nicht mehr gewährt. Steuerlich gibt es keine Sonderregelungen für den Betrieb von Windenergieanlagen, die von anderen beweglichen Wirtschaftsgütern abweichen.

Statistik

Bund

Deutschland hatte bis Ende des Jahres 2007 mit 22.247 MW die höchste installierte Leistung weltweit installiert, 2008 wurde es von den USA und schließlich 2010 von China übertroffen. Ende 2012 waren in Deutschland 22.962 Windkraftanlagen mit 31.3 GW in Betrieb. Beim Ausbau der Windenergie gilt die deutsche Industrie als international führend, wenn auch Deutschland mittlerweile nicht mehr der größte Windenergiemarkt ist. Mit Enercon, Siemens Windenergie, Senvion, Nordex, der Bard Holding und Fuhrländer haben mehrere Windenergieanlagenhersteller ihren Sitz in Deutschland, weitere in der Windbranche tätige Unternehmen wie Vestas und General Electric betreiben Werke in Deutschland. Im Jahr 2010 betrug der Exportanteil der Branche 66%, der Umsatz lag im Jahr 2011 bei über 10 Mrd. Euro.

Die in der Tabelle aufgeführte Auslastung ist geringer als in der Realität. Dies liegt daran, dass die in einem Jahr neu installierten Windkraftanlagen nicht ein volles Jahr zum gesamten Jahresgesamtenergieertrag beitragen können. In der Regel werden zwei Drittel der neuen Anlagen während der zweiten Jahreshälfte installiert.

Mit einem Anteil von 8,9 Prozent am Bruttostromverbrauch und einer Erzeugung von 53,4 TWh ist die Windenergie vor der Biomasse die bedeutendste erneuerbare Energiequelle in der Stromerzeugung. Die bislang (Stand November 2013) höchste in einem Monat in Deutschland durch Windkraft eingespeiste Strommenge wurde im Dezember 2011 mit 8 Mrd. kWh erreicht. Die höchste Leistung sowie die höchste Tagesenergieproduktion wurden am 12. Dezember 2014 während des Sturmtiefs Billie erreicht. Die maximale Leistung lag bei 29,7 GW, die minimale Leistung bei 19,0 GW. Insgesamt wurden 562 GWh elektrische Energie aus Windenergie erzeugt, also eine durchschnittliche Leistung von rund 23,4 GW erreicht.

Einige statistische Angaben zur Windenergie in Deutschland für die Jahre 2001 bis 2013

	2001	2002	2003	2004	2005	2006	2007	2008	2009	2010	2011	2012	2013
Bruttostromerzeugung (TWh)	586,4	586,7	608,8	617,5	622,5	639,6	640,6	640,7	595,6	633,0	613,1	628,7	633,6
Windstromerzeugung (TWh)	10,5	15,8	18,7	25,5	27,2	30,7	39,7	40,6	38,6	37,8	48,9	50,7	53,4
Anteil am Bruttostromverbrauch (%)	1,8	2,7	3,1	4,1	4,4	4,8	6,2	6,3	6,5	6,0	8,0	8,4	8,9
installierte Anlagenleistung am Jahresende (GW)	8,7	11,8	14,6d)	16,6d)	18,4 d)	20,6d)	22,2d)	23,9d)	25,77d)	27,2	29,1	31,3	34,6
Anlagenzahl am Jahresended)	11.438	13.759	15.387d)	16.543d)	17.574d)	18.685d)	19.460d)	20.301d)	21.164d)	21.585	22.297	22.962	23.875
durchschnittliche Nennleistung pro Anlage (kW)	763	864	949d)	1.005d)	1.049 d)	1.103d)	1.143d)	1.177d)	1.218d)	1.259	1.303	1.364	1.452
durchschnittliche Auslastung (Prozent der Nennleistung)	14,0	16,0	14,5	17,1	16,6	17,3	20,27	20,54	17,1	15,9	19,2	18,5	17,6
Quellen: VDN/VdEW, DEWI, a):Schätzung AGEE-Stat, b):VDEW d):DEWI e):BMU (PDF; 1,6 MB), S. 8 f) IWES Fraunhofer

Entwicklung in den einzelnen Bundesländern

Da das jährliche Windaufkommen schwankt, wird vom Deutschen Windenergie-Institut DEWI für die Berechnung der Windenergieanteile nach Bundesländern ein sogenanntes 100-%-Jahr (d.h. ein durchschnittliches Windjahr gemäß dem Windindex) als Berechnungsgrundlage verwendet.

Installierte Leistung und Anteil des potenziellen Jahresenergieeintrags aus Windenergieanlagen am Nettostromverbrauch in Deutschland nach Bundesländern

Bundesland	Anzahl WEA (Ende 2014)	Leistung in MW (Ende 2014)	Anteil am Nettostromverbrauch in % (2013)
Baden-Württemberg	396	550	1,0
Bayern	797	1.524	2,2
Berlin	2	4,3	0,0
Brandenburg	3.319	5.457	50,9
Bremen	84	170	5,1
Hamburg	54	57	0,7
Hessen	820	1.181	4,0
Mecklenburg-Vorpommern	1.742	2.706	65,5
Niedersachsen	5.616	8.233	26,2
Nordrhein-Westfalen	3.037	3.681	4,3
Rheinland-Pfalz	1.472	2.728	12,5
Saarland	113	203	2,9
Sachsen	857	1.066	8,3
Sachsen-Anhalt	2.603	4.336	51,2
Schleswig-Holstein	3.228	5.090	53,0
Thüringen	727	1.129	14,6
Deutschland Onshore gesamt	24.867	38.116	11,7

Das Bundesland Schleswig-Holstein plant ab 2020 300 % seines theoretischen Strombedarfs durch Erneuerbare Energien zu decken, wobei die Windenergie den größten Teil beisteuern wird.

Niedersachsen plant bis 2020 90 % des Stromes aus erneuerbaren Quellen zu beziehen, wovon der größte Teil von der Onshore-Windenergie gedeckt werden soll.

In Nordrhein-Westfalen erhöhte die schwarz-gelbe Landesregierung im Jahr 2005 den Mindestabstand für neu zu bauende Windenergieanlagen zum nächsten Gebäude von 500 m auf 1500 m. Damit brachte sie den Bau von neuen Anlagen fast zum Erliegen. Im Juli 2011 lockerte die rot-grüne Landesregierung mit einem neuen ‚Windenergieerlass‘ Bestimmungen, die bis dahin den Ausbau der Windenergie gebremst hatten.

In den süddeutschen Ländern Baden-Württemberg und Bayern sowie Hessen wurde der Ausbau der Windenergie z. B. durch sehr große Ausschlussflächen und Höhenbegrenzungen für Anlagen administrativ behindert, wodurch es nur zu einem geringen Zubau an Windkraftanlagen kam. Spätestens seit der Nuklearkatastrophe von Fukushima setzte jedoch ein Umdenken ein, sodass nun auch in Süddeutschland der Ausbau der Windenergie forciert wird.^[101] In Bayern haben Bürger eine Klagegemeinschaft gegründet, um die administrative Behinderung der Windkraft durch die bayerische Staatsregierung auf juristischem Wege anzugehen. Die mittlerweile grün-rote Landesregierung Baden-Württembergs senkte mit dem „Windenergieerlass Baden-Württemberg“ die administrativen Hürden.

Offshore-Windenergie

Seit 2009 ist in Deutschland der Bau von Offshore-Windparks wirtschaftlich attraktiv. Als erster Offshore-Windpark wurde der als kommerzielles Testobjekt entwickelte Offshore-Windpark alpha ventus im Jahr 2010 in Betrieb genommen. 2011 folgte der Ostsee-Windpark Baltic 1. Größere Anlagen gingen erst danach sukzessive ans Netz. Insgesamt ist der Ausbau der Offshore-Windenergie in Deutschland erst im Anfangsstadium begriffen.

Im Jahr 2014 speisten insgesamt 142 neue Offshore-Windkraftanlagen mit einer Gesamtleistung von 528,9 MW ins Netz ein. Zusätzlich wurden 268 weitere Windkraftanlagen errichtet, deren Netzanschluss noch aussteht. Insgesamt waren Ende 2014 258 Offshore-Windkraftanlagen mit einer Gesamtleistung von 1.049 MW in Betrieb.

Status der Offshore-Windenergie	Anzahl WKA (Ende 2014)	Leistung in MW (Ende 2014)
Anlagen mit Netzeinspeisung	258	1.049
Anlagen ohne Netzeinspeisung	285	1.303
Installierte Fundamente ohne WKA	220	–

Als Sonnenenergie oder Solarenergie bezeichnet man die Energie der Sonnenstrahlung, die in Form von elektrischem Strom, Wärme oder chemischer Energie technisch genutzt werden kann. Sonnenstrahlung ist dabei die elektromagnetische Strahlung, die auf der Sonnenoberfläche wegen ihrer Temperatur von ca. 5500 °C alsSchwarzkörperstrahlung entsteht, was letztlich auf Kernfusionsprozessen im Sonneninneren (dem Wasserstoffbrennen) zurückgeht.

Die Sonnenenergie lässt sich sowohl direkt (z. B. mit Photovoltaikanlagen oder Sonnenkollektoren) als auch indirekt (z. B. mittels Wasserkraftwerken, Windkraftanlagenund in Form von Biomasse) nutzen. Die Nutzung der Solarenergie ist ein Beispiel für eine moderne Backstop-Technologie.

Intensität

Die die Erde erreichende Sonnenstrahlung ist, seitdem sie gemessen wird, annähernd konstant; es gibt auch keine Hinweise auf deutliche Schwankungen in historischer Zeit. Die durchschnittliche Intensität der Sonneneinstrahlung beträgt an der Grenze der Erdatmosphäre etwa 1,367 kW/m²; dieser Wert wird auch als Solarkonstantebezeichnet. Ein Teil der eingestrahlten Energie wird von der

Photovoltaikanlage in Berlin-Adlershof

Atmosphäre von festen (z. B. Eiskristallen, Staub) oder flüssigen Schwebeteilchen sowie von den gasförmigen Bestandteilen gestreut und reflektiert. Ein weiterer Teil wird von der Atmosphäre absorbiert und bereits dort in Wärme umgewandelt. Der Rest geht durch die Atmosphäre hindurch und erreicht die Erdoberfläche. Dort wird er wiederum zum Teil reflektiert, zum Teil wird er absorbiert und in Wärme umgewandelt. Unter anderem in der Photosynthese, Photothermik und der Photovoltaik wird diese nutzbar gemacht. Die prozentuale Verteilung der Einstrahlung auf Reflexion, Absorption und Transmission hängt vom jeweiligen Zustand der Atmosphäre ab. Dabei spielen die Luftfeuchtigkeit, die Bewölkung und die Länge des Weges, den die Strahlen durch die Atmosphäre nehmen müssen, eine Rolle. Die auf die Erdoberfläche auftreffende Strahlung beträgt weltweit im Tagesdurchschnitt (bezogen auf 24 Stunden) noch ungefähr 165 W/m² (mit erheblichen Schwankungen je nach Breitengrad, Höhenlage und Witterung). Die gesamte auf die Erdoberfläche auftreffende Energiemenge ist mehr als fünftausend Mal größer als der Energiebedarf der Menschheit. Letztlich wird die gesamte Energie der Sonne in Form von Wärmestrahlung wieder an den Weltraum abgegeben.

Nutzung der Sonnenenergie

Der Menge nach größter Nutzungsbereich der Sonnenenergie ist die Erwärmung der Erde, so dass im oberflächennahen Bereich biologische Existenz in den bekannten Formen möglich ist, gefolgt von der Photosynthese der Algen und Höheren Pflanzen. Die meisten Organismen, die Menschen eingeschlossen, sind entweder direkt (als Pflanzenfresser) oder indirekt (als Fleischfresser) von der Sonnenenergie abhängig. Brennstoff und Baumaterial stammen ebenfalls daraus. Die Sonnenenergie ist weiterhin dafür verantwortlich, dass es in der Atmosphäre zu Luftdruckunterschieden kommt, die zu Wind führen. Auch der Wasserkreislauf der Erde wird von der Sonnenenergie angetrieben.

Neben diesen „natürlichen“ Effekten gibt es zunehmend eine technische Nutzung vor allem im Bereich Energieversorgung. Da die Sonnenenergie eine regenerative Energiequelle ist, wird ihre Nutzung in vielen Ländern gefördert, in Deutschland beispielsweise durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG).

Wasserstoff ist ein chemisches Element mit dem Symbol H (für lateinisch hydrogenium „Wassererzeuger“; von altgriechisch ὕδωρ hydōr „Wasser“ und γίγνομαιgignomai „werden, entstehen“) und der Ordnungszahl 1. Im Periodensystem steht es in der 1. Periode und der 1. Gruppe, nimmt also den ersten Platz ein.

Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Universum, jedoch nicht in der Erdrinde. Er ist Bestandteil des Wassers und beinahe aller organischen Verbindungen. Somit kommt gebundener Wasserstoff in sämtlichen lebenden Organismen vor.

Wasserstoff ist das chemische Element mit der geringsten Atommasse. Sein häufigstes Isotop, das auch als Protium bezeichnet wird, enthält kein Neutron, sondern besteht aus nur einem Proton und einem Elektron. Unter Bedingungen, die normalerweise auf der Erde herrschen (siehe auch Normalbedingungen), kommt nicht dieser atomare Wasserstoff vor, sondern stattdessen die dimerisierte Form, der molekulare Wasserstoff H₂, ein farb- und geruchloses Gas. Bei bestimmten chemischen Reaktionen tritt Wasserstoff vorübergehend atomar als H auf, bezeichnet als naszierender Wasserstoff. In dieser Form reagiert er besonders stark mit anderen Verbindungen oder Elementen.

