Wie funktionieren Windkraftanlagen und welche Relevanz haben sie für die Energiewende?

Windräder sind wahrscheinlich die sichtbarsten Zeichen, dass sich unsere Energiewelt im Umbruch befindet. War die Erzeugung elektrischer Energie aus fossilen Brennstoffen zuvor auf wenige, nur in der näheren Umgebung sichtbare Kraftwerke konzentriert, so ist sie jetzt fast allgegenwärtig: In den Küstenebenen und auf Hügel- und Bergketten ragen die schmalen Türme mit den großen Rotoren allerorten in den Horizont.

Mit den Windrädern macht sich der Mensch die Naturkräfte des Windes nutzbar – aber das ist ja eigentlich nichts Neues.

Inhaltsverzeichnis

• Die Erfolgsgeschichte der Windenergie
• Infobox: Geschichte der Windkraft
• Die Bestandteile einer Windkraftanlage
• Die Leistung einer Windkraftanlage
• Wie aus Wind Strom wird
• App E-Cockpit: Windenergie live
• FAQ Windkraft
• Fazit: Windkraft ist zentral für die klimaneutrale Energieerzeugung

Die Erfolgsgeschichte der Windenergie

Die Nutzung der Windenergie ist neben der Wasserkraft eine der ältesten Kulturtechniken der Menschheit. Gesicherte Nachweise von Windmühlen existieren erst allerdings für das 9. Jahrhundert n. Chr. in Persien. In Europa lassen sich erste Anlagen um das Jahr 1200 nachweisen; im 19. Jahrhundert waren etwa 200.000 Windmühlen in Europa in Betrieb.⁽¹⁾

Die Industrialisierung beendete die Geschichte der Windkraft fürs Erste, mit den bekannten Folgen für das Klima. Seit etwa 30 Jahren wird umgesteuert und Windkraft in steigendem Maße für die Stromerzeugung genutzt.

Fast 30.000 Windräder drehten sich 2022 in Deutschland und lieferten 125 Terawattstunden (TWh) Strom pro Jahr.⁽²⁾ Das waren nahezu 25 % der Stromerzeugung. Damit ist die Windenergie mit Abstand der größte erneuerbare Energieerzeuger vor der Solarenergie (10,6 %), dem Biogas (5,8 %) und der Wasserkraft (3,2 %).⁽³⁾

Die Bestandteile einer Windkraftanlage

Ein Windrad bzw. eine Windenergieanlage (WEA), wie sie technisch bezeichnet wird, besteht aus folgenden Bauelementen:

Das Fundament

Meist handelt es sich um Schwerkraftfundamente, die flach auf dem Erdboden mit Beton und Stahl errichtet werden. Nur bei weichem Untergrund müssen Pfähle im Boden verankert werden.

Bei Offshore-Anlagen im offenen Meer kommen je nach Meerestiefe und Beschaffenheit des Meeresbodens unterschiedliche Systeme zum Einsatz: Bodensenkkästen oder Pfahlsysteme. Bei einer Meerestiefe von über 50 m werden schwimmende Konstruktionen verwendet, die mit Stahlseilen auf dem Meeresboden verankert werden.

Der Turm

Der Turm ist das teuerste Bauteil eines Windrades. Generell gilt: Je höher der Turm ist, desto größer können die Rotorblätter sein und desto mehr Strom kann das Windrad liefern. Bei den meisten Windrädern handelt es sich um vor Ort gegossene Stahlbetonkonstruktionen, die sehr schwer sind (bis zu mehreren 100 Tonnen). Allerdings sind sie relativ schwingungsarm und emittieren nur geringen Schall.

Hohe Türme kommen vor allem dort zum Einsatz, wo der Wind durch geografische Gegebenheiten in Bodennähe nicht so stetig weht oder verwirbelt wird. In Küstennähe benötigt man daher nicht so hohe Konstruktionen, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen.

Das Maschinenhaus

Oben auf dem Turm sitzt das Maschinenhaus, auch Gondel genannt, das meist aus Aluminium gefertigt und mit dem Turm durch einen Drehkranz verbunden ist. Dieser erlaubt es, Maschinenhaus und Rotor auf den Wind auszurichten. Zwischen dem Rotor mit seinen 3 Blättern und dem Generator, der den Strom erzeugt, befindet sich ein Getriebe. Dieses setzt die langsame, aber kraftstrotzende Drehbewegung des Rotors in eine schnelle Drehung im Generator um.

