Erneuerbare Energien

    So funktioniert eine Windkraftanlage

    Windenergie wird ein immer wichtigerer Faktor für die Stromproduktion in Deutschland. Der Anteil am Energiemix steigt seit Jahren: 2019 wurden bereits 21,1 Prozent des bundesweit verbrauchten Stroms aus Windkraft gewonnen. Aber wie genau wird aus Wind Strom?

    Seit die ersten Mühlen die Kraft des Windes nutzten, um Mahlwerke anzutreiben, hat sich viel getan. Denn moderne Windkraftanlagen wandeln die kinetische Energie des Windes nicht nur in mechanische, sondern auch in elektrische Energie um.

    Hierzu nutzen moderne Windenergieanlagen das sogenannte Auftriebsprinzip: Der Wind trifft frontal auf die Rotorblätter, die ähnlich gewölbt sind wie die Tragflächen von Flugzeugen. Durch die Wölbung muss der Wind auf der Oberseite der Blätter einen längeren Weg zurücklegen als auf der Unterseite. So entsteht oberhalb des Flügels ein Unterdruck, der eine Kraft erzeugt. Das wandelt die Energie des Windes – auch kinetische Energie genannt – in mechanische Energie um. Sie bringt die Nabe, also das nasenförmige Bauteil, das mit den Rotorblättern verbunden ist, zum Drehen.

    Ein Generator verwandelt die Drehenergie in Strom

    In der Gondel der Windkraftanlage, auch Maschinenhaus genannt, ist dieser Rotor mit einem Generator verbunden, der die mechanische Rotationsenergie in Strom umwandelt. Je schneller sich die Spule im Inneren des Generators dreht, desto mehr Strom wird erzeugt. Die Gondel selbst ist übrigens drehbar, sodass der Rotor sich nach dem Wind ausrichten kann – die sogenannte Windnachführung. Dafür bewegen von der Steuerelektronik geregelte Antriebe die Gondel bei einer Windrichtungsänderung so, dass der Rotor den Wind wieder optimal einfängt.

    Bei vielen Windkraftanlagen befindet sich in der Gondel zwischen Rotor und Generator noch ein Getriebe aus unterschiedlich großen Zahnrädern, das die niedrige Drehzahl des Rotors in eine hohe Drehzahl für den Generator übersetzt. Auf diese Weise können deutlich kleinere Generatoren verbaut werden als bei Windkraftanlagen ohne Getriebe: Hier ist der Generator direkt an den Rotor gekoppelt und dreht sich ebenso schnell wie der Rotor – ähnlich wie bei einem Fahrraddynamo. Die Generatoren in getriebelosen Windkraftanlagen sind daher deutlich größer ausgelegt.

    Der durch den Generator erzeugte Strom kann nun ins Netz eingespeist werden. Bei den meisten Anlagen sorgt hier ein Umrichter dafür, dass der eingespeiste Strom die für das deutsche Stromnetz erforderliche Frequenz von 50 Hertz hat.

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    Wenn Wind auf die Rotorblätter eines Windrads drückt, beginnt der Rotor zu laufen. Dabei wird die kinetische Energie des Windes in eine Drehbewegung umgewandelt. Diese treibt einen Generator im Inneren der Gondel an, der wiederum die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.

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    Je höher die Nabenhöhe einer Windkraftanlage ist, desto größer ist ihr Stromertrag.

    Im Schnitt 130 Meter hoch: Größe und Leistung der Windkraftanlagen sind enorm gestiegen

    Moderne Windkraftanlagen können aus physikalischen Gründen bis zu etwa 50 Prozent der Windenergie verwerten oder „entnehmen“. Dieser Wert wird Leistungsbeiwert genannt. Entnimmt eine Windkraftanlage dem Wind 50 Prozent seiner Energie, liegt der Leistungsbeiwert bei 0,5.

    Ein entscheidender Faktor für den Energieertrag ist die Höhe der Anlage. In bodennahen Schichten ist die Luft sehr verwirbelt, weil der Wind auf Hindernisse wie Häuser oder Bäume stößt. In höheren Luftschichten weht der Wind zunehmend gleichmäßiger – was die Stromproduktion effizienter macht. Darüber hinaus ist die Windgeschwindigkeit in großen Höhen höher als am Boden, ein Phänomen, das Windscherung genannt wird. Im Schnitt steigt der Stromertrag mit jedem Meter, den ein Windrad höher gebaut wird, um ein Prozent.

