Wie funktioniert ein Windkraftwerk und welches Potential hat diese Technologie?

Windenergie gehört zu den von der Menschheit schon am längsten genutzten Energieträgern. Zu den traditionellen Anwendungen gehören nicht nur die bekannten Windmühlen, sondern insbesondere auch Segelschiffe, die lange Zeit das einzige Verkehrsmittel für Ferntransporte waren.

Heute ist die Erzeugung von elektrischem Strom aus Windenergie eine der am schnellsten wachsenden Technologien im Bereich aller erneuerbaren Energieträger. Windenergie überzeugt durch sehr geringe Schadstoffbelastung und eine unbegrenzte und an vielen Orten gegebene Verfügbarkeit.

Es lohnt sich also für Sie, dieser Technologie Aufmerksamkeit zu widmen. Wie funktioniert ein Windkraftwerk eigentlich, wie gewinnt man daraus elektrische Energie und wovon hängen hier die Qualitäten ab?

Was ist ein Windkraftwerk?

Ein Windkraftwerk ist ein System, das die Bewegungsenergie von Luftmassen in mechanische Energie umwandelt. Heute erfolgt in fast allen Anwendungsfällen eine weitere Umwandlung der mechanischen Windkraft in elektrische Energie.

Der Primärenergieträger in Bezug auf Windkraftwerke ist also die bewegte Luft. Ihre Energie stammt ursprünglich von der Sonne. Sie erwärmt verschiedene Teile der Atmosphäre in verschiedenem Ausmaß, was an der Grenze der gerade von der Sonne beschienenen Fläche klar ist. Die so entstehenden Druckunterschiede werden durch Wind ausgeglichen, dessen Windkraft wirtschaftlich nutzbar ist.

Interessieren Sie sich also für die Nutzung von Sonnenenergie, umfasst das nicht nur die Photovoltaik im engeren Sinn, sondern auch den Wind und seine mögliche Umwandlung in elektrischen Strom durch Windkraftwerke.

Luftaufnahme Windrad

Eigenschaften von Windenergie

Klimaneutralität

Beim Betrieb eines Windkraftwerks bzw. einer Windkraftanlage entstehen keine Treibhausgase. Geringe Mengen fallen bei der Herstellung eines Windkraftwerks an.

Verfügbarkeit

Windstille Orte gibt es nur sehr wenige. Für eine wirtschaftliche Nutzung von Wind durch ein Windkraftwerk ist eine bestimmte durchschnittliche Windgeschwindigkeit erforderlich, die aber an vielen Orten der Erde erreicht wird. Windenergie führt im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen nicht zu einer Abhängigkeit von wenigen Ländern, die über die entsprechenden Ressourcen verfügen.

Geringer Flächenbedarf

Ein Windrad nimmt wenig Fläche in Anspruch, insbesondere wenn man berücksichtigt, dass um den Turm herum die Fläche weiter zum Beispiel landwirtschaftlich genutzt werden kann.

Nachteile

Darunter finden sich die Gründe, die manche Bürgerinitiativen für ihre Ablehnung eines Windkraftwerks anführen. Ein großes Windrad hat eindeutig einen negativen Effekt auf das Landschaftsbild. Je nach Aufstellungsort kann ein Windkraftwerk auch eine Gefahr für Vögel und Fledermäuse darstellen. Noch aufzubauen sind auch hinreichende Kapazitäten für das Recycling der Verbundwerkstoffe der Rotoren. Im Vergleich zu anderen Energieträgern erscheinen diese Probleme allerdings lösbar.

Wie funktioniert eine Windkraftanlage und woraus besteht sie?

Die Grundfunktion ist immer noch dieselbe wie bei alten Windmühlen. Bewegte Luft bringt einen Rotor zum Drehen, der über eine mechanische Vorrichtung eine Mühle oder heute eben einen Generator für elektrischen Strom antreibt.

Rotor

Heute kommen in den meisten Fällen dreiblättrige Rotoren oder Windräder zum Einsatz. Sie sind leiser und schwingungstechnisch besser beherrschbar als zweiblättrige Ausführungen. Die Rotorblätter werden heute aus Verbundwerkstoffen wie glasfaserverstärkten Kunststoff hergestellt.

Die für einen maximalen Wirkungsgrad optimale Form der Rotorblätter wurde mit Ergebnissen aus der Forschung im Bereich der Luftfahrt gefunden und wird noch weiter verbessert. Besonders die Form der Spitzen der Rotoren wird auch unter dem Gesichtspunkt der Geräuschminderung gewählt.

Die Rotorblätter können verstellbar sein, womit sie auf die herrschende Windgeschwindigkeit angepasst werden können. Nachdem sich natürlich auch die Windrichtung ändern kann, können die Windräder als ganzes in verschiedene Richtungen gedreht werden.