Während sich der Rotor 6 – 20 Mal pro Minute dreht, liegt die Generatordrehzahl bei 900 bis 2000 Umdrehungen pro Minute.

Energieverluste sind bei dieser Konstruktion relativ gering und liegen bei etwa 2 %. Da aber viel Energie im Spiel ist, ist selbst diese Menge problematisch. Das Getriebe muss daher gekühlt und oft gewartet werden. In dem Generator rotiert ein elektrischer Leiter in einem Magnetfeld und erzeugt damit Wechselstrom gemäß dem Prinzip der Induktion. Auch hier entstehen 2 bis 3 % Energieverlust.

Der Rotor

Das optisch markanteste Bauteil eines Windrades ist der Rotor mit den 3 Rotorblättern. In der Mitte des Rotors befindet sich die Rotornabe, die Verbindung zwischen den Rotorblättern und der Achse, die sich im Generator dreht.

Bei der Konstruktion der Nabe haben sich unterschiedliche Bauarten entwickelt. Diese versuchen mit unterschiedlichen Lösungen auf die Herausforderungen zu reagieren, die sich aus dem launigen Charakter des Windes ergeben, z. B.:

• Wind weht schwach oder stark
• Wind weht böig, mit einer plötzlichen, sehr starken Energieeinwirkung
• Wind dreht sich

Diese wechselhaften Windphänomene muss ein Rotor verarbeiten, ohne die Anlage zu beschädigen. Deshalb können sich Rotorblätter, die Flugzeugflügel ähneln, z. B. in sich drehen oder die Rotorbewegung abbremsen, wenn zu viel Energie auf die Rotorfläche einwirkt.

Diese Fläche ist bei großen Windrädern enorm: Bei einer Nabenhöhe von 150 m und einem Rotordurchmesser von 220 m wird eine Fläche von über 5 Fußballfeldern bestrichen.

Je größer das Windrad, desto mehr Leistung

Inzwischen werden die Anlagen immer größer. Die durchschnittliche Nabenhöhe, also der Abstand vom Boden bis zum Mittelpunkt der Rotorblätter, liegt bei 138 m. Bei den Rotoren ist die Durchschnittslänge auf 137 m gestiegen. Die durchschnittliche Gesamthöhe beträgt bei in 2022 errichteten Anlagen 206 m.

Dementsprechend steigt auch die Leistung. Diese beträgt durchschnittlich 4,3 Megawatt (MW). ⁽⁴⁾ Zum Vergleich: Ein Einfamilienhaus kann in der Regel Strom mit einer maximalen Leistung von 27,6 kW beziehen. Das bedeutet: Wenn ein durchschnittliches, in 2022 errichtetes Windrad seine maximale Leistung liefert, können damit 155 Einfamilienhäuser versorgt werden, die in dem Moment ebenfalls die maximale Leistung verbrauchen.

Da beides eher selten der Fall ist, kann eine normal laufende Windenergieanlage (WEA) wesentlich mehr Haushalte gleichzeitig bedienen.

Wie aus Wind Strom wird

Die Nutzung von Windenergie für die Stromerzeugung ist ein komplexer physikalischer Prozess. Darum zunächst die Frage: Was ist eigentlich Wind? Wind ist bewegte Luft und enthält Energie, je nach Windgeschwindigkeit mehr oder weniger. Wind entsteht, wenn die Luft Unterschiede des Luftdrucks ausgleicht, die durch die Sonneneinstrahlung ausgelöst werden. Warme Luft steigt nach oben, während kühlere Luft absinkt und in die entstandene Lücke strömt.

Windkraftanlagen wandeln die Energie, die mit dem Wind frontal auf die Rotorblätter einwirkt, in Rotationsenergie um: Wenn der Wind weht, dreht sich der Rotor. Dabei ergeben sich physikalische Effekte mit unterschiedlicher Dynamik.

So kann z. B. ein Windrad niemals die komplette Energie, die der Wind enthält, in Rotation umwandeln. Denn damit sich der Rotor dreht, muss der Wind hindurchwehen können, also hinter dem Rotor rauskommen. Windräder können höchstens 59 % der Windenergie aufnehmen. Das ist der sogenannte maximale Rotorwirkungsgrad.

Aktuelle Windenergierotoren nehmen etwa 50 % der Windenergie auf. Zusammen mit den oben erwähnten mechanischen und elektrischen Verlusten, können Windkraftanlagen daher etwa 45 % der ursprünglichen Windenergie als Strom weitergeben.