    Ein weiterer wichtiger Faktor für die Stromproduktion sind Anzahl und Länge der Rotorblätter. Im Laufe der Jahre hat sich herausgestellt, dass Anlagen mit drei Rotorblättern am effizientesten arbeiten. Bei einer Verdoppelung ihrer Länge steigt der Stromertrag um das Vierfache – dann erzeugt die doppelte Windgeschwindigkeit bereits den achtfachen Ertrag. Windkraftanlagen sind also über die Jahrzehnte hinweg zunehmend in die Höhe gewachsen und erhielten immer größere Rotoren. Ein Vergleich: Bei den ersten modernen Anlagen in den 1980er- und frühen 1990er-Jahren betrug der Rotordurchmesser 30 bis 40 Meter, und der Mittelpunkt der Rotornabe befand sich 40 bis 60 Meter über dem Boden. Im Jahr 2018 hatten am Markt angebotene deutsche Windkraftanlagen bereits einen durchschnittlichen Rotordurchmesser von 118 Metern und eine Nabenhöhe von 132 Metern.

    Die Nennleistung: Was passiert, wenn die maximale Leistung erreicht ist?

    Auch die Nennleistung hat sich mit der Zeit konstant gesteigert, also die Leistung, für die eine Windkraftanlage maximal ausgelegt ist. 1990 lag die durchschnittliche Nennleistung deutscher Windkraftanlagen bei 164 Kilowatt, im Jahr 2000 lag dieser Wert erstmals höher als ein Megawatt (1 MW = 1000 kW), im Jahr 2011 bereits bei rund 2,2 MW. Derzeit ist bei Onshore-Windkraftanlagen, das sind an Land gebaute Windkraftanlagen, die 3-MW-Klasse üblich. In Offshore-Windparks vor den Küsten werden sogar Windkraftanlagen mit einer Nennleistung von 3,9 MW oder mehr errichtet.

    Um Schäden am Material der Anlage zu vermeiden, sorgen bei sehr starkem Wind ab etwa 90 Stundenkilometern besondere technische Maßnahmen dafür, dass eine Windkraftanlage ihre Nennleistung nicht übersteigt. So werden beispielsweise die Rotorblätter in die sogenannte Fahnen- oder Segelstellung gedreht, in der sie dem Wind weniger Angriffsfläche bieten. Bei modernen Anlagen funktioniert das vollautomatisch. Bei älteren Windkraftanlagen waren die Blätter so designt, dass sich bei zu hohen Windgeschwindigkeiten um sie herum Luftwirbel bildeten, die verhinderten, dass sich das Windrad zu schnell drehte.

    Auch das Anfahren der Anlagen geschieht heute vollautomatisch. Und zwar erst dann, wenn die Windgeschwindigkeit hoch genug für einen wirtschaftlichen Betrieb ist. Der minimale Wert dafür sind Windgeschwindigkeiten von rund drei Metern pro Sekunde. Herrscht Flaute, wird entweder die Gondel aus dem Wind gedreht oder auch hier werden die Rotorblätter in die Fahnenstellung versetzt. Die jeweils herrschende Windgeschwindigkeit wird von dem auf der Gondel angebrachten Windmesser, dem sogenannten Anemometer, gemessen.

    Moderne Anlagen haben eine kurze energetische Amortisationszeit

    Der Verbrauch von Primärenergie, den die Herstellung von Windenergieanlagen erfordert, beträgt laut BWE (Bundesverband Windenergie) zwei bis drei Prozent der Nettoenergieerzeugung während des gesamten Lebenszyklus, ausgehend von einer Lebensdauer von 20 Jahren. Daraus folgt eine energetische Amortisationszeit von circa fünf bis zwölf Monaten. Bei einem Weiterbetrieb nach 20 Jahren kann dieses Verhältnis sogar noch weiter verbessert werden.

    Text: Claus Hornung. Fotos: Getty, Shutterstock.

    21. Dezember 2020

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