Gondel

Sie wird auch Maschinenhaus genannt und befindet sich direkt hinter der Nabe der Rotoren. Neben dem Generator kann sie auch ein Getriebe enthalten. Ein solches ermöglicht eine höhere Drehzahl, was eine kleinere Auslegung des Generators erlaubt.

Generator

Nachdem die Drehzahl des Windrads nicht konstant ist, muss eine technische Trennung zwischen der Drehzahl des Rotors und der Frequenz des Stromnetzes vorgesehen werden. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten der Realisierung wie einen Synchrongenerator oder einen Wechselstrom-Umrichter. Für den optimalen Wirkungsgrad sollte die Drehzahl des Windrads an die Windstärke angepasst werden.

Steuerung

Sie überwacht die Betriebsparameter und nimmt die entsprechenden Einstellungen vor. Bei zu starkem Wind muss ein Windkraftwerk abgeschaltet werden, je nach Windstärke ist eine andere Rotorblatteinstellung sinnvoll und die Windrichtung bestimmt die Ausrichtung des Windrads.

Turm

Nachdem ein größerer Rotordurchmesser eine höhere Ausbeute an Windkraft ermöglicht, muss der Turm hoch genug sein. Das erfordert eine hinreichend starke Verankerung im Boden und Festigkeit der Konstruktion. Aufgrund seiner Höhe ist mit regelmäßigem Blitzeinschlag zu rechnen, für den ein Blitzschutzsystem vorzusehen ist.

Welche Eigenschaften eines Windkraftwerks bestimmen seine Qualität?

Windgeschwindigkeit

Sie gehört zu den wichtigsten Standortkriterien für ein Windkraftwerk und muss für wirtschaftlichen Betrieb im Jahresdurchschnitt mindestens 4 Meter pro Sekunde betragen. Die Leistung eines Windkraftwerks wächst mit der dritten Potenz dieses Betriebsparameters. Eine dreifache Windgeschwindigkeit erhöht also die Leistung auf das 27fache. Darin liegt der Grund für die starken Schwankungen der Leistung eines Windkraftwerks. Nachdem die Windgeschwindigkeit mit der Höhe steigt, ist neben flachem Gelände ein möglichst hoher Turm von Vorteil, was auch einen größeren Rotordurchmesser ermöglicht.

Eigenbedarf

Für den Betrieb muss von einem Windkraftwerk nur ein halbes Prozent der eigenen Leistung aufgewendet werden. Im Gegensatz dazu braucht ein konventionelles Wärmekraftwerk etwa fünf Prozent für seinen Eigenbedarf.

Betriebsdauer

Solange sich die Technologie stark verbessert, macht das sogenannte Repowering Sinn. Darunter versteht man den Ersatz eines Windkraftwerks durch ein neueres mit größerer Leistung. Bei neueren Windkraftwerken tritt aber die Verlängerung der Betriebsdauer zur Strompreissenkung in den Vordergrund. Jedes zusätzliche Jahr verteilt die Kosten des Kraftwerks auf eine größere Strommenge.

Welchen Wirkungsgrad haben Windkraftanlagen?

Die theoretische Obergrenze für den Wirkungsgrad liegt bei 60 %. Nach nicht ganz zu vermeidenden Verlusten im Getriebe und im Generator erreicht ein Windkraftwerk heute einen praktischen Wirkungsgrad von 40 bis 45 %. Mittlerweile ist die Technik soweit ausgereift, dass eine wesentliche Erhöhung dieses Werts nicht zu erwarten ist.

Im Vergleich dazu besitzt ein Ottomotor einen maximalen Wirkungsgrad von 40 %.

Wo kann die Windkraft durch Windkraftanlagen genutzt werden?

An sich muss an einem geeigneten Standort eine hinreichende Windgeschwindigkeit erreicht werden und die Probleme mit Landschafts- und Naturschutz müssen sich lösen lassen.

On-shore Windräder

Aufstellungen an Land sind immer noch weitaus am häufigsten. Mit einem solchen Windkraftwerk werden Leistungen von 2 bis 5 Megawatt pro Windkraftanlage erreicht.

Off-shore Windparks

Seit etwa 2010 werden immer mehr Offshore Anlagen im Meer gewählt. Auf der einen Seite sind größere Windräder und Windkraftanlagen mit bis zu 15 Megawatt Leistung möglich. Off-shore bläst der Wind nicht nur stärker, sondern auch gleichmäßiger, was einen beträchtlichen Vorteil darstellt. Aufwendiger ist aber der Schutz der Windenergieanlage vor Wellengang und der Transport von elektrischem Strom zum Verbraucher. 🌱

Bildquellen

  • Windkraftwerk: iStock/elxeneize
  • Luftaufnahme-Windrad: iStock/TimSiegert-batcam
  • Clean-energy: iStock/undefined undefined