Die Menge der Energie, die der Wind enthält, ist abhängig von seiner Geschwindigkeit und von der Temperatur der Luft. Warme Luft hat eine geringere Dichte als kalte, es wirken also weniger Luftmoleküle auf die Rotorblätter ein. Der Unterschied zwischen Luft, die -10 °C kalt ist, und solcher, die +20 °C warm ist, beträgt etwa 11 %.

In Bezug auf die Windgeschwindigkeit ist das Verhältnis zur enthaltenen Energie exponentiell. Konkret bedeutet das: Wenn sich die Windgeschwindigkeit z. B. verdreifacht, steigt die Leistung um das 27-fache. ⁽⁵⁾

Windenergie live im E-Cockpit der EnBW

Weitere Fragen rund um die Windenergie

Verbrauchen die Konstruktion und Installation eines Windrades nicht mehr Energie, als es erzeugt?
Nein. Das Verhältnis zwischen benötigter und erzeugter Energie bewegt sich in einem Verhältnis von 1:40 bis 1:60.

Erzeugen Windkraftanlagen während des Betriebes Lärm?
Windräder erzeugen im Betrieb Geräusche. Moderne Anlagen sind jedoch oft leiser als ältere Modelle und können durch spezielle Designs oder Materialien den Lärm reduzieren. Der Schall liegt in einem Abstand von 200 m etwa auf dem Niveau eines normal geführten Gespräches.

Beeinträchtigen Windräder ihre unmittelbare Umwelt, z. B. die Tierwelt oder auch durch Schattenwurf?
Windkraftanlagen können für Vögel und Fledermäuse gefährlich sein, wobei das Kollisionsrisiko von Art zu Art variiert. Die genaue Auswirkung hängt vom Standort der Anlage und der Flugroute der Tiere ab. Um das Risiko zu minimieren, werden Windkraftanlagen oft an weniger kritischen Standorten errichtet. Außerdem werden Maßnahmen wie Vogelschutzradare ergriffen, um Kollisionen zu vermeiden.

Der Schattenwurf kann für Anwohnerinnen und Anwohner gelegentlich störend sein, aber das hat normalerweise keine direkten Auswirkungen auf die Umwelt. Darüber hinaus gibt es entsprechende Regelungen, z. B. durch einzuhaltende Abstände zur Wohnbebauung, die störende visuelle Effekte verhindern.

Welchen Beitrag leisten Windräder bei der Energiewende? Ist Photovoltaik nicht besser?
Wir werden beides brauchen, allerdings haben Windräder einen wichtigen Vorteil: Sie erzeugen auch nachts Strom und das mit wenigen Ausnahmen konstant. Windräder – insbesondere Offshore-Anlagen – sind daher nahezu grundlastfähig, das heißt, sie bedienen nicht nur Lastspitzen, sondern eben die allgemeine Grundversorgung.

Im Unterschied dazu ist sind Photovoltaikanlagen optimal geeignet, um tagsüber auftretende Spitzen beim Stromverbrauch zu bedienen. Beide Systeme ergänzen sich also sehr gut.

Fazit: Windkraft ist zentral für die klimaneutrale Energieerzeugung

Windkraftanlagen sind ein wichtiger Bestandteil der Energiewende hin zu einer Energieversorgung aus erneuerbaren Quellen. Wind kostet nichts und ist fast immer vorhanden. Die Nutzung des Windes ist nachhaltig, kann regional organisiert werden, stellt aber auch im europäischen Verbund einen wichtigen Faktor bei der Stromerzeugung dar: Denn irgendwo weht immer Wind …

Die Technik ist inzwischen so weit fortgeschritten, dass störende Umwelteinflüsse wie z. B. Schallemission keine Rolle mehr spielen. Windräder sind ein wesentlicher Baustein für die Zukunft einer klimaneutralen Energieversorgung in Deutschland.

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Belege

⁽¹⁾https://wilderwind.at/?mdoc_id=1025290
⁽²⁾https://www.wind-energie.de/themen/zahlen-und-fakten/deutschland/
⁽³⁾https://www.destatis.de/DE/Presse/Pressemitteilungen/2023/03/PD23_090_43312.html
⁽⁴⁾https://www.wind-energie.de/fileadmin/redaktion/dokumente/publikationen-oeffentlich/themen/06-zahlen-und-fakten/20230118_Status_des_Windenergieausbaus_an_Land_Jahr_2022.pdf
⁽⁵⁾https://www.wind-energie.de/themen/anlagentechnik/funktionsweise/