Geschichte

Entdeckt wurde Wasserstoff vom englischen Chemiker und Physiker Henry Cavendish im Jahre 1766, als er mit Metallen (Eisen, Zink und Zinn) und Säuren experimentierte. Cavendish nannte das dabei entstandene Gas wegen seiner Brennbarkeit „inflammable air“. Er untersuchte das Gas eingehend und veröffentlichte seine Erkenntnisse darüber noch im selben Jahr.^[10] Auf ähnliche Weise (Einwirkung von Säuren auf Metalle) beobachteten allerdings schon im 17. Jahrhundert Théodore Turquet de Mayerne (um 1620) und Robert Boyle (um 1670) Knallgas.

Eine genauere Analyse geschah durch Antoine Laurent de Lavoisier, der dem Wasserstoff seinen Namen gab. Der französische Chemiker entdeckte das Gas im Jahr 1787 unabhängig von Cavendish, als er in einem Experiment zeigen wollte, dass bei chemischen Reaktionen keine Masse verloren geht oder erzeugt wird. Er leitete Wasserdampf in einer abgeschlossenen Apparatur über glühende Eisenspäne und ließ ihn an anderer Stelle kondensieren. Dabei stellte er fest, dass die Masse des kondensierten Wassers etwas geringer war als die der ursprünglichen Menge. Dafür entstand ein Gas, dessen Masse zusammen mit dem Gewichtszuwachs des oxidierten Eisens genau der „verloren gegangenen“ Wassermenge entsprach. Sein eigentliches Experiment war also erfolgreich.

Lavoisier untersuchte das entstandene Gas weiter und führte die heute als Knallgasprobe bekannte Untersuchung durch, wobei das Gas verbrannte. Er nannte es daher zunächst „brennbare Luft“. Als er in weiteren Experimenten zeigte, dass sich aus dem Gas umgekehrt Wasser erzeugen lässt, taufte er es hydro-gène (griechisch: hydro = Wasser; genes = erzeugend). Das Wort bedeutet demnach: „Wassererzeuger“. Die deutsche Bezeichnung lässt auf die gleiche Begriffsherkunft schließen.

Vorkommen

Wasserstoff ist das häufigste chemische Element in der Sonne und den großen Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus undNeptun, die über 99,99 % der Masse des Sonnensystems in sich vereinen. Wasserstoff stellt 75 % der gesamten Masse beziehungsweise 93 % aller Atome des Sonnensystems. Im gesamten Weltall wird (unter Nichtbeachtung dunkler Materie) ein noch höherer Anteil an Wasserstoff vermutet.

Vorkommen im Universum

Kurz nach der Entstehung des Universums waren nach der mutmaßlichen Vernichtung der Antimaterie durch ein geringes Übermaß der Materie und der Kondensation eines Quark-Gluon-Plasmas zu Baryonen nur mehr Protonen und Neutronen (nebst Elektronen) vorhanden. Bei den vorherrschenden hohen Temperaturen vereinigten sich diese zu leichten Atomkernen, wie ²H und ⁴He. Die meisten Protonen blieben unverändert und stellten die zukünftigen ¹H-Kerne dar. Nach ungefähr 380.000 Jahren war die Strahlungsdichte des Universums so gering geworden, dass sich Wasserstoff-Atome einfach durch Zusammenschluss der Kerne mit den Elektronen bilden konnten, ohne gleich wieder durch ein Photon auseinandergerissen zu werden.

Mit der weitergehenden Abkühlung des Universums formten sich unter dem Einfluss der Gravitation und ausgehend von räumlichen Dichteschwankungen allmählich Wolken aus Wasserstoffgas, die sich zunächst großräumig zu Galaxien und darin zu Protosternen zusammenballten. Unter dem wachsenden Druck der Schwerkraft setzte schließlich die Kernfusionein, bei der Wasserstoff zu Helium verschmilzt. So entstanden erste Sterne und später die Sonne.

Sterne bestehen weit überwiegend aus Wasserstoff-Plasma. Die Kernfusion von Wasserstoff ¹H zu Helium ⁴He erfolgt hauptsächlich über die Zwischenstufen Deuterium ²H undHelium ³He oder über den Bethe-Weizsäcker-Zyklus. Die dabei frei werdende Energie ist die Energiequelle der Sterne. Der in unserer Sonne enthaltene Wasserstoff macht den größten Teil der gesamten Masse unseres Sonnensystems aus.

Auch die Gasplaneten bestehen zu großen Teilen aus Wasserstoff. Unter den extremen Drücken, die in großen Tiefen in den großen Gasplaneten Jupiter und Saturn herrschen, kann er in metallischer Form existieren. Dieser Zustand ist wegen der elektrischen Leitfähigkeit vermutlich für die Ausbildung der planetaren Magnetfelder verantwortlich.

Außerhalb von Sternensystemen kommt Wasserstoff auch in Gaswolken vor. In den so genannten H-I-Gebieten liegt das Element molekular und nichtionisiert vor. Diese Gebiete emittieren Strahlung von etwa 1420 MHz, die sogenannte 21-cm-Linie, auch HI- oder Wasserstofflinie genannt, die von Übergängen des Gesamtdrehimpulses herrührt. Sie spielt eine wichtige Rolle in der Astronomie und dient dazu, Wasserstoffvorkommen im All zu lokalisieren und zu untersuchen.

Ionisierte Gaswolken mit atomarem Wasserstoff nennt man dagegen H-II-Gebiete. In diesen Gebieten senden Sterne hohe Mengen ionisierender Strahlung aus. Mit Hilfe der H-II-Gebiete lassen sich Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der interstellaren Materie ziehen. Wegen ständiger Ionisation und Rekombination der Atome senden sie mitunter sichtbare Strahlung aus, die oft so stark ist, dass man diese Gaswolken mit einem kleinen Fernrohr sehen kann.

Irdische Vorkommen

Auf der Erde ist der Massenanteil wesentlich geringer. Bezogen auf die Erd-Gesamtmasse bestehen etwa 0,12 % und bezogen auf die Erdkruste etwa 2,9 % aus Wasserstoff. Außerdem liegt der irdische Wasserstoff im Gegensatz zu den Vorkommen im All überwiegend gebunden und nur selten in reiner Form als unvermischtes Gas vor. Die bekannteste und am häufigsten auftretende Verbindung ist das Wasser. Neben diesem sind auch Erdgase wie z. B. Methan sowie das Erdöl wichtige wasserstoffhaltige Verbindungen auf der Erde. Auch in mehr als der Hälfte aller bisher bekannten Minerale ist Wasserstoff enthalten.

Der größte Anteil irdischen Wasserstoffs kommt in der Verbindung Wasser vor. In dieser Form bedeckt er über zwei Drittel der Erdoberfläche. Die gesamten Wasservorkommen der Erde belaufen sich auf circa 1,386 Milliarden km³. Davon entfallen 1,338 Milliarden km³ (96,5 %) auf Salzwasser in den Ozeanen. Die verbliebenen 3,5 % liegen als Süßwasser vor. Davon befindet sich wiederum der größte Teil im festen Aggregatzustand: in Form von Eis in der Arktis und Antarktis sowie in den Permafrostböden vor allem in Sibirien. Der geringe restliche Anteil ist flüssiges Süßwasser und findet sich meist in Seen und Flüssen, aber auch in unterirdischen Vorkommen, etwa als Grundwasser.

In der Erdatmosphäre liegt Wasserstoff hauptsächlich chemisch gebunden in Form von Wasserdampf vor. Dessen Anteil an der Luft schwankt stark und liegt bei bis zu über 4 Volumenprozent. Er wird als relative Luftfeuchtigkeit gemessen. Diese gibt den Anteil an Wasserdampf im Verhältnis zum temperaturabhängigen Sättigungsdampfdruck an. Beispielsweise entsprechen bei 30 °C Lufttemperatur 100 % Luftfeuchtigkeit 4,2 Volumenprozent Wasserdampf in der Luft.

Die Häufigkeit von molekularem Wasserstoff in der Atmosphäre beträgt nur 0,55 ppm. Dieser niedrige Anteil kann mit der hohen thermischen Geschwindigkeit der Moleküle und dem hohen Anteil an Sauerstoff in der Atmosphäre erklärt werden. Bei der mittleren Temperatur der Atmosphäre bewegen sich die H₂-Teilchen im Durchschnitt mit fast 2 km/s. Das ist rund ein Sechstel der Fluchtgeschwindigkeit auf der Erde. Aufgrund der Maxwell-Boltzmann-Verteilung der Geschwindigkeiten der H₂-Moleküle gibt es aber dennoch eine beträchtliche Zahl von Molekülen, welche die Fluchtgeschwindigkeit trotzdem erreichen. Die Moleküle haben jedoch nur eine extrem geringe freie Weglänge, sodass nur Moleküle in den oberen Schichten der Atmosphäre tatsächlich entweichen. Weitere H₂-Moleküle kommen aus darunter liegenden Schichten nach, und es entweicht wieder ein bestimmter Anteil, bis letztlich nur noch Spuren des Elements in der Atmosphäre vorhanden sind. Zudem wird der Wasserstoff in den unteren Schichten der Atmosphäre durch eine photoaktivierte Reaktion mit Sauerstoff zu Wasser verbrannt. Bei einem geringen Anteil stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Verbrauch und Neuproduktion (durch Bakterien und photonische Spaltung des Wassers) ein.

Gewinnung

Molekularer Wasserstoff

Einfache chemische Prozesse zur Produktion von H₂ sind die Reaktion verdünnter Säuren mit unedlen Metallen (z. B. Zink) oder die Zersetzung des Wassers durch Alkalimetalle. Diese im chemischen Laboratorium für kleine Mengen üblichen Methoden sind aber für die industrielle Herstellung ungeeignet und unwirtschaftlich.

Eine Methode zur industriellen Gewinnung von molekularem Wasserstoff ist die Dampfreformierung. Unter hoher Temperatur und hohem Druck werden Kohlenwasserstoffe mit Wasser umgesetzt. Dabei entsteht  Synthesegas, ein Gemisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Das Mengenverhältnis kann dann durch die sogenannte Wassergas-Shift-Reaktion eingestellt werden. Diese Methode wird hauptsächlich für industrielle Hochdrucksynthesen eingesetzt. Die zweite gängige Methode in der Industrie ist die partielle Oxidation. Hierbei reagiert meistens Erdgas mit Sauerstoff unter Bildung von H₂ und Kohlenmonoxid.

Eine alte und effiziente Möglichkeit zur Wasserstoffgewinnung ist die Elektrolyse von Wasser. Dabei wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.

Wasser wird durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.

Meist wird dem Wasser ein wenig Säure zur Katalyse der Reaktion zugesetzt. An der Kathode entsteht Wasserstoffgas, an der Anode Sauerstoffgas, im Mol- und Volumenverhältnis 2:1.

Diese Methode wird heute nur noch in sehr geringem Umfang eingesetzt, vor allem zur Gewinnung von „schwerem Wasser“, das sich bei der Elektrolyse im nicht umgesetzten Rest anreichert.

Eine sehr moderne Methode ist das Kværner-Verfahren. Dabei zerlegt ein Plasmabrenner Kohlenwasserstoffe zu Kohlenstoff und Wasserstoff und erreicht dabei enorm hohe Wirkungsgrade. Ein anderes modernes Verfahren bedient sich der Grünalgen. Hier kommen biologische Prozesse zum Einsatz. Die benötigte Energie entnehmen die Algen einfach dem Sonnenlicht. Das Verfahren ist also sehr ökologisch, der Unterhalt der Algen verursacht jedoch hohe Kosten und ist somit wenig ökonomisch und wird deshalb kaum angewendet.

Forscher am Leibniz-Institut für Katalyse in Rostock stellten 2011 einen neuen Katalysator vor, mit dessen Hilfe sich Alkohol zur Wasserstoffgewinnung nutzen lässt. Der Katalysator auf Basis eines Ruthenium-Komplexes zeigt eine bisher unerreicht hohe Effizienz bei der Erzeugung von Wasserstoff aus Alkoholen unter milden Reaktionsbedingungen bei Temperaturen zwischen 60 und 80 °C, wobei die Umsatzrate im Vergleich zu bisherigen Katalysatorsystemen um fast eine Zehnerpotenz höher liegt.

Atomarer Wasserstoff

Atomarer Wasserstoff kann durch Zufuhr der Dissoziationsenergie aus dem molekularen Element erzeugt werden. Methodisch wird dieses bewerkstelligt durch Erhitzung auf mehrere tausend Grad, elektrische Entladung bei hoher Stromdichte und niedrigem Druck, Bestrahlung mit Ultraviolettlicht, Beschuss mit Elektronen bei 10 bis 20 Elektronenvolt oder Mikrowellenstrahlung. Allerdings reagiert atomarer Wasserstoff (z. B. an Behälterwänden) sehr schnell wieder zu molekularem Wasserstoff. Es stellt sich somit ein Fließgleichgewicht ein, das in der Regel weit auf der Seite des molekularen Wasserstoffs liegt.

Durch Energiezufuhr dissoziiert molekularer Wasserstoff in die atomare Form.

Zur Darstellung von größeren Mengen atomaren Wasserstoffs sind das Woodsche Darstellungsverfahren (Robert Williams Wood, 1898) und dasjenige von Irving Langmuir, die Langmuir-Fackel besonders geeignet.

Physikalische Eigenschaften

Wasserstoff ist das Element mit der geringsten Dichte. Molekularer Wasserstoff (H₂, ein Molekül besteht also jeweils aus 2 Wasserstoffatomen) ist etwa 14,4-mal leichter als Luft. Sein Siedepunkt liegt bei 21,15 K (−252 °C), der Schmelzpunkt bei 14,02 K (−259 °C). Wasserstoff ist in Wasser und anderen Lösungsmitteln schlecht löslich. Für Wasser beträgt die Löslichkeit 18,2 mL/L bei 20 °C und Normaldruck. Dagegen ist die Löslichkeit (genauer Volumenkonzentration) in Metallen deutlich höher.

