Wie funktionieren eigentlich Windkraftanlagen?
Windenergie ist ein großes Thema, soll sie doch einen wesentlichen Anteil zur Energiewende beitragen. Wir haben uns angeschaut, wie Windkraftanlagen eigenlich funktionieren.
Wie wird aus Wind Strom? Wir beantworten die wichtigsten Fragen rund um Windkraftanlagen.
Foto: PantherMedia / zentilia
Windenergie nutzt die Kraft des Windes, um Strom zu erzeugen. Das weiß eigentlich jeder. Dabei drehen sich Rotoren in der Luft und wandeln diese Bewegung in elektrische Energie um, eine saubere und nachhaltige Stromquelle. Wir haben uns in diesem Ratgeber angeschaut, wie sich Windenergie entwickelt hat und wie Wind eigentlich funktioniert. Darauf aufbauend, stellen wir Aufbau und Komponenten einer Windkraftanlage vor.
Wie hat sich die Windenergie entwickelt?
Windenergie ist eine erneuerbare Energiequelle, die die Kraft des Windes nutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Sie hat eine lange Geschichte, die von den frühen Windmühlen bis zu den modernen Windkraftanlagen von heute reicht. Ihre Verwendung reicht Jahrhunderte zurück. Bereits im antiken Persien und China wurden Windräder zum Mahlen von Getreide eingesetzt. Über die Jahrhunderte entwickelten sich aus den Windrädern die Windmühlen, die sich ab dem 12. Jahrhundert in Europa verbreiteten. Sie wurden für unterschiedliche Zwecke genutzt, etwa zum Pumpen von Wasser oder zum Sägen von Holz.
Strom aus Windkraft entwickelte sich gegen Ende des 19. Jahrhunderts: Der Schotte James Blyth baute 1887 ein Rad mit einem großen Rotor und langen Baumwollsegeln, um damit einen Dynamo anzutreiben. Der Übergang zur modernen Windenergie begann in den 1950er-Jahren, als die ersten Windkraftanlagen in Dänemark und den USA errichtet wurden. Diese waren vergleichsweise klein und hatten keine großen Leistungskapazitäten. In den vergangenen Jahrzehnten hat der technische Fortschritt die Windenergie revolutioniert. Moderne Anlagen nutzen aerodynamisch optimierte Rotorblätter und effiziente Generatoren, um mehr Energie aus dem Wind zu gewinnen. Außerdem sind sie in der Lage, Wind aus verschiedenen Höhen zu nutzen, was die Energieerzeugung auf Offshore-Windparks ausgeweitet hat.
Windenergie spielt eine wichtige Rolle in der globalen Energieversorgung. Die Branche ist in den vergangenen Jahren stark gewachsen, sowohl im Onshore- als auch im Offshore-Bereich. Allein in Deutschland standen bis Ende 2022 insgesamt 28.443 Onshore-Windenergieanlagen. Die Windenergie schafft Arbeitsplätze und trägt zur wirtschaftlichen Entwicklung bei, insbesondere in ländlichen Regionen, in denen häufiger Windparks gebaut werden. Im Rekordjahr 2016 waren 164.500 Menschen in der Windenergiebranche beschäftigt. Davon 29.800 im Bereich Offshore- und 134.700 in der Onshore-Windenergie. Danach sanken die Zahlen leicht, da sich der Ausbau der Windkraftanlagen verlangsamte. Seit 2019 steigen die Beschäftigtenzahlen wieder an.
Fundamente herkömmlicher Windkraftanlagen haben einen Durchmesser von mindestens 20 Metern und reichen 4 Meter tief ins Erdreich.
Foto: Bundesverband WindEnergie / Heiko Jessen
Wie Wind entsteht: Grundlagen der Aerodynamik
Um Windenergie und Windkraftanlagen nutzen zu können, muss man wissen, wie Wind „funktioniert“. Wind ist die horizontale Bewegung der Luft in der Atmosphäre und entsteht durch Unterschiede im Luftdruck. Diese werden durch verschiedene Faktoren beeinflusst, zum Beispiel Temperaturunterschiede. Die Sonne erwärmt die Erdoberfläche ungleichmäßig, was zu Differenzen bei den Temperaturen führt. Warme Luft steigt auf, kalte Luft sinkt ab. So entstehen die Druckunterschiede, die den Wind antreiben. Berge, Täler, Küstenlinien und andere geografische Merkmale beeinflussen die Luftbewegungen. So kann sich der Wind entlang einer Küste durch den Temperaturunterschied zwischen Meer und Land verstärken.