Einige thermodynamische Eigenschaften (Transportphänomene) sind aufgrund der geringen Molekülmasse und der daraus resultierenden hohen mittleren Geschwindigkeit der Wasserstoffmoleküle (1770 m/s bei 25 °C) von besonderer Bedeutung, (wie z. B. beim Oberth-Effekt-Raketentreibstoff). Wasserstoff besitzt bei Raumtemperatur das höchsteDiffusionsvermögen, die höchste Wärmeleitfähigkeit und die höchste Effusionsgeschwindigkeit aller Gase. Eine geringere Viskosität weisen nur drei- oder mehratomige reale Gasewie zum Beispiel n-Butan auf.

Die Mobilität des Wasserstoffs in einer festen Matrix ist, bedingt durch den geringen Molekülquerschnitt, ebenfalls sehr hoch. So diffundiert Wasserstoff durch Materialien wie Polyethylen und glühendes Quarzglas. Ein sehr wichtiges Phänomen ist die außerordentlich hohe Diffusionsgeschwindigkeit in Eisen, Platin und einigen anderen Übergangsmetallen, da es dort dann zur Wasserstoffversprödung kommt. In Kombination mit einer hohen Löslichkeit treten bei einigen Werkstoffen extrem hohe Permeationsraten auf. Hieraus ergeben sich technische Nutzungen zur Wasserstoffanreicherung, aber auch technische Probleme beim Transportieren, Lagern und Verarbeiten von Wasserstoff und Wasserstoffgemischen, da nur Wasserstoff diese räumlichen Begrenzungen durchwandert (siehe Sicherheitshinweise).

Wasserstoff hat ein Linienspektrum und je nach Temperatur des Gases im sichtbaren Bereich ein mehr oder weniger ausgeprägtes kontinuierliches Spektrum. Letzteres ist beim Sonnenspektrum besonders ausgeprägt. Die erstenSpektrallinien im sichtbaren Bereich, zusammengefasst in der so genannten Balmer-Serie, liegen bei 656 nm, 486 nm, 434 nm und 410 nm. Daneben gibt es weitere Serien von Spektrallinien im Infrarot- (Paschen-Serie, Brackett-Serie undPfund-Serie) und eine im Ultraviolettbereich (Lyman-Serie) des elektromagnetischen Spektrums. Eine besondere Bedeutung in der Radioastronomie hat die 21-Zentimeter-Linie (HI-Linie) in der Hyperfeinstruktur.

In einem magnetischen Feld verhält sich H₂ sehr schwach diamagnetisch. Das bedeutet, die Dichte der Feldlinien eines extern angelegten Magnetfeldes nimmt in der Probe ab. Die magnetische Suszeptibilität ist bei Normdruck = −2,2 · 10⁻⁹ und typischerweise einige Größenordnungen unter der von diamagnetischen Festkörpern.

Gegenüber elektrischem Strom ist H₂ ein Isolator. In einem elektrischen Feld hat er eine Durchschlagsfestigkeit von mehreren Millionen Volt pro Meter.

Der Atomradius von Wasserstoff wurde mit 37 Pikometer gemessen und es ist somit der kleinste messbare Wert. In höchstangeregten Wasserstoffatomen, siehe Rydberg-Zustand, wie sie unter den Vakuumbedingungen interstellarer Nebel vorkommen, fliegen deren Elektronen auf Bahnen mit Atomradien von bis zu 0,339 Millimetern.

Aggregatzustände

Bei Temperaturen unterhalb von 21,15 K kondensiert Wasserstoff zu einer klaren, farblosen Flüssigkeit. Dieser Zustand wird als LH₂ abgekürzt (engl. liquid, „flüssig“). Unterhalb von 14,02 K (−259,2 °C) bildet Wasserstoff einen kristallinen Festkörper mit hexagonal dichtester Kugelpackung (hcp), dort ist jedes Molekül von zwölf weiteren umgeben. Am Gefrierpunkt bildet sich beim Abkühlen ein schlammartiges Zweiphasengemisch, ein sogenannter Slush.

Anders als bei Helium tritt beim Verflüssigen von einfachem Wasserstoff ( ¹H) keine Suprafluidität auf; prinzipiell kann aber das Isotop Deuterium ( ²H) suprafluid werden.

Der Tripelpunkt des Wasserstoffs, bei dem seine drei Aggregatzustände gleichzeitig vorkommen, ist einer der Fixpunkte der Internationalen Temperaturskala. Er liegt bei einer Temperatur von exakt 13,8033 K und einem Druck von 7,042 kPa.^[15] Der kritische Punkt liegt bei 33,18 K und 13,0 bar, die kritische Dichte beträgt 0,03012 g/cm³ (die niedrigste kritische Dichte aller Elemente).

Unter extremen Drücken, wie sie innerhalb von Gasplaneten herrschen, wird wahrscheinlich metallischer Wasserstoff, d. h. in metallischer Form, ausgebildet. Dabei wird er elektrisch leitend (vgl. Leiterbahn).

Atom- und kernphysikalische Eigenschaften

Ein einzelnes Wasserstoffatom besteht aus einem positiv geladenen Kern und einem negativ geladenen Elektron, das über die Coulomb-Wechselwirkung an den Kern gebunden ist. Dieser besteht stets aus einem einzelnen Proton (Hauptisotop ¹H) und seltener je nach Isotop einem oder zwei zusätzlichen Neutronen (²H bzw. ³H-Isotop). Das Wasserstoffatom ¹H spielte aufgrund seines einfachen Aufbaus in der Entwicklung der Atomphysik als „Modellatom“ eine herausragende Rolle.

So entstand 1913 aus Untersuchungsergebnissen am Wasserstoff das bohrsche Atommodell, mit dessen Hilfe eine vergleichsweise einfache Beschreibung vieler Eigenschaften des Wasserstoffatoms möglich ist. Man stellt sich dazu vor, dass das Elektron den Kern auf einer bestimmten Kreisbahn umläuft. Nach Bohr kann das Elektron auch auf andere, im Abstand zum Kern genau definierte Bahnen springen, so auch auf weiter außen liegende, wenn ihm die dazu nötige Energie zugeführt wird (z. B. durch Stöße im erhitzten Gas oder in der elektrischen Gasentladung). Beim Rücksprung von einer äußeren auf eine innere Bahn wird jeweils eine elektromagnetische Strahlung oder Welle einer bestimmten, der frei werdenden Energie entsprechende Wellenlänge abgegeben. Mit diesem Modell lassen sich die Spektrallinien des H-Atoms erklären, die im sichtbaren Licht bei Wellenlängen von 656 nm, 486 nm, 434 nm und 410 nm liegen (Balmer-Serie); im ultravioletten Bereich liegt die Lyman-Serie mit Wellenlängen von 122 nm, 103 nm, 97 nm und 95 nm. Wichtige Serien im Infraroten sind die Paschen-Serie (1,9 µm; 1,3 µm; 1,1 µm und 1 µm) und die Brackett-Serie (4,1 µm; 2,6 µm; 2,2 µm und 1,9 µm) (in allen Serien sind hier nur die ersten vier Linien angegeben). Das Bohrsche Modell reicht aber bei der Betrachtung von Details und für andere Atome zur Erklärung der dabei beobachteten bzw. gemessenen Phänomene nicht aus.

Physikalisch korrekter ist die quantenmechanische Beschreibung, die dem Elektron anstelle der flachen bohrschen Bahnen räumlich ausgedehnte Atomorbitale zuschreibt. Das H-Atom ist das einzige, für das sich das Eigenwertproblem sowohl der nichtrelativistischen Schrödingergleichung als auch der relativistischen Diracgleichung analytisch, das heißt ohne den Einsatz numerischer Verfahren, lösen lässt. Das ist sonst nur für die ebenfalls ausgiebig untersuchten wasserstoffähnlichen Ionen möglich, denen lediglich ein Elektron verblieben ist (He⁺, Li²⁺, usw. bis U⁹¹⁺ ).

Andere quantenmechanische Phänomene bewirken weitere Effekte. Die Feinstruktur der Spektrallinien kommt u. a. daher, dass Bahndrehimpuls und Spin des Elektrons miteinander koppeln. Berücksichtigt man darüber hinaus den Kernspin, kommt man zur Hyperfeinstruktur. Eine sehr kleine, aber physikalisch besonders interessante Korrektur ist die Lambverschiebung durch elektromagnetische Vakuumfluktuationen. Durch all diese Korrekturen wird bereits das Spektrum des Wasserstoffs zu einem komplexen Phänomen, dessen Verständnis viel theoretisches Wissen in Quantenmechanik und Quantenelektrodynamik erfordert.

Kernspinzustände im H₂-Molekül

Unter normalen Bedingungen ist Wasserstoffgas H₂ ein Gemisch von Molekülen in zwei Zuständen, die sich durch die „Richtung“ ihrer Kernspins zueinander unterscheiden. Diese beiden Formen werden als ortho– undpara-Wasserstoff bezeichnet (kurz o- und p-Wasserstoff). Bei o-Wasserstoff haben die Kernspins die gleiche (parallele) Richtung, während sie beim p-Wasserstoff entgegengesetzte (antiparallele) Richtung aufweisen. o-Wasserstoff ist die energiereichere Form. Die beiden Molekülzustände hängen über folgende, temperaturabhängige Gleichgewichtsbeziehung miteinander zusammen:

Die beiden Formen können unter Energieaufnahme bzw. -abgabe ineinander übergehen.

Im reinen Gas dauert bei tiefen Temperaturen die Einstellung des Gleichgewichts Monate, da die Wechselwirkungen zwischen den Kernen und der Hülle extrem schwach sind. Für diese Zeiten liegt damit praktisch eine Mischung von zwei unterschiedlichen Gasen vor. Trotz gleicher chemischer Zusammensetzung H₂ unterscheiden sie sich sogar makroskopisch durch deutlich verschiedenen Temperaturverlauf der spezifischen Wärme. Abgesehen hiervon sind die physikalischen Eigenschaften von o- und p-Wasserstoff aber nur geringfügig verschieden. Beispielsweise liegen der Schmelz- und Siedepunkt der p-Form etwa 0,1 K unter denen der o-Form.

Am absoluten Nullpunkt findet man ausschließlich p-Wasserstoff. Da es für antiparallele Kernspins (Gesamte Spinquantenzahl S=0) nur einen Spinzustand gibt, bei parallelen Kernspins (S=1) aber drei Zustände verschiedener Orientierung im Raum, liegen im Gleichgewicht unter Standardbedingungen 25 % des Wasserstoffs als p-Form und 75 % als o-Form vor. Über diesen Anteil hinaus kann der Anteil der o-Form im thermodynamischen Gleichgewicht nicht gesteigert werden.

Bei der industriellen Herstellung von flüssigem Wasserstoff spielt der Übergang zwischen o- und p-Wasserstoff eine wichtige Rolle, weil bei der Temperatur der Verflüssigung das Gleichgewicht schon stark zur p-Form hin tendiert und sich spätestens im flüssigen Zustand dann schnell einstellt. Damit die dabei frei werdende Wärme nicht gleich einen Teil der gewonnenen Flüssigkeit wieder verdampfen lässt, beschleunigt man die Einstellung des neuen Gleichgewichts schon im gasförmigen Zustand durch den Einsatz von Katalysatoren.

Chemische Eigenschaften

Besonderheiten

Im Periodensystem steht Wasserstoff in der I. Hauptgruppe, weil er 1 Valenzelektron besitzt. Ähnlich wie die ebenfalls dort stehenden Alkalimetalle hat er in vielen Verbindungen die Oxidationszahl +1. Allerdings sitzt sein Valenzelektron auf der K-Schale, die nur maximal 2 Elektronen haben kann und somit die Edelgaskonfiguration bereits mit 2 Elektronen und nicht mit 8 wie die anderen Schalen erreicht.

Durch Aufnahme eines Elektrons kann er also die Edelgaskonfiguration des Heliums erreichen. Er hat dann die Oxidationszahl −1 und in Bindungen einen Halogencharakter. Diese Bindungen geht er mit sehr unedlen Metallen ein. Man spricht dann von einem Hydrid.

Diese Stellung quasi „in der Mitte“ zwischen Edelgaskonfigurationen, in der er die gleiche Anzahl Elektronen aufnehmen oder abgeben kann, ist eine Eigenschaft, die der IV. Hauptgruppe ähnelt, was seineElektronegativität erklärt, die eher der des Kohlenstoffs als der des Lithiums gleicht.

Aufgrund dieser „gemäßigten“ Elektronegativität sind die für die I. Hauptgruppe typischen Bindungen des Wasserstoffs in der Oxidationszahl +1 keine Ionenbindungen wie bei den Alkalimetallen, sondern kovalenteMolekülbindungen.

Zusammenfassend sind die Eigenschaften des Wasserstoffs für die I. Hauptgruppe atypisch, da aufgrund der Tatsache, dass die K-Schale nur 2 Elektronen aufnehmen kann, auch teilweise Eigenschaften anderer Gruppen hinzukommen.

Molekularer Wasserstoff

Bei Zündung reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff und Chlor heftig, ist sonst aber vergleichsweise beständig und wenig reaktiv. Bei hohen Temperaturen wird das Gas reaktionsfreudig und geht mit Metallen und Nichtmetallen gleichermaßen Verbindungen ein.

Mit Chlor reagiert Wasserstoff exotherm unter Bildung von gasförmigem Chlorwasserstoff, der in Wasser gelöst Salzsäure ergibt. Beide Gase reagieren dabei mit gleichen Stoffmengenanteilen:

je ein Chlor- und Wasserstoffmolekül reagieren zu zwei Chlorwasserstoffmolekülen

Diese Reaktion ist unter dem Namen Chlorknallgasreaktion bekannt, die sich schon durch die Bestrahlung mit Licht zünden lässt. Für die Knallgasreaktion (Wasserstoff und Sauerstoff) bedarf es einer Zündung.

je ein Sauerstoff- und zwei Wasserstoffmoleküle reagieren zu zwei Wassermolekülen

Die aggressivste Reaktion bei niedrigen Temperaturen geht jedoch Wasserstoff mit Fluor ein. Wird Wasserstoffgas bei −200 °C auf gefrorenes Fluor geleitet, reagieren die beiden Stoffe sofort explosiv miteinander.

je ein Fluor- und Wasserstoffmolekül reagieren zu zwei Fluorwasserstoffmolekülen

Wird der molekulare Wasserstoff ionisiert, so spricht man vom Diwasserstoff-Kation. Dieses Teilchen tritt z. B. in Niedertemperatur-Plasmaentladungen in Wasserstoff als häufiges Ion auf.