Hoch- und Tiefdruckgebiete in der Atmosphäre erzeugen Druckunterschiede, die den Wind beeinflussen. Der Wind strömt von Gebieten mit hohem Druck zu solchen mit niedrigem Druck. Die Bewegung der Luftpartikel vom Hochdruckbereich zum Tiefdruckbereich erzeugt den Wind.
Die Wissenschaft, die das Verhalten von Luft in Wechselwirkung mit festen Körpern untersucht, nennt sich Aerodynamik. In Bezug auf die Windenergie sind drei ihrer Prinzipien von besonderer Bedeutung:
- Auftrieb (Lift): Auftrieb ist die nach oben ziehende Kraft, die entsteht, wenn Luft um einen Körper strömt. Durch dieses Prinzip bleiben Flugzeuge in der Luft, auch Windkraftanlagen nutzen es. Die Rotorblätter von Windkraftanlagen sind so geformt, dass sie Auftrieb erzeugen. Dadurch drehen sich die Blätter und die Bewegung wird in elektrische Energie umgewandelt.
- Luftwiderstand (Drag): Der Luftwiderstand ist die Kraft, die der Bewegung eines Körpers entgegenwirkt, wenn er sich durch die Luft bewegt. Bei Windkraftanlagen ist es wichtig, den Luftwiderstand der Rotorblätter zu minimieren, um so viel Energie wie möglich zu produzieren.
- Drehmoment (Moment): Das Drehmoment ist das Moment, das auf einen Körper ausgeübt wird, wenn eine Kraft auf ihn wirkt. In einer Windkraftanlage erzeugt der Auftrieb auf den Rotorblättern ein Drehmoment, das die Rotorwelle dreht und die mechanische in elektrische Energie umwandelt.
Monteure arbeiten an der Nabe einer Windkraftanlage.
Foto: BWE/Tim Riediger
Aufbau und Komponenten einer Windkraftanlage
- Rotorblätter: Die Rotorblätter sind die beweglichen Teile einer Windkraftanlage. Sie sind so konzipiert, dass sie Auftrieb erzeugen, wenn der Wind darüber strömt. Form, Größe und Neigung der Rotorblätter beeinflussen die Leistung der Anlage.
- Nabe: Die Nabe ist das zentrale Verbindungselement, an dem die Rotorblätter befestigt sind. Sie überträgt die Drehbewegung der Blätter auf die Rotorwelle.
- Rotorwelle: Die Rotorwelle überträgt die Drehbewegung der Rotorblätter auf den Generator. Sie dreht sich mit den Rotorblättern und treibt den Generator an.
- Generator: Der Generator wandelt die mechanische Energie der Rotationsbewegung in elektrische Energie um. In der Regel handelt es sich um einen elektrischen Generator, der Wechselstrom erzeugt.
- Getriebe: Bei einigen Windkraftanlagen gibt es noch Getriebe, um eine niedrige Drehzahl der Rotorwelle in eine höhere für den Generator umzuwandeln. Moderne Anlagen verwenden meist direkt angetriebene Generatoren, um den Verschleiß und den Energieverlust im Getriebe zu vermeiden.
- Bremssystem: Windkraftanlagen sind mit einem Bremssystem ausgestattet, um die Rotorblätter bei Bedarf zum Stillstand zu bringen, beispielsweise bei zu starkem Wind oder für Wartungsarbeiten.
- Steuerungssystem: Ein Steuerungssystem überwacht den Betrieb der Anlage und passt die Blattwinkel und die Drehgeschwindigkeit der Rotorblätter an die aktuellen Windbedingungen an.
- Turm: Der Turm ist die Tragstruktur für Rotorblätter & Co. Die Höhe des Turms beeinflusst die Auslastung der Windkraftanlage. In großen Höhen bestehen höhere Windgeschwindigkeiten.