Ionisation durch ein schnelles Elektron im Plasma

Angeregter Wasserstoff

Wasserstoff im statu nascendi, d. h. im Zustand des Entstehens unmittelbar nach einer Wasserstoff erzeugenden Reaktion, existiert nur für Sekundenbruchteile. Innerhalb dieser Zeitspanne reagieren in der Regel zwei H-Atome miteinander. Aber auch nach diesem Zusammenschluss liegt der Wasserstoff für kurze Zeit in einem angeregten Zustand vor und kann so – abweichend vom „normalen“ chemischen Verhalten – für verschiedene Reaktionen genutzt werden, die mit molekularem Wasserstoff nicht möglich sind.

So gelingt es zum Beispiel nicht, mit Hilfe von im Kippschen Apparat erzeugtem Wasserstoffgas, in einer angesäuerten, violetten Kaliumpermanganatlösung (KMnO₄) oder gelben Kaliumdichromatlösung (K₂Cr₂O₇) den die Reduktion anzeigenden Farbwechsel hervorzurufen. Mit direkt in diesen Lösungen, durch Zugabe von Zinkpulver generiertem Wasserstoff in statu nascendi gelingt diese reduktive Farbänderung.

Nascierender Wasserstoff vermag unter sauren Bedingungen violette Permanganatlösung zu entfärben.

Unter sauren Bedingungen wird gelbe Dichromatlösung grün durch die reduktive Wirkung des nascierenden Wasserstoffs.

Atomarer Wasserstoff

Um molekularen Wasserstoff in die Atome zu zerlegen, muss Energie von etwa 4,5 eV pro Molekül oder genauer 436,22 kJ/mol aufgewendet werden (der Chemiker spricht von Enthalpie); beim Zusammenschluss zu Wasserstoffmolekülen (H₂ ) wird diese Energie wieder freigesetzt:

Zwei H-Atome reagieren zu einem H₂-Molekül und setzen dabei Energie frei.

Das Gleichgewicht dieser Reaktion liegt unter Normalbedingungen vollkommen auf der rechten Seite der dargestellten Gleichung, denn atomarer Wasserstoff reagiert sehr rasch (z B. an Behälterwänden) und starkexotherm zu molekularem Wasserstoff (oder mit anderen Reaktionspartnern, wenn solche in der Nähe sind).

Eine Anwendung findet diese Reaktion beim Arcatom-Schweißen.

Auch im Weltraum liegt bei niedrigen Temperaturen in der Regel molekularer Wasserstoff vor. In der Nähe heißer Sterne wird molekularer Wasserstoff jedoch von deren Strahlung aufgespalten, so dass dort die atomare Form überwiegt. Diese ist zwar sehr reaktiv und geht schnell neue Verbindungen ein, vor allem mit anderen Wasserstoffatomen, die jedoch von der Strahlung ebenfalls wieder gespalten werden. Siehe dazu auch H-II-Gebiet.

Anmerkung: Wasserstoff in den Sternen liegt nicht nur atomar vor, sondern auch als Plasma: Die Elektronen sind infolge der dort herrschenden hohen Temperaturen je nach Temperatur von den Protonen mehr oder weniger abgetrennt. Die Oberfläche der Sonne hat jedoch nur eine Temperatur von ungefähr 6000 °C. Bei dieser Temperatur ist immer noch der größte Teil des Wasserstoffes nicht ionisiert und sogar molekular, d. h. das Gleichgewicht liegt weit auf der Seite des molekularen Wasserstoffes. Die thermische Energie ist bei 6000 °C weit unter der Energie von 4,5 eV, die zur Auflösung der molekularen Bindung erforderlich ist. Die Sonne ist jedoch in der Korona mit mindestens einer Million Kelvin wesentlich heißer. Daher sind im Sonnenlicht die Übergänge der Elektronen im atomaren Wasserstoff erkennbar. Chemische Verbindungen können sich bei so hohen Temperaturen kaum bilden und zerfallen sofort.

Wasserstoffbrückenbindung

Eine wichtige Eigenschaft des Wasserstoffs ist die so genannte Wasserstoffbrückenbindung, eine anziehende elektrostatische Kraft zwischen zwei Molekülen. Ist Wasserstoff an ein stark elektronegatives Atom, wie zum Beispiel Fluor oder Sauerstoff, gebunden, so befindet sich sein Elektron eher in der Nähe des Bindungspartners. Es tritt also eine Ladungsverschiebung auf und das H-Atom wirkt nun positiv polarisiert. Der Bindungspartner wirkt entsprechend negativ. Kommen sich zwei solche Moleküle nahe genug, tritt eine anziehende elektrische Kraft zwischen dem positiven H-Atom des einen Moleküls und des negativen Teils des jeweiligen Partners auf. Das ist eine Wasserstoffbrückenbindung.

Da die Wasserstoffbrückenbindung mit nur 17 kJ/mol bis 167 kJ/mol^[16] schwächer ist als die Bindungskraft innerhalb eines Moleküls, verbinden sich die Moleküle nicht dauerhaft. Vielmehr bleibt die Wasserstoffbrücke wegen ständiger Bewegung nur Bruchteile einer Sekunde bestehen. Dann lösen sich die Moleküle voneinander, um erneut eine Wasserstoffbrückenbindung mit einem anderen Molekül einzugehen. Dieser Vorgang wiederholt sich ständig.

Die Wasserstoffbrückenbindung ist für viele Eigenschaften verschiedener Verbindungen verantwortlich, wie etwa DNA oder Wasser. Bei Letzterem führen diese Bindungen zu den Anomalien des Wassers, insbesondere der Dichteanomalie.

Deuterium und Tritium

Es existieren drei natürlich vorkommende Isotope des Wasserstoffs. Von allen Elementen unterscheiden sich beim Wasserstoff – wenn auch nur geringfügig – die Isotope in ihren chemischen Reaktionsfähigkeiten am meisten. Das liegt an dem vergleichsweise großen Unterschied der Atommasse (Deuterium ²H doppelt, Tritium ³H dreimal so schwer wie Wasserstoff ¹H). In jüngerer Zeit gelang es, vier weitere Wasserstoffisotope nachzuweisen (⁴H, ⁵H, ⁶H und ⁷H).^[17] Diese haben aber alle eine sehr kurze Lebensdauer (< 10⁻²¹ s).

Isotop	Name	Symbol	Eigenschaften
1H	Protium	H	Das einfachste Wasserstoff-Isotop 1H besitzt keine Neutronen im Kern und wird gelegentlich Protium genannt. Es hat mit einer relativen Häufigkeit von 99,98 % den weitaus größten Anteil am irdisch vorkommenden Wasserstoff. Es ist nicht radioaktiv, also stabil.
2H	Deuterium	D	Das Isotop 2H hat neben dem Proton ein Neutron im Kern. Man bezeichnet es als Deuterium. Für Deuterium gibt es das D als ein eigenes Elementsymbol. Verwendung findet es z. B. als Bestandteil von Lösungsmitteln für die 1H-NMR Spektroskopie, da es dabei kein störendes Nebensignal liefert. Es macht 0,015 % aller Wasserstoffatome aus. Deuterium ist ebenfalls stabil.
3H	Tritium	T	Tritium ist das dritte natürlich vorkommende Isotop des Wasserstoffs. Es hat aber nur einen verschwindenden Anteil am gesamten in der Natur vorkommenden Wasserstoff. Tritium besitzt zwei Neutronen und wird mit 3H oder T gekennzeichnet. Tritium ist radioaktiv und zerfällt durch Betazerfall (β−) mit einer Halbwertszeit von 12,32 Jahren in 3He. Tritium wird durchKernreaktionen in der oberen Erdatmosphäre ständig als kosmogenes Radionuklid gebildet.[18] Bei einem Gleichgewicht von natürlicher Produktion und Zerfall ergibt sich, entsprechend der Quelle, ein Inventar von 3,5 kg auf der Erde. Tritium kann in Oberflächenwassern und in Lebewesen nachgewiesen werden. Durch Kernwaffentests ist die Konzentration des Tritiums in der Atmosphäre nach 1950 deutlich angestiegen.

Wasserstoffähnliche Isotope

Durch die Einbeziehung von Myonen, negativ geladenen instabilen Elementarteilchen mit ungefähr 10% der Masse eines Protons, können exotische kurzlebige Strukturen erstellt werden, die sich chemisch wie ein Wasserstoffatom verhalten. Da Myonen selten natürlich vorkommen und ihre Lebensdauer lediglich 2 µs beträgt, werden solche Wasserstoffisotope künstlich an Teilchenbeschleunigern hergestellt.

Das Myonium besteht aus einem Elektron und einem positiv geladenen Antimyon, das die Rolle des Protons (also des Atomkerns) einnimmt. Auf Grund seiner Kernladungszahl von 1 e handelt es sich bei Myonium chemisch um Wasserstoff. Wegen der geringen Atommasse von 0,1 u (1/10 von H) treten Isotopeneffekte bei chemischen Reaktionen besonders stark in Erscheinung, so dass damit Theorien für Reaktionsmechanismen gut überprüft werden können.

Ein exotischer Wasserstoff mit einer Masse von 4,1 u entsteht, wenn in einem ⁴He-Atom eines der Elektronen durch ein Myon ersetzt wird. Auf Grund seiner gegenüber dem Elektron wesentlich höheren Masse ist das Myon dicht am He-Kern lokalisiert und schirmt eine der beiden Elementarladungen des Kerns ab. Zusammen bilden He-Kern und Myon effektiv einen Kern mit einer Masse von 4,1 u und einer Ladung von 1 e, so dass es sich chemisch um Wasserstoff handelt.

Verwendung

Jedes Jahr werden weltweit mehr als 600 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff (rd. 30 Mio. t) für zahllose Anwendungen in Industrie und Technik produziert. Wichtige Einsatzgebiete sind:

• Energieträger: Beim Schweißen, als Raketentreibstoff. Von seiner Verwendung als Kraftstoff für Strahltriebwerke, in Wasserstoffverbrennungsmotoren oder über Brennstoffzellen verspricht man sich, in absehbarer Zeit die Nutzung von Erdölprodukten ablösen zu können (siehe Wasserstoffantrieb), weil bei der Verbrennung vor allem Wasser entsteht, doch kein Ruß und kein Kohlenstoffdioxid. Wasserstoff ist jedoch im Gegensatz zu Erdöl keine Primärenergie.
• Kohlehydrierung: Durch verschiedene chemische Reaktionen wird Kohle mit H₂ in flüssige Kohlenwasserstoffe überführt. So lassen sich Benzin, Diesel und Heizöl künstlich herstellen.
  Momentan haben beide vorgenannten Verfahren wegen höherer Kosten noch keine wirtschaftliche Bedeutung. Das könnte sich aber drastisch ändern, sobald die Ölvorräte der Erde zur Neige gehen.
• Reduktionsmittel: H₂ kann mit Metalloxiden reagieren und ihnen dabei den Sauerstoff entziehen. Es entsteht Wasser und das reduzierte Metall. Das Verfahren wird bei der Verhüttung von metallischen Erzenangewandt, insbesondere um Metalle möglichst rein zu gewinnen.
• Mit dem Haber-Bosch-Verfahren wird aus Stickstoff und Wasserstoff Ammoniak hergestellt und daraus wichtige Düngemittel und Sprengstoffe.
• Fetthärtung: Gehärtete Fette werden aus Pflanzenöl mittels Hydrierung gewonnen. Dabei werden die Doppelbindungen in ungesättigten Fettsäuren mit Wasserstoff abgesättigt. Die entstehenden Fette haben einen höheren Schmelzpunkt, wodurch das Produkt fest wird. Auf diese Weise stellt man Margarine her. Dabei können als Nebenprodukt auch sogenannte trans-Fettsäuren entstehen.
• Lebensmittelzusatzstoff: Wasserstoff ist als E 949 zugelassen und wird als Treibgas, Packgas u. ä. verwendet.
• Kühlmittel: Aufgrund seiner hohen Wärmekapazität benutzt man (gasförmigen) Wasserstoff in Kraftwerken und den dort eingesetzten Turbogeneratoren als Kühlmittel. Insbesondere setzt man H₂ dort ein, wo eine Flüssigkeitskühlung problematisch werden kann. Die Wärmekapazität kommt dort zum Tragen, wo das Gas nicht oder nur langsam zirkulieren kann. Weil die Wärmeleitfähigkeit ebenfalls hoch ist, verwendet man strömendes H₂ auch zum Abtransport von thermischer Energie in große Reservoire (z. B. Flüsse). In diesen Anwendungen schützt Wasserstoff die Anlagen vor Überhitzung und erhöht die Effizienz. Von Vorteil ist dabei, dass Wasserstoff durch seine geringe Dichte, die in die Reynoldszahl eingeht, bis zu höheren Geschwindigkeiten widerstandsarm laminar strömt als andere Gase.
• Kryogen: Wegen der hohen Wärmekapazität und niedrigem Siedepunkt eignet sich flüssiger Wasserstoff als Kryogen, also als Kühlmittel für extrem tiefe Temperaturen. Auch größere Wärmemengen können von flüssigem Wasserstoff gut absorbiert werden, bevor eine merkliche Erhöhung in seiner Temperatur auftritt. So wird die tiefe Temperatur auch bei äußeren Schwankungen aufrechterhalten.
• Traggas: In Ballons und Luftschiffen fand Wasserstoff eine seiner ersten Verwendungen. Wegen der leichten Entzündlichkeit von H₂-Luft-Gemischen führte dies jedoch wiederholt zu Unfällen. Die größte Katastrophe in diesem Zusammenhang ist wohl das Unglück der „Dixmude“ 1923, am bekanntesten wurde sicherlich die „Hindenburg-Katastrophe“ im Jahr 1937. Wasserstoff als Traggas wurde mittlerweile durch Helium ersetzt und erfüllt diesen Zweck nur noch in sehr speziellen Anwendungen.

Die beiden natürlichen Isotope haben spezielle Einsatzgebiete.

Deuterium findet (in Form von schwerem Wasser) in Schwerwasserreaktoren als Moderator Verwendung, d. h. zum Abbremsen der bei der Kernspaltung entstehenden schnellen Neutronen auf thermische Geschwindigkeit.

Deuterierte Lösungsmittel werden in der magnetischen Kernresonanzspektroskopie benutzt, da Deuterium einen Kernspin von Eins besitzt und im NMR-Spektrum des normalen Wasserstoff-Isotops nicht sichtbar ist.

In der Chemie und Biologie helfen Deuteriumverbindungen bei der Untersuchung von Reaktionsabläufen und Stoffwechselwegen (Isotopenmarkierung), da sich Verbindungen mit Deuterium chemisch und biochemisch meist nahezu identisch verhalten wie die entsprechenden Verbindungen mit Wasserstoff. Die Reaktionen werden von der Markierung nicht gestört, der Verbleib des Deuteriums ist in den Endprodukten dennoch feststellbar.

Ferner sorgt der erhebliche Massenunterschied zwischen Wasserstoff und Deuterium für einen deutlichen Isotopeneffekt bei den massenabhängigen Eigenschaften. So hat das schwere Wasser einen messbar höheren Siedepunkt als Wasser.

Das radioaktive Isotop Tritium wird in Kernreaktoren in industriell verwertbaren Mengen hergestellt. Außerdem ist es neben Deuterium ein Ausgangsstoff bei der Kernfusion zu Helium. In der zivilen Nutzung dient es in Biologie und Medizin als radioaktiver Marker. So lassen sich beispielsweise Tumorzellen aufspüren. In der Physik ist es einerseits selbst Forschungsgegenstand, andererseits untersucht man mit hochbeschleunigten Tritiumkernen schwere Kerne oder stellt künstliche Isotope her.

Mit Hilfe der Tritiummethode lassen sich Wasserproben sehr genau datieren. Mit einer Halbwertszeit von etwa zwölf Jahren eignet es sich besonders für die Messung relativ kurzer Zeiträume (bis zu einigen hundert Jahren). Unter anderem lässt sich so das Alter eines Weines feststellen.

Es findet Verwendung als langlebige, zuverlässige Energiequelle für Leuchtfarben (im Gemisch mit einem Fluoreszenzfarbstoff), vor allem in militärischen Anwendungen, aber auch in Armbanduhren. Weitere militärische Verwendung findet das Isotop in der Wasserstoffbombe und gewissen Ausführungen von Kernwaffen, deren Wirkung auf Spaltung beruht.

Wasserstoff als Energiespeicher

Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft.

Wasserstoff als Energieträger verursacht keine schädlichen Emissionen, insbesondere kein Kohlendioxid, wenn er aus erneuerbaren Energien wie Wind, Sonne oder Biomasse gewonnen wird. Derzeit (2012) erfolgt die Wasserstoffherstellung fast ausschließlich aus fossilen Primärenergien, vorrangig Erdgas.

Wasserstoffgas enthält mehr Energie pro Gewichtseinheit als jeder andere chemische Brennstoff, allerdings deutlich weniger Energie pro Volumeneinheit, selbst in flüssigem Zustand. Wasserstoff ist, wie auch elektrische Energie, keine Primärenergie, sondern muss wie Strom aus Primärenergie hergestellt werden.

Die technischen Probleme bei der Speicherung von Wasserstoff gelten heute als gelöst. Verfahren wie Druck- und Flüssigwasserstoffspeicherung und die Speicherung in Metallhydriden befinden sich im kommerziellen Einsatz. Daneben existieren weitere Verfahren, die sich noch im Stadium der Entwicklung oder in der Grundlagenforschung befinden.

Die verschiedenen Speichermethoden werden nach ihren Eigenschaften und den spezifischen Anforderungen der Fahrzeuge (z. B. PKW, Bus, Schiff, Flugzeug) eingesetzt:

• die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff in Druckbehältern,
• die Speicherung von flüssigem Wasserstoff in vakuumisolierten Behältern,
• die Einlagerung von Wasserstoff in Metallhydriden oder in Kohlenstoff-Nanoröhren.

Die ersten beiden Methoden erlauben eine einfache Wiedergewinnung des Wasserstoffs. Drucktanks aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff mit bis zu 800 bar sind Behälter, die allen Sicherheitsanforderungen der Fahrzeughersteller entsprechen und vom TÜV abgenommen sind.

Da sich das Sicherheitsventil für Überdruck innerhalb des Tanks befindet, wird Wasserstoff im Notfall schrittweise abgegeben und verflüchtigt sich schnell. Wenn eine Zündquelle in der Nähe ist, kann sich der Wasserstoff entzünden, verbrennt aber schnell und mit geringer Wärmeabstrahlung. Eine Explosion ist nahezu unmöglich, da die Konzentration des Wasserstoffs in der Luft nicht ausreicht. Reiner Wasserstoff ist nicht explosiv.

Speicherung in Hydriden oder Nanoröhren stellen die sichersten Methoden dar. Die Tanks sind jedoch schwerer. In einem 200-kg-Tank können nur etwa 2 kg Wasserstoff gespeichert werden, was energetisch etwa 8 Litern Benzin entspricht. Auch ist die Rückgewinnung gasförmigen Wasserstoffs durch Wärmezuführung aufwendiger. Diese Form der Speicherung ist kostenintensiver als die Speicherung in Druck- und Flüssiggastanks.

Energiedichten im Vergleich

Auf die Masse bezogen:

• Wasserstoff: 33,3 kWh/kg
• Erdgas: 13,9 kWh/kg
• Benzin: 12,7 kWh/kg

Auf das Volumen bezogen:

• Wasserstoff (flüssig): 2360 kWh/m³
• Benzin: 8760 kWh/m³
• Erdgas (20 MPa): 2580 kWh/m³
• Wasserstoffgas (20 MPa): 530 kWh/m³
• Wasserstoffgas (Normaldruck): 3 kWh/m³

Kernfusion

Schon bald nach den Anfängen der Kernphysik im ersten Viertel des 20. Jahrhunderts wurde die Aufmerksamkeit der Physiker auf die Energiegewinnung gelenkt. Neben der Kernspaltung wurde der Weg einer Verschmelzung der Kerne, die Kernfusion, erforscht. Die ersten gefundenen Reaktionen sind die Proton-Proton-Reaktionen, bei denen Wasserstoffkerne direkt zu Helium verschmelzen. Das konnte die Energiegewinnung in leichten Sternen, wie unserer Sonne, größtenteils erklären. Zwischen 1937 und 1939 entwickelten Hans Bethe und Carl Friedrich von Weizsäcker eine Theorie zur Kernfusion in sehr schweren Sternen, den nach ihnen benannten Bethe-Weizsäcker-Zyklus. Darin spielt Wasserstoff die überwiegende Rolle in der Energiegewinnung. Er wird aber nicht direkt zu Helium verschmolzen, sondern fusioniert in verschiedenen Reaktionen mit Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Am Ende des Zyklus entsteht Helium; die anderen Elemente wirken als Katalysatoren.

Während des Kalten Krieges bauten die Großmächte ihre nuklearen Waffenarsenale aus. Der Schritt zu den Fusionswaffen gelang zuerst den USA: basierend auf der Atombombe, die ihre Energie aus der Kernspaltung bezieht, konstruierten amerikanische Forscher unter Edward Teller die Wasserstoffbombe. In ihr wird durch die Kernfusion ein Vielfaches der Energie einer Uranbombe freigesetzt. 1952 testeten die Vereinigten Staaten die erste Wasserstoffbombe auf einer kleinen Pazifikinsel. Brennstoff war nicht Wasserstoff, sondern das Isotop Deuterium. Es war die erste vom Menschen erzeugte Kernfusion. In der Bombe liefen vor allem folgende Kernreaktionen ab:

Das entstandene Tritium und Helium-3 können noch weiter reagieren:

In Summe entstehen aus drei Deuteronen ein Heliumkern sowie ein Neutron und ein Proton.

Da Deuterium wie Wasserstoff schwer zu speichern ist, wird bei den meisten Fusionswaffen inzwischen auf Lithium-Deuterid LiD als Brennstoff zurückgegriffen. Durch die bei der Primärreaktion von Deuterium entstehenden Neutronen wird aus dem Lithium Tritium erbrütet:

Der Neutronenbeschuss von Lithium erzeugt Helium und den Fusionsbrennstoff Tritium.

Bei der Reaktion mit Lithium-6 wird zudem noch Energie frei, während die Reaktion mit Lithium-7 Energie verbraucht, dafür aber wieder ein Neutron erzeugt, das für die weitere Tritium-Produktion zur Verfügung steht.

Physiker forschen aber auch an einer friedlichen Nutzung der Kernverschmelzung. Früh entwickelten sie verschiedene Vorschläge zur Energiegewinnung durch Fusion. Die gewaltigen Temperaturen, die zu einer Kernfusion nötig sind, bereiten bei einer kontrollierten Reaktion aber nach wie vor Schwierigkeiten. Vor einigen Jahrzehnten wurden die ersten Forschungsreaktoren errichtet, die Wasserstoff zu Helium verschmelzen sollen. Mittlerweile existieren einige dieser Vorrichtungen; beispielsweise JET und ITER (international, in Planung) in Europa, ein deutscher Tokamak-Reaktor in Garching sowie der Stellarator Wendelstein 7-X, welcher derzeit am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Greifswald aufgebaut wird.

Falls diese Experimente an den Forschungsanlagen erfolgreich verlaufen, sollen die gewonnenen Erkenntnisse für den Bau eines Demonstrationskraftwerks (DEMO) dienen. Die gegenwärtigen Planungen gehen von der Inbetriebnahme von DEMO etwa 2030 und der möglichen kommerziellen Nutzung ab etwa 2050 aus. Diese kommerziellen Reaktoren werden aber anders als Wasserstoffbomben voraussichtlich nur die Deuterium-Tritium-Reaktion zur Energiegewinnung nutzen können, und sind somit unbedingt auf Lithium zur Erbrütung des eigentlichen Brennstoffs Tritium angewiesen. Während Deuterium über die Weltmeere in fast beliebiger Menge zur Verfügung steht, sind die bekannten Lithium-Vorräte beschränkt.

Kernfusion in Sonne und Sternen

Mit Wasserstoffbrennen wird die Kernfusion von Wasserstoff in Helium im Inneren von Sternen (oder im Fall einer Nova, auf der Oberfläche eines Weißen Zwergs) bezeichnet. Diese Reaktion stellt in normalen Sternen während des Großteils ihres Lebenszyklus die wesentliche Energiequelle dar. Sie hat trotz ihres historisch bedingten Namens nichts mit einer chemischen Verbrennung zu tun.

Der Prozess der Kernfusion kann beim Wasserstoffbrennen auf zwei Arten ablaufen, bei denen auf verschiedenen Wegen jeweils vier Protonen, die Atomkerne des Wasserstoffs, in einen Heliumkern ⁴He umgewandelt werden:

• die relativ direkte Proton-Proton-Reaktion
• der schwere Elemente (Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff) nutzende Bethe-Weizsäcker-Zyklus (CNO-Zyklus)

Für die exakte Berechnung der freigesetzten Energie ist zu berücksichtigen, dass in Teilreaktion der Proton-Proton-Reaktion und auch des Bethe-Weizsäcker-Zyklus zwei Positronen freigesetzt werden, die bei derAnnihilation mit einem Elektron 1,022 MeV entsprechend den Ruhemassen von Elektron und Positron freisetzen. Zur Massendifferenz der vier Protonen und des Heliumkerns ist folglich die zweifache Elektronenmasse zu addieren. Diese Massendifferenz ist identisch der Differenz der vierfachen Atommasse von Protium, Wasserstoff bestehend aus Protonen und Elektronen und der Atommasse von ⁴He. Diese Atommassen sind näherungsweise aber nicht exakt identisch mit den Atommassen von Wasserstoff und Helium, da es verschiedene Isotope dieser Elemente gibt. Ferner verlässt ein kleiner Teil der Energie die Sonne in Form von Neutrinos.

Insgesamt wird beim Wasserstoffbrennen etwa 0,73 % der Masse in Energie umgewandelt, was man als Massendefekt bezeichnet. Die aus der Massendifferenz erzeugte Energie ergibt sich aus der einsteinschen Beziehung E = mc². Sie resultiert aus der Kernbindungsenergie der Nukleonen, der Kernbausteine.

Die Fusion von Wasserstoff zu Helium ist am ergiebigsten; die nächste Stufe stellarer Fusionsreaktionen, das Heliumbrennen, setzt pro erzeugtem Kohlenstoffkern nur noch etwa ein Zehntel dieser Energie frei.

Biologische Bedeutung

Wasserstoff ist in Form verschiedenster Verbindungen essentiell für alle bekannten Lebewesen. An vorderster Stelle zu nennen ist hier Wasser, welches als Medium für alle zellulären Prozesse und für alle Stofftransporte dient. Zusammen mit Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff (und seltener auch anderen Elementen) ist er Bestandteil derjenigen Moleküle aus der organischen Chemie, ohne die jegliche uns bekannte Form von Leben schlicht unmöglich ist.

Wasserstoff spielt im Organismus auch aktive Rollen, so bei einigen Koenzymen wie z. B. Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid (NAD/NADH), die als Reduktionsäquivalente (oder „Protonentransporter“) im Körper dienen und beiRedoxreaktionen mitwirken. In den Mitochondrien, den Kraftwerken der Zelle, dient die Übertragung von Wasserstoffkationen (Protonen) zwischen verschiedenen Molekülen der so genannten Atmungskette dazu, ein Potential, einen Protonengradienten, zur Generierung von energiereichen Verbindungen wie Adenosintriphosphat (ATP) bereitzustellen. Bei der Photosynthese in Pflanzen und Bakterien wird der Wasserstoff aus dem Wasser dazu benötigt, das fixierte Kohlendioxid in Kohlenhydrate umzuwandeln.