Es gibt zwei wesentliche Bauformen von Windkraftanlagen: Horizontalachsen- und Vertikalachsen-Anlagen. Horizontalachsen-Windkraftanlagen sind die gebräuchlichste Form. Bei diesen Anlagen sind die Rotorblätter horizontal am Turm befestigt. Sie drehen sich um eine vertikale Achse. Dieser Typ wird für die meisten Onshore- und Offshore-Windparks eingesetzt. Bei Vertikalachsen-Windkraftanlagen sind die Rotorblätter vertikal am Turm befestigt und drehen sich um eine horizontale Achse. Sie sind wenig verbreitet und werden eher für kleinere Anlagen oder in städtischen Gebieten genutzt. Sie können zwar aus verschiedenen Windrichtungen Energie erzeugen, sind aber weniger effizient.
Servicearbeiten auf der Gondel einer Windkraftanlage.
Foto: BWE / REpower Systems AG
Funktionsweise einer Windkraftanlage
Eine Windkraftanlage wandelt die kinetische Windenergie in elektrische Energie um. Das geschieht in mehreren Schritten. Die Rotorblätter erzeugen Auftrieb, wenn der Wind darüber strömt. Sie beginnen sich zu drehen. Ihre kinetische Energie wird in mechanische umgewandelt. Die Drehbewegung wird auf die Rotorwelle übertragen, die sich in der Gondel der Anlage befindet. Sie ist mit einem Generator verbunden.
Durch die Drehbewegung des Rotors werden im Generator Magnete an Kabeln vorbei bewegt. Dadurch werden Elektronen in Bewegung gebracht und es entsteht Strom. Der erzeugte Strom ist in der Regel Wechselstrom (AC), der im Generator bereits auf die gewünschte Spannungsebene gebracht wird. Die erzeugte Energie wird durch Kabel aus der Anlage in ein Umspannwerk geleitet, wo sie in das Stromnetz eingespeist wird. Dort wird der erzeugte Wechselstrom oft in Gleichstrom (DC) umgewandelt, damit er mit dem bestehenden Stromnetz kompatibel ist.
Die Steuerungsanlage einer Windkraftanlage passt den Winkel der Rotorblätter und die Drehgeschwindigkeit der Rotorwelle an die Windbedingungen an. Das passiert in Echtzeit, um die maximale Energieausbeute aus dem Wind zu ziehen. Wird die Windgeschwindigkeit gefährlich hoch, bremst die Steuerung die Rotorblätter oder schaltet die Anlage komplett ab, um Schäden zu vermeiden.
Vorteile und Herausforderungen der Windenergie
Die Windenergie hat viele Vorteile, ist jedoch auch mit bestimmten Problemen verbunden. Zunächst einmal ist Windenergie eine saubere und umweltfreundliche Energiequelle. Sie erzeugt keine Treibhausgasemissionen oder Luftverschmutzung. Wind ist eine unerschöpfliche Ressource. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen, die begrenzt sind, können Windkraftanlagen kontinuierlich saubere Energie erzeugen. In vielen Teilen der Welt ist Windenergie bereits wettbewerbsfähig mit konventionellen Energiequellen wie Kohle und Gas. Die Kosten für Windkraftanlagen sind in den vergangenen Jahren gesunken, was ihre Wirtschaftlichkeit verbessert hat.
Aber: Windkraftanlagen erzeugen während des Betriebs Lärm und Vibrationen, die von Anwohnern als störend empfunden werden. Häufig kommt es vor dem Neubau von Windparks oder auch nur einzelnen Windrädern zu Protesten. Wichtig ist deshalb der Einsatz von Schallschutztechnologien. Darüber hinaus benötigen Windkraftanlagen eine regelmäßige Wartung, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Das verursacht Kosten.
Zwar verursachen Windkraftanlagen keine Treibhausgasemissionen oder Luftverschmutzung, haben aber dennoch Auswirkungen auf die Umwelt. Dazu gehören die Gefahr von Vogelkollisionen, insbesondere in Gebieten mit Vogelzugrouten, sowie Veränderungen im Landschaftsbild und in der Tierwelt der unmittelbaren Umgebung.
Die Effizienz von Windkraftanlagen hängt stark vom Standort ab. Sie brauchen Orte mit ausreichend Wind, was in einigen Regionen problematisch ist. Die meisten Anlagen befinden sich in den flachen Landschaften im Norden Deutschlands. Die intermittierende Natur der Windenergie bringt zusätzliche Herausforderungen bei der Netzstabilität und -flexibilität mit sich. Trotz dieser Probleme, die sich in der Regel durch sorgfältige Planung minimieren lassen, ist die Windenergie eine Schlüsselkomponente beim Übergang zu sauberer und nachhaltiger Energie.
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