Bezogen auf die Masse ist Wasserstoff im menschlichen Körper das drittwichtigste Element: Bei einer Person mit einem Körpergewicht von 70 kg, sind rund 7 kg (= 10 Gew.-%) auf den enthaltenen Wasserstoff zurückzuführen. Nur Kohlenstoff (ca. 20 Gew.-%) und Sauerstoff (ca. 63 Gew.-%) machen einen noch größeren Gewichtsanteil aus. Bezogen auf die Anzahl der Atome ist der sehr leichte Wasserstoff sogar das mit Abstand häufigste Atom im Körper eines jeden Lebewesens. (Die 7 kg beim Menschen entsprechen 3,5·10³ Mol Wasserstoff mit je 2·6·10²³ Atomen, das sind rund 4,2·10²⁷ Wasserstoffatome).

Medizinische Bedeutung

In biologischen Systemen reagiert molekularer Wasserstoff mit reaktiven Sauerstoffspezies und wirkt so als Antioxidans. Im Tierversuch führt die Anreicherung von Trinkwasser mit molekularem Wasserstoff nachNierentransplantation zu einem besseren Überleben des Transplantates, zu einem verminderten Auftreten einer chronischen Schädigung des Transplantates, zu einer Verminderung der Konzentration an reaktiven Sauerstoffspezies und zu einer Hemmung von Signalwegen, welche die entzündliche Aktivität verstärken (proinflammatorische Signalwege).

Sicherheitshinweise

Wasserstoff ist hochentzündlich; es reagiert mit reinem Sauerstoff oder Luft sowie mit anderen gasförmigen Oxidationsmitteln wie Chlor oder Fluor mit heißer Flamme. Da die Flamme kaum sichtbar ist, kann man unabsichtlich hinein geraten. Gemische mit Chlor oder Fluor sind schon durch UV-Licht entzündlich (siehe Chlorknallgas). Außer der nach GHS vorgeschriebenen Kennzeichnung (siehe Info-Box) müssen H₂-Druckgasflaschen nach DIN EN 1089-3 mit roter Flaschenschulter und rotem Flaschenkörper versehen sein.

Wasserstoff ist ungiftig und schädigt auch nicht die Umwelt. Daher ist auch kein MAK-Wert festgelegt. Atem- oder Hautschutz sind nicht erforderlich. Erst wenn hohe Konzentrationen eingeatmet werden, können durch den Mangel an Sauerstoff ab etwa 30 Vol% Bewegungsstörungen, Bewusstlosigkeit und Ersticken auftreten.

Beim Mischen mit Luft zu 4 bis 76 Volumenprozent (Vol.-%) ist Wasserstoff entzündlich. Erst bei einer Konzentration von 18 % in der Luft ist Wasserstoff explosiv (Knallgas). Die Zündtemperatur in Luft beträgt 560 °C. Das Sicherheitsdatenblatt ist zu beachten. Bei der Handhabung ist der Wasserstoff von Zündquellen, einschließlich elektrostatischen Entladungen, fernzuhalten. Die Lagerung der Behälter sollte fern von oxidierenden Gasen (Sauerstoff, Chlor) und anderen brandfördernden Stoffen erfolgen.

Entzündliche Sauerstoff/Wasserstoffgemische mit einem Anteil von unter 10,5 Volumenprozent Wasserstoff sind schwerer als Luft und sinken zu Boden. Die Entmischung erfolgt nicht unmittelbar, so dass bis zur Unterschreitung der 4-Volumenprozent-Grenze die Zündfähigkeit erhalten bleibt. Beim Umgang mit Wasserstoff müssen Sicherheitsvorschriften und Entlüftungsanlagen dieses Verhalten berücksichtigen.

Wird Wasserstoff in einfachen Metalltanks unter Druck gelagert, so kommt es wegen der geringen Molekülgröße zur Diffusion, das heißt, Gasmoleküle treten langsam durch die Gefäßwände aus. Die heute für Gastanks und Leitungen verwendeten Materialien berücksichtigen diese Eigenschaften des Wasserstoffs, so dass im täglichen Gebrauch keine größeren Risiken entstehen als z. B. durch die Verwendung von Benzin.^[33]Wasserstofffahrzeuge mit Drucktanks können problemlos in Parkhäusern und Tiefgaragen geparkt werden. Es existiert keine gesetzliche Bestimmung, die das einschränkt.

Der Austausch von Wasserstoff-Isotopen in chemischen Verbindungen kann die Toxizität der entsprechenden Verbindung beeinflussen. So ist Schweres Wasser (D₂O) – das Isotop ¹H wurde gegen ²H (Deuterium) ausgetauscht – im Vergleich zu Wasser giftig für viele Lebewesen. Die für Menschen gefährliche Menge ist aber recht groß und im Regelfall kaum zu erreichen.

Nachweis

Molekularen Wasserstoff kann man durch die Knallgasprobe nachweisen. Bei dieser Nachweisreaktion wird eine kleine, beispielsweise während einer Reaktion aufgefangene Menge eines Gases, in einem Reagenzglasentzündet. Wenn danach ein dumpfer Knall, ein Pfeifen oder ein Bellen zu hören ist, so ist der Nachweis positiv (das heißt, es war Wasserstoff in dem Reagenzglas). Der Knall kommt durch die Reaktion von Wasserstoffgas mit dem Luftsauerstoff zustande:

(exotherme Reaktion)

Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff zu Wasser

Mit der gleichen Reaktion verbrennt Wasserstoff mit einer schwach bläulichen Flamme, wenn man ihn gleich an der Austrittsstelle entzündet (Pfeifgas).

Die Knallgasprobe ist die „klassische“ Methode zum Nachweis und ist besonders in Schulversuchen beliebt. Sehr viel genauer lässt sich das Element mit Hilfe der Kernspinresonanzspektroskopie (kurz NMR; nuclear magnetic resonance) nachweisen, die daher bevorzugt im Laborbetrieb angewandt wird. Dabei macht man sich quantenmechanische Gegebenheiten zu Nutze: Der Kernspin eines Wasserstoffatoms kann sich in einem angelegten äußeren Magnetfeld unterschiedlich ausrichten. Dadurch liegt der Atomkern in einem von zwei möglichen Energiezuständen vor, deren Differenz umso größer ist, je stärker das äußere Magnetfeld ist. Diese Differenz ist charakteristisch für jedes Element und kann durch Strahlungsanregung gemessen werden.

Verbindungen

Wasserstoff geht mit den meisten chemischen Elementen Verbindungen mit der allgemeinen Summenformel EH_n (n = 1, 2, 3, 4) ein. Einige wenige dieser Elementwasserstoffe sind nur in Form so genannter Adduktebekannt, wie L_m · EH_n (L steht für einen Liganden).

Wasserstoff kann in Verbindungen sowohl positive als auch negative Ladungsanteile tragen. Das ist abhängig davon, ob der Bindungspartner eine höhere oder eine niedrigere Elektronegativität als Wasserstoff (2,2) besitzt. Zwischen den beiden Verbindungstypen lässt sich im Periodensystem keine scharfe Grenze ziehen, da zum Beispiel das Säure-Base-Verhalten mit berücksichtigt werden muss. Eine mehr oder weniger willkürliche Betrachtung besagt, dass in den Wasserstoffverbindungen der Elemente Bor, Silicium, Germanium, Zinn und Blei sowie allen links davon der Wasserstoff negativ polarisiert ist, in Verbindungen mit Kohlenstoff, Phosphor,Arsen, Antimon, Bismut und allen Elementen rechts davon positiv. Entsprechend lässt sich bei Monosilan (SiH₄) die Oxidationszahl für Silicium auf +4 (Wasserstoff dementsprechend −1), in Methan (CH₄) für Kohlenstoff auf −4 (Wasserstoff +1) festlegen.

Zur Darstellung von Wasserstoffverbindungen EH_n werden hauptsächlich drei verschiedene Verfahren genutzt:

• Die Umsetzung des entsprechenden Elements E mit Wasserstoff (H₂; Hydrogenolyse)

Ein Element reagiert mit Wasserstoff bei Energiezufuhr zum entsprechenden Elementwasserstoff.

• Die Reaktion von Metallverbindungen des Typs M_nE mit Wasserstoffsäuren (H⁺; Protolyse)

Eine Metallverbindung des Elements E reagiert mit einer Säure HA zum Elementwasserstoff und einem Metallsalz.

• Die Umsetzung von Halogenverbindungen (EHal_n) mit Hydriden (H⁻; Hydridolyse)

Hydridionen setzen aus einer Halogenverbindung des Elements E den entsprechenden Elementwasserstoff frei.

Salzartige Verbindungen

In Verbindung mit Metallen kann Wasserstoff jeweils ein Elektron aufnehmen, so dass negativ geladene Wasserstoffionen (Hydridionen, H⁻) entstehen, die mit Metallkationen Salze bilden. Diese Verbindungen werdenHydride genannt. Salzartige Elementwasserstoffe sind von den Alkali- und, mit Ausnahme von Beryllium, den Erdalkalimetallen bekannt. Außerdem zählt man die Dihydride des Europiums und Ytterbiums (EuH₂ und YbH₂) dazu.

Metallhydride reagieren sehr heftig mit Wasser unter Freisetzung von molekularem Wasserstoff (H₂) und können sich an der Luft selbst entzünden, wobei sich Wasser und das Metalloxid bilden. In der Mehrzahl sind sie aber nicht explosiv. Minerale, die (an Sauerstoff gebundenen) Wasserstoff enthalten, sind Hydrate oder Hydroxide.

Metallartige Verbindungen

In metallartigen Wasserstoffverbindungen – mit wenigen Ausnahmen sind das die Übergangsmetallhydride – ist atomarer Wasserstoff in der entsprechenden Metallstruktur eingelagert. Man spricht in diesem Fall auch von Wasserstoff-Einlagerungsverbindungen, obwohl sich bei der Aufnahme des Wasserstoffs die Struktur des Metalls ändert (was eigentlich nicht der Definition für Einlagerungsverbindungen entspricht). Das Element besetzt die oktaedrischen und tetraedrischen Lücken in den kubisch- bzw. hexagonal-dichtesten Metallatompackungen.

Die Löslichkeit von Wasserstoff steigt mit zunehmender Temperatur. Man findet jedoch selbst bei Temperaturen über 500 °C selten mehr als 10 Atomprozente Wasserstoff im betreffenden Metall. Am meisten Wasserstoff können die Elemente Vanadium, Niob und Tantal aufnehmen. Bei Raumtemperatur sind folgende Stöchiometrien zu beobachten: VH_0,05, NbH_0,11 und TaH_0,22. Ab 200 °C findet man bei diesen Metallen eine 1:1-Stöchiometrie (MH) vor. Das kubisch-raumzentrierte Kristallgitter bleibt dabei unangetastet.

Kovalente Verbindungen

Verbindungen, bei denen Wasserstoff der elektropositivere Partner ist, haben einen hohen kovalenten Anteil. Als Beispiele seien Fluorwasserstoff (HF) oder Chlorwasserstoff (HCl) genannt. In Wasser reagieren diese Stoffe als Säuren, da der Wasserstoff sofort als Proton (H⁺-Ion) von umgebenden Wassermolekülen abgespalten werden kann. Isolierte H⁺-Ionen verbinden sich in wässriger Lösung sofort mit Wassermolekülen zu H₃O⁺-Ionen; dieses Ion ist verantwortlich für die saure Eigenschaft von wässrigen Chlorwasserstofflösungen.

Säure-Base-Verhalten

Die kovalenten Wasserstoffverbindungen der Elemente der IV. bis VII. Hauptgruppe des Periodensystems sowie Borwasserstoffe sind Säuren nach der Definition von Johannes Nicolaus Brønsted, geben also Protonen an andere Verbindungen ab.

Die Säurestärke der Verbindungen nimmt dabei in den Hauptgruppen von oben nach unten und in den Perioden von links nach rechts zu. Ebenso steigt sie mit der Zahl der Element-Element-Bindungen bei Wasserstoffverbindungen eines bestimmten Elements. So ist zum Beispiel Wasser (H₂O) eine schwächere Säure als Wasserstoffperoxid (H₂O₂), Ethan (C₂H₆) in der Säurestärke schwächer als Ethen (C₂H₄) und Ethin (C₂H₂).

Umgekehrt können kovalente Elementwasserstoffe als Basen fungieren. Wasserstoffverbindungen der Elemente aus Hauptgruppe V bis VII können Protonen aufnehmen, da sie über freie Elektronenpaare verfügen.

Ursache für die Acidität oder Basizität einer wässrigen Lösung ist die Stoffkonzentration an Protonen (H⁺-Ionen). Den negativen dekadischen Logarithmus dieser Konzentration nennt man pH-Wert. Zum Beispiel bedeutet eine Konzentration von 0,001 mol H⁺-Ionen pro Liter Wasser „pH 3,0“. Dieses Beispiel trifft auf eine Säure zu. Wasser ohne jeden Zusatz hat beiNormalbedingungen den pH 7, Basen haben pH-Werte bis 14.

Oxide

Wasserstoffoxide (auch Hydrogeniumoxide) sind Verbindungen, die nur aus Wasserstoff und Sauerstoff bestehen, von größter Wichtigkeit ist das Wasser (Wasserstoffoxid); von technischer Bedeutung ist daneben Wasserstoffperoxid, früher Wasserstoffsuperoxid genannt. Ein weiteres, aber selteneres Oxid ist das Dihydrogentrioxid.

Von außerordentlicher Bedeutung für alles Leben auf der Erde sind auch Alkohole und Saccharide sowie Carbonsäuren, die (nur) Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff enthalten.

Kohlenwasserstoffe

Wasserstoff bildet mit Kohlenstoff die kovalenten Kohlenwasserstoffe, deren Studium sich die Kohlenwasserstoffchemie verschrieben hat.

Offshore-Windparks sind Windparks, die im Küstenvorfeld der Meere errichtet werden. Entgegen der im Deutschen teilweise üblichen Bezeichnung „Hochsee-Windparks“ werden Offshore-Windparks bisher jedoch nicht auf „hoher See“, sondern ausschließlich auf dem Festlandsockel gebaut. Offshore-Standorte zeichnen sich üblicherweise durch relativ kontinuierliche Windbedingungen und hohe durchschnittliche Windgeschwindigkeiten aus, weshalb in ihnen installierte Windkraftanlagen für gewöhnlich eine hohe Auslastung von 3500 bis 5000 Volllaststunden erzielen. Da Errichtung, Netzanbindung und Betrieb insbesondere bei großen Küstenentfernungen und hohen Wassertiefen deutlich teurer sind als bei Windparks an Land, liegen die Stromgestehungskosten trotz größerer Stromerträge höher als bei der Windenergienutzung an Land.

Offshore-Regionen in Europa mit hohen Windstärken sind insbesondere die Nordsee, die Irische See bis Nordfrankreich, die Iberische Atlantikküste rund um La Coruña, der Golf von Lyon im Mittelmeer, die Griechische Ägäis, Teile der Küste Italiens Provinz Lecce, Provinz Tarent und Provinz Brindisi.

Führend in der Nutzung der Offshore-Windenergie sind bislang Großbritannien und Dänemark, in deren Gewässern Stand 2013 die meisten Offshore-Windparks installiert sind. Daneben setzt eine Reihe weiterer Staaten wie beispielsweise Deutschland, Frankreich, Belgien, die Niederlande, China und Japan auf einen starken Ausbau ihrer Offshore-Kapazität.

Errichtung

Die Errichtung von Offshore-Windparks erfolgt mittels geschleppter Hubinseln oder speziell für diese Aufgabe gebaute Errichterschiffe. Sowohl Hubinseln als auch Errichterschiffe verfügen über einen Schwerlastkran, Stellfläche für Komponenten von Windkraftanlagen sowie ausfahrbare Standbeine, mit denen sie sich während der Errichtung der Anlagen fest auf dem Meeresboden verankern. Wichtige Bauschritte sind die Installation der Gründungsstrukturen, die Montage des Übergangsstücks zwischen Fundament und Turm, die Turmmontage, sowie die Installation der Turbine selbst, die ihrerseits wiederum aus mehreren Schritten besteht. Wichtig ist zudem die Verkabelung der einzelnen Anlagen mit der Umspannplattform sowie das Verlegen des Exportkabel zur Übergabestation an Land. Häufig sind mehrere Schiffe und Plattformen parallel an der Ausführung verschiedener Tätigkeiten in einem Windpark zu Gange.

Eingesetzte Windkraftanlagen

Da Offshore-Standorte deutlich größere Ansprüche an Windkraftanlagen stellen als Standorte an Land, kommen hier speziell für diese Bedingungen entwickelte Anlagentypen zum Einsatz. Dabei verfolgen die Hersteller zwei Lösungsstrategien: Die Marinisierung von bestehenden Onshore-Anlagen durch entsprechende Modifikationen oder die komplette Neuentwicklung von reinen Offshore-Anlagen. Neben den Belastungen, die durch die hohen Windgeschwindigkeiten auftreten, müssen die Anlagen insbesondere mit einemKorrosionsschutz gegen die salzhaltige Umgebungsluft geschützt werden. Hierfür finden meerwasserbeständige Werkstoffe Verwendung, auch werden häufig Baugruppen vollständig gekapselt bzw. Maschinenhäuser und Türme mit Überdruckbelüftung ausgestattet. Um Ausfälle und Stillstände zu minimieren sind die Anlagen häufig mit umfangreicheren Überwachungssystemen, Bordkränen für kleinere Reparaturarbeiten, Hubschrauberplattformen und/oder speziellen Anlandeplattformen zur besseren Erreichbarkeit bei hohem Seegang ausgestattet. Daneben sind bestimmte betriebswichtige Systeme, sofern dies möglich ist, redundant ausgelegt.

Verglichen mit Onshore-Windparks ist der Anteil der Windkraftanlagen an den Gesamtkosten deutlich geringer, während die Kosten für Installation, Fundamente, Innerparkverkabelung und Netzanschluss prozentual höher liegen. Beim Offshore-Windpark Nysted machten die Turbinenkosten z. B. nur knapp 50 % der Gesamtinstallationskosten aus, während 51 % auf die Nebenkosten entfielen. Da sich diese Nebenkosten mit einer Vergrößerung der Turbine nur unterproportional erhöhen, und auch Logistik und Wartung bei Großturbinen einfach möglich sind, ist in der Offshorebranche seit Jahren ein Trend zu immer größeren Turbinen festzustellen. Wurden in den ersten kommerziellen Offshore-Windparks bis etwa Ende der 2000er Jahre v.a. Turbinen mit 2 bis 3 MW Nennleistung und Rotordurchmessern von 80 bis 100 Metern eingesetzt, dominieren seit Ende der 2000er Jahre Windkraftanlagen mit 3,6 bis 6 MW und Rotordurchmessern zwischen 107 und 126 Metern. 2012/2013 wurden von mehreren Herstellern neue Anlagentypen vorgestellt, deren Prototypen zumeist bereits installiert und in Betrieb genommen wurden. Diese Anlagen weisen mit Nennleistungen zwischen 6 und 8 MW und Rotordurchmessern von 150 bis 171 Metern nochmal deutlich höhere Werte auf, wobei insbesondere die Rotorblattfläche zur Maximierung des Energietrages sowie der Kostenreduktion überproportional angehoben wurde. In Serie gehen sollen sie ab Mitte des Jahrzehnts.^[9]

Anlagen mit über 10 MW und Rotordurchmessern bis ca. 200 Metern befinden sich derzeit in der Entwicklung.

Gründung der Offshore-Windenergieanlagen

Auf die Gründung der Bauwerke wirken das eigene Gewicht, die Strömung des Wassers (auch die zyklische durch Ebbe und Flut) und die Kraft der Wellen. Die Kraft des Windes wirkt auf alle Teile des Bauwerks außerhalb des Wassers und indirekt auf die Gründung. All diese Kräfte können sich addieren. In der Nordsee ist der Grund meist sandig und damit relativ nachgiebig. Damit besteht die Gefahr von Langzeitverformungen, die die Standsicherheit der Anlagen gefährden.

Auch an die Korrosionsbeständigkeit der Offshore-Bauwerke werden erhöhte Anforderungen gestellt, da die Anlagen ständig salzhaltigem Wasser und ebensolcher Luft ausgesetzt sind. Es wird versucht, mit kathodischen Korrosionsschutzstrom-Anlagen (KKS-Anlagen) der Anfälligkeit des verwendeten Stahls entgegenzuwirken.

An die langfristige Standsicherheit der Offshorebauwerke sind die Anforderungen umso höher, je größer die Wassertiefe am Standort ist. Dies spielt besonders für deutsche Windparks, die fast nur im großen Abstand von der Küste genehmigt werden, eine große Rolle. Die Windenergieanlagen müssen sicher auf dem Boden gegründet werden. Es gibt verschiedene Gründungsmöglichkeiten:

• Flachgründung mit und ohne Schürzen
• Monopile-Gründungen (1 Pfahl), (flaches Wasser, Dänemark, England)^[16]
• Tripod-, Tripile-Gründungen (jeweils 3 Pfähle) und Jacket-Gründungen (4 Pfähle) für tiefere Bereiche (Deutschland, bis zu 50 m Wassertiefe)
• Schwerkraft-Fundamente ohne tiefe Gründung

Auch wird über die Verwendung von schwimmenden Windkraftanlagen nachgedacht. Schwimmende Tragstrukturen gelten zwar als vergleichsweise teuer, lassen sich jedoch einfacher auf große Anlagen anpassen und ermöglichen eine einfachere Logistik. Dadurch kommen sie insbesondere für große Anlagen in größerer Wassertiefe in Frage. Zudem ist von Vorteil, dass harte Schläge von starken Windböen durch Zurückschwingen der Plattform etwas gedämpft werden können. Bisher existieren jedoch nur wenige Testanlagen, kommerzielle Projekte wurden bisher noch keine realisiert.

Das Bremerhavener Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) koordiniert das HiPRWind-Projekt (High Power, High Reliability Offshore Wind Technology) mit einem Gesamtbudget von 20 Mio. Euro. Dabei sollen auch kosteneffiziente Ansätze für schwimmenden Windkraftanlagen zum Einsatz in Offshore-Windparks entwickelt und getestet werden.^[20]

Elektrische Anbindung von Offshore-Windparks

Offshore-Windparks liefern ihre Energie über Seekabel an die Küste. Dort wird die Energie zumeist auf Höchstspannungsebene in das allgemeine Stromnetz eingespeist. Bei längeren Übertragungsstrecken ist zur Energieübertragung von See zu Land die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) eine Alternative zur Wechselstrom-Übertragung. Bei Gleichstrom-Übertragung fallen prinzipbedingt weniger Verluste an, da dann keine Blindleistung übertragen werden muss. Blindleistung führt im Wechselspannungsnetz immer zu Wirkverlusten durch den erhöhten Strom in der Leitung. Da die Kapazität eines Seekabels deutlich höher ist als die einer Freileitung an Land, ist der Einsatz von HGÜ auch bei relativ kurzen Entfernungen bereits wirtschaftlich; man geht davon aus dass ab ca. 55 bis 70 km Kabellänge HGÜ-Systeme wirtschaftlicher sind als eine herkömmliche Anbindung.^[21] Um die Wechselspannung der Windkraftanlage in Gleichspannung umzuwandeln, benötigt der Offshore-Windpark zusätzlich eine Konverter-Plattform. Diese kann in Form einergasisolierten Schaltanlage errichtet werden, wodurch die Plattform kleiner und damit günstiger werden kann.

Da weltweit die meisten Stromnetze Wechselstromnetze sind, steht am Ende jeder HGÜ ein Stromrichter, der den ankommenden Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Aufgrund der damit verbundenen höheren Kosten sowie der Verluste im Wechselrichter in Höhe von 1,2 bis 2 %^[22] müssen vor Errichtung eines Offshore-Windparks technische und wirtschaftliche Aspekte abgewogen werden, um zu bestimmen, wie die elektrische Anbindung an die Küste am günstigsten erfolgen kann.

Für die Windparks in der deutschen AWZ in der Nordsee erfolgt wegen der großen Entfernung zum Festland die Energieübertragung in der Regel über eine HGÜ. Anfang 2012 wurde die erste HGÜ BorWin 1 zur Anbindung des Windparks (OWP) „BARD Offshore 1“ gebaut. Bis Anfang 2015 sind weitere HGÜ wie die HGÜ HelWin 1 für die OWP „Nordsee Ost“, „Meerwind Süd/Ost“ sowie HGÜ SylWin 1 für den OWP „DanTysk“ undHGÜ BorWin 2 für den OWP „Global Tech I“ in Betrieb genommen worden, weitere wie die HGÜ DolWin 1 für den „Trianel Windpark Borkum“ sind in Bau, weitere geplant.

Der weitere Ausbau der Windenergie an der Küste macht eine Verstärkung des Übertragungsnetzes erforderlich, wenn die von Windparks gelieferte Energie vom Norden Deutschlands weiter in die Verbrauchszentren im Ruhrgebiet und in Süddeutschland transportiert werden soll. Gegenwärtig ist in Deutschland geplant, den Strom auf dem Land auch zukünftig über Hochspannungs-Überlandleitungen zu transportieren. Dies wird damit begründet, dass hierzulande Überlandleitungen billiger zu betreiben seien als im Boden verlegte Kabel. Daneben wird auch der Bau von insgesamt vier HGÜ-Trassen von Norddeutschland nach Süddeutschland erwogen.

Betrieb

Windbedingungen

Offshorestandorte weisen in der Regel deutlich höhere Windgeschwindigkeiten auf als Standorte an Land, wodurch dort aufgestellte Windkraftanlagen höhere Erträge erzielen können. Die mittleren Windgeschwindigkeiten liegen in der südlichen Nordsee bei über 8 m/s in 60 Metern Höhe, in der nördlichen Nordsee rund 1 m/s darüber. In der Ostsee sind die Werte etwas geringer. Typische Offshore-Windbedingungen herrschen ab einer Entfernung von ca. 10 km von der Küste. Durch ein „bauchiges“ Windprofil sind zudem keine hohen Türme zum Erreichen der maximalen Kosteneffizienz notwendig, sodass die Turmhöhen maßgeblich durch die Rotorblattlänge sowie der zu erwarteten maximalen Wellenhöhe (Jahrhundertwelle) bestimmt werden.

Turbulenzintensität

Die Turbulenzintensität von Offshore-Windparks liegt deutlich unterhalb der Turbulenzwerte von Windparks an Land. Während Onshore die Turbulenzintensität zwischen 10 und 20 % liegt, liegt diese bei Offshore-Windparks für gewöhnlich unter 10 %; als typische Werte werden etwa 8 % auf einer Höhe von 60 bis 75 Metern angegeben. Damit einher gehen niedrigere strukturelle Belastungen für die Windkraftanlagen. Allerdings wirken sich die durch die Turbinen selbst verursachten Turbulenzen wiederum stärker aus als bei Windparks an Land, weswegen Offshore die Abstände zwischen den Turbinen größer sein müssen als Onshore.

Turbulenzen wirken sich zudem ertragsmindernd aus, was insbesondere bei großen Windparks mit hohen Turbinenzahlen von Bedeutung ist. Durch teilweise Abschattungen sowie Verwirbelungen erhalten die hinteren Windkraftanlagen weniger Wind oder Wind in schlechterer Qualität, der zu Ertragsverlusten führt. Bei einem 400-MW-Windpark und einem Abstand von 5 Rotordurchmessern verringert sich die Parkeffizienz nach Modellschätzungen um ca. 12 %, bei 7 Rotordurchmessern Abstand um 8 % und bei 9 Rotordurchmessern um 6 %. Diese Verluste lassen sich durch gängige Maßnahmen wie z.B. das versetzte Bauen von Anlagen verringern, jedoch nicht gänzlich eliminieren. Bei schwimmenden Windkraftanlagen besteht theoretisch die Möglichkeit die Anlagen je nach vorherrschender Windrichtung zu verschieben und damit eine Ertragsoptimierung zu erreichen.^[30] Dies wurde bisher jedoch noch nicht erprobt, sodass derzeit unklar ist, ob dieser Vorschlag auch praxistauglich ist.

Wartung und Reparatur

Verglichen mit Onshore-Windparks ergeben sich für Offshore-Windparks mehrere Unterschiede im Betrieb. Dies betrifft insbesondere den Aspekt der Wartung und ggf. Reparatur der Anlagen. So sind Offshore-Windparks naturgemäß deutlich schlechter zu erreichen, wobei insbesondere bei rauen Witterungsbedingungen die Anlagen auch tagelang überhaupt nicht erreicht werden können. Für den küstennahen dänischen Offshore-Windpark Horns Rev weisen Statistiken beispielsweise eine Erreichbarkeit von 65 % per Schiff und 90 % per Hubschrauber aus; für deutlich weiter von der Küste entfernte Windparks geht man von einer niedrigeren Erreichbarkeit aus. Daher liegen die Betriebs- und Wartungskosten deutlich oberhalb der Kosten von vergleichbaren Windparks an Land.

Umweltauswirkungen und Ökologie

Bei der Errichtung von Offshore-Anlagen wird unterseeisch durch Rammen und Bohrer, wie es die meisten Gründungsstrukturen erforderlich machen, ein erheblicher Geräuschpegel verursacht. Deshalb fordert unter anderem der Naturschutzbund Deutschland NABU beim Bau solcher Anlagen Blasenschleier einzusetzen, mit deren Hilfe der Lärmpegel gesenkt wird. Insbesondere Schweinswale würden durch den Lärm verschreckt und teilweise orientierungslos. Der NABU kritisiert, dass beim Bau von alpha ventus diese Technik nicht wie geplant eingesetzt wurde. Andere Möglichkeiten der Geräuschvermeidung sind Schwerkraftfundamente, die ohne schallintensives Rammen auskommen, oder der Einsatz von schwimmenden Windkraftanlagen.

Mittlerweile liegen erste Testergebnisse aus dem Praxiseinsatz von Blasenschleier vor, die aus einem Forschungsprojekt am Windpark Borkum West II gewonnen wurden. Der Abschlussbericht dieser wissenschaftlichen Untersuchungen ist online einsehbar. Demnach konnte die grundsätzliche Praxistauglichkeit nachgewiesen werden. Durch das Legen eines Blasenschleiers seien die Schallemissionen deutlich gedämpft und die beschallte Fläche um ca. 90 % verringert werden.

Bei einer Untersuchung des Offshore-Windparks Egmond aan Zee kamen niederländische Wissenschaftler zu dem Ergebnis, dass sich der Windpark positiv auf die Tierweltauswirkt. So sei die Biodiversität innerhalb des Windparks größer als in der umgebenden Nordsee. Dies trifft insbesondere auf Meerestiere zu, die in dem Windpark Ruhestätten und Schutz finden. Dies ist nun auch bei der ökologischen Begleitforschung RAVE am deutschen Offshore-Windpark alpha ventus bestätigt worden. Negative Auswirkungen habe es nur während des Baus gegeben. Hierbei mieden einige auf Sicht jagende Vogelarten den Windpark, während andere Vögel sich durch die Anlagen nicht gestört fühlten.

2013 berichtete Spiegel Online, dass an Offshore-Windparks Hummer angesiedelt werden sollen. Jedoch sei die Population infolge massiven Gifteintrages in die Nordsee sowie deren Erwärmung um 1 °C in den vergangenen 40 Jahren massiv eingebrochen, weswegen Hummer bereits seit Jahren nachgezüchtet und ausgewildert würden, um einen Zusammenbruch der Population zu vermeiden. Bisher erfolgte dies v.a. in der Nähe Helgolands, nun sollen auch Offshore-Windparks besiedelt werden. Diese böten sich besonders an, da Hummer einen harten Untergrund bevorzugten, der bei Offshore-Windparks durch künstliche Steinschüttungen als Schutz vor Auskolkung ohnehin angelegt werden muss. Finanziert wird das Vorgehen durch Ausgleichszahlungen der Windparkbetreiber, wodurch größere Zahlen von Hummern ausgewildert werden könnten. Als Pilotprojekt dient der OWP „Riffgat“ innerhalb der Zwölf-Meilen-Grenze.

Entwicklung weltweit

Ende 2013 waren weltweit 2241 Windenergieanlagen (WEA) mit einer Leistung von etwa 7,045 GW an Windkraft im Meer installiert.

Europa ist bei dem Aufbau von Offshore-Anlagen bisher führend. Die gesamte installierte Leistung von Windenergieanlagen im Meer lag in Europa Ende 2013 bei etwa 6.562 MW. In Großbritannien war mit 1082 WEA für rund 3.680 MW die höchste Leistung installiert, was mehr als die aller anderen Staaten zusammen entspricht. An zweiter Stelle stand Dänemark mit 513 WEA für etwas mehr als 1.270 MW. Auf dem dritten Platz lag Belgien mit 112 WEA und einer installierten Leistung von etwa 571 MW, knapp vor Deutschland mit 116 WEA für gut 520 MW.

Deutschland

Zuständig für Antragsverfahren außerhalb der 12-Meilen-Zone, aber innerhalb der Ausschließlichen Wirtschaftszone (AWZ) ist das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH). Für die Errichtung innerhalb der 12-Meilen-Zone (Küstenmeer) sind die Verwaltungen der jeweiligen Bundesländer zuständig (bis jetzt Niedersachsen und Mecklenburg-Vorpommern).

Bis Ende 2013 sind in der deutschen AWZ vom BSH 33 Offshore-Windpark-Projekte mit insgesamt 2250 Windenergieanlagen (WEA) genehmigt worden, davon 2010 in 30 Parks in der Nordsee und 240 in drei Parks in der Ostsee; zwei Anträge für die Ostsee wurden abgelehnt. Das entspricht nach Fertigstellung der Anlagen einer potenziellen Leistung von etwa 9 Gigawatt. Für die deutsche AWZ in Nord- und Ostsee laufen weitere Anträge für insgesamt 95 Vorhaben (78 Nordsee, 17 Ostsee).

Ende 2014 waren in Deutschland 258 Windenergieanlagen (WEA) mit einer Leistung von mehr als 1000 MW in Betrieb, die sich insbesondere in den Windparks (OWP) alpha ventus (12), BARD Offshore 1 (80), Meerwind Süd / Ost (80) und Riffgat (30) in der Nordsee sowie Baltic 1 (21) in der Ostsee befinden. Außerdem waren am 31. Dezember 2014 insgesamt 285 WEA mit einer Leistung von rund 1300 MW errichtet und zum Anschluss bereit, aber noch nicht am Netz. Zu diesem Zeitpunkt standen weitere 220 Fundamente in verschiedenen in Bau befindlichen OWP bereit zur WEA-Installation.

Im Dezember 2014 wurde mit ca. 9 Mrd. kWh so viel Windstrom wie noch nie in einem Monat produziert, zurückgehend auf die stürmische Wetterlage. Nach Angaben der Deutschen WindGuard waren zu dem Zeitpunkt 258 Offshore-Anlagen mit 1.049,2 MW Leistung installiert, etwa doppelt so viele wie im Vorjahr (142 Anlagen).

Geschichte

Um das Jahr 2000 gab es eine verbreitete Annahme, es gebe onshore in der Bundesrepublik nicht ausreichend Platz, um genug WEA aufstellen zu können. Zugleich konnten viele vergleichsweise windschwache Standorte noch nicht genutzt werden, während in einigen Bundesländern, insbesondere in Bayern, Hessen und Baden-Württemberg die Windenergienutzung durch die dortigen Landesregierungen politisch blockiert wurde. Aufgrund dieser Gemengelage wurde von der rot-grünen Bundesregierung beschlossen, neben der Windenergie an Land den Ausbau der Offshore-Windenergie zu forcieren.

Im Energiekonzept der schwarz-gelben Bundesregierung wurde als Ziel die Errichtung einer Offshore-Windleistung von 10.000 MW bis 2020 festgelegt, bis 2030 sollten bis zu 25.000 MW erreicht werden. Das Erreichen der bis 2020 angestrebten Leistung gilt jedoch als nicht mehr realistisch.

„alpha ventus“, der erste Offshore-Windpark in der deutschen AWZ, liefert seit Ende 2009 Strom, im April 2010 wurde er offiziell in Betrieb genommen. Er hat eine Gesamtleistung von 60 Megawatt, produzierte im Jahr 2012 insgesamt 268 Millionen Kilowattstunden.

Im Januar 2013 befanden sich BARD Offshore 1, Trianel Windpark Borkum, Global Tech I, Meerwind und Nordsee Ost in der AWZ der Nordsee sowie Riffgat vor der Insel Borkum in Bau und lieferten teilweise schon Strom. Am 8. Februar 2013 wurde mit den Bauarbeiten für DanTysk begonnen. Nach Fertigstellung wird sich die Nennleistung der Windparks auf insgesamt 2280 MW erhöhen, was rund 23 % der Zielzahl für 2020 entspricht.

Aus verschiedenen Gründen zögerten viele Banken bei der Kreditvergabe an Betreiber und Werften. Während in anderen Ländern Offshore-Windparks in küstennahen Gewässern gebaut werden, müssen in Deutschland die meisten Windparks in küstenfernen und dadurch tieferen Gewässern gebaut werden, damit die Windparks nicht von der Küste aus gesehen werden können. Dies erhöht die Kosten der Offshore-Windenergie in Deutschland erheblich. Zusätzlich werden ökologische Gründe genannt.

Seit der von der rot-grünen Bundesregierung beschlossenen Energiewende und verstärkt seit dem (zweiten) Atomausstieg 2011 nach der Nuklearkatastrophe von Fukushima steht der Ausbau der Windenergie zunehmend im Fokus des öffentlichen Interesses.

Im Juni 2013 wurden Berechnungen des Umweltbundesamtes bekannt, wonach (angesichts der Leistungssteigerungen bei Onshore-Windkraftanlagen) Offshore-Anlagen rein rechnerisch nicht nötig wären.

Wirtschaftlichkeit

Der Fördersatz für Offshore-Anlagen, die bis 2015 ans Netz gehen, beträgt 15 ct/kWh für die ersten zwölf Betriebsjahre (Anfangsvergütung). Diese Anfangsvergütung verlängert sich für jede über zwölf Seemeilen hinausgehende volle Seemeile um 0,5 Monate sowie für jeden über eine Wassertiefe von 20 Metern hinausgehenden vollen Meter Wassertiefe um 1,7 Monate. Erst danach sinkt die Vergütung auf 3,5 ct/kWh, den die Erzeuger für den Offshore-Strom erhalten. Auf die Dauer der EEG-Vergütung von 20 Jahren beträgt die durchschnittliche Vergütung damit für Offshore-Windstrom mindestens 10,4 ct/kWh (bei 12 Seemeilen Küstenentfernung und einer Wassertiefe von maximal 20 Metern) womit sie aktuell unterhalb unter der Vergütung von Photovoltaikanlagen liegen würde, die im April 2013 zwischen 15,92 ct/kWh für Kleinanlagen und 11,02 ct/kWh für Großanlagen liegt.

Da Offshore-Windparks in Deutschland jedoch im Normalfall nicht in Küstennähe, sondern 30-100 km von der Küste entfernt in 20-50 Meter tiefem Wasser errichtet werden, wodurch sich die Anfangsvergütung in der Regel deutlich verlängert, sind die 10,4 ct/kWh als unterstmögliche Einspeisevergütung zu sehen. BARD Offshore 1 als relativ weit von der Küste entfernter Offshore-Windpark liegt beispielsweise rund 60 Seemeilen vor der Küste in etwa 40 Meter tiefem Wasser. Dadurch verlängert sich bei ihm die Anfangsvergütung rechnerisch durch die vergleichsweise große Küstenentfernung um ca. zwei Jahre (48 × 0,5 Monate), durch die Wassertiefe (20 × 1,7 Monate) um knapp drei Jahre, insgesamt also um etwa fünf Jahre. Die mittlere Einspeisevergütung über 20 Betriebsjahre betrüge dann etwa 13,3 ct/kWh.

Alternativ ist auch ein Stauchungsmodell möglich, bei dem für vor 2018 errichtete Windparks als Anfangsvergütung die ersten acht Jahre 19 ct/kWh gewährt werden. Werden die 12 Seemeilen Küstenentfernung sowie 20 Meter Wassertiefe überschritten, so werden analog dem oben geschilderten Mechanismus über den verlängerten Zeitraum (s.o.) 15 ct/kWh gezahlt, nach Ablauf dieser Verlängerung 3,5 ct/kWh.

Kostensenkungspotential der Offshore-Windkraft

Die Kostensenkungspotentiale der Offshore-Windkraft sind nun vom führenden Hersteller von Offshore-Windkraftanlagen – Siemens Windenergie – benannt und beziffert worden. Demnach sollen die Kosten des Offshore-Windstromes bis zum Jahr 2020 um 40 % gesenkt werden, danach sollen noch weitere Kostensenkungen möglich werden. Siemens sieht das Kostensenkungpotential insbesondere durch Gewichtsreduzierungen, industrielle Serienfertigung, Einführung längerer Rotorblätter und größerer Nabenhöhen sowie bessere Logistik zu erreichen, auch wird an schwimmende Fundamente gedacht. Prognos macht in der Senkung der Wartungs- und Betriebskosten sowie Finanzierungskosten die größten Potenziale aus. Insgesamt schätzen sie das Kostensenkungspotenzial innerhalb der nächsten zehn Jahre auf 32 bis 39 %.