Wie funktioniert eine Windkraftanlage

Wie Windenergie entsteht

Windenergie entsteht durch die Umwandlung der kinetischen Energie des Windes in mechanische Energie und schließlich in elektrische Energie.

Der Wind trifft mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf die Rotorblätter einer Windkraftanlage. Die Rotorblätter sind so konstruiert, dass sie den Winddruck optimal ausnutzen und einen Auftrieb erzeugen. Dieser Auftrieb bringt die Rotorblätter in eine Drehbewegung.

Die Rotoren sind über eine Welle mit einem Generator verbunden. Durch die Drehbewegung der Rotorblätter wird also auch der Generator angetrieben. Im Generator erfolgt dann die Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie. Das Funktionsprinzip ist das gleiche wie bei einem Fahrraddynamo.

Je stärker der Wind bläst, desto schneller drehen sich die Rotoren und desto mehr Strom wird im Generator erzeugt. Moderne Windkraftanlagen arbeiten bereits ab Windgeschwindigkeiten von 3-4 m/s und erreichen ihre Nennleistung oft schon ab 12-15 m/s.

Aufbau einer Windkraftanlage

Eine Windkraftanlage besteht aus mehreren Hauptkomponenten:

Fundament

Das Fundament verankert die Anlage sicher im Boden und überträgt die Lasten und Kräfte, die auf den Turm wirken. Es besteht meist aus einer bis zu 20 Meter tiefen Bodenplatte aus Stahlbeton.

Turm

Der Turm trägt die Gondel mit dem Generator. Er besteht aus Beton oder Stahlrohr-Segmenten. Moderne Windkraftanlagen haben Nabenhöhen von 100 bis 160 Metern.

Gondel

Die Gondel befindet sich oben am Turm. Sie beinhaltet den Generator, Getriebe und die Steuerungselektronik. Über Sensoren und Servomotoren kann die Gondel zur optimalen Windausrichtung gedreht werden.

Rotor

Der Rotor ist das “Herzstück” der Anlage. Er besteht aus 2 oder 3 Rotorblättern, die über die Nabe mit dem Generator verbunden sind. Die Rotorblätter haben eine Länge von ca. 50-80 Metern. Ihre spezielle Form sorgt für den notwendigen Auftrieb, um den Generator anzutreiben.

Größe und Leistung

Moderne Windkraftanlagen sind beeindruckend groß. Die Gesamthöhe beträgt zwischen 90 und 170 Metern. Die Höhe variiert je nach Standort, da in größeren Höhen der Wind gleichmäßiger weht und mehr Energie enthält.

Der Rotordurchmesser, also der Durchmesser der Kreisfläche, die die Rotorblätter abdecken, liegt typischerweise zwischen 80 und 160 Metern. Je größer die Rotoren, desto mehr Wind können sie einfangen und desto mehr Strom wird produziert.

Die installierte Leistung moderner Windkraftanlagen beträgt zwischen 2 und 4 Megawatt (MW). Das entspricht in etwa dem Stromverbrauch von 500 bis 1000 Einfamilienhäusern. Durch die Kombination aus großen Rotoren und hohen Anlagen wird so aus Wind effizient sauberer Strom gewonnen.

Standortwahl

Bei der Standortwahl für Windkraftanlagen spielen verschiedene Faktoren eine Rolle. Der wichtigste ist die Windhöffigkeit. Da die Energieausbeute mit der Windgeschwindigkeit kubisch ansteigt, sollten möglichst windreiche Gebiete gewählt werden. Geeignet sind vor allem Höhenzüge, Küstenregionen und offene Ebenen.

Ein weiteres Kriterium ist der Abstand zu Wohngebieten. Hier gelten gesetzliche Mindestabstände, um Lärmbelästigung zu vermeiden. In Deutschland beträgt der Mindestabstand das 10-fache der Gesamthöhe der Anlage. Bei modernen Anlagen mit ca. 200 Meter Höhe sind dies rund 2 Kilometer. Der Abstand kann auch größer gewählt werden, um die Akzeptanz in der Bevölkerung zu erhöhen.

Bei der konkreten Standortwahl wird zudem auf verschiedene Umweltaspekte geachtet. So sollten Vogelzuggebiete und Schutzareale umgangen werden. Auch Waldstandorte sind oft nicht geeignet. Infrastrukturelle Anbindung, Bodenbeschaffenheit und weitere Faktoren spielen ebenfalls eine Rolle. Durch sorgfältige Standortplanung lassen sich hohe Erträge bei geringen Umweltauswirkungen erzielen.

Steuerung und Regelung

Moderne Windkraftanlagen verfügen über eine vollautomatische Steuerung und Regelung, um den Ertrag zu optimieren und Schäden zu vermeiden.

Die wichtigsten Funktionen der Steuerung sind:

Automatische Ausrichtung nach dem Wind

Windkraftanlagen sind mit Sensoren ausgestattet, die ständig die Windrichtung und -stärke messen. Über einen elektronischen Steuerungscomputer wird die Gondel dann vollautomatisch in die optimale Position zur Windrichtung gedreht.

Dadurch wird sichergestellt, dass die Rotorfläche immer maximal dem Wind ausgesetzt ist und der Ertrag optimiert wird. Der Vorgang der Nachführung erfolgt laufend und vollautomatisch.

Abschaltung bei Sturmböen

Bei zu hohen Windgeschwindigkeiten von über 90 km/h beginnt die Anlage automatisch damit, die Rotordrehzahl zu drosseln und abzubremsen. Ab einer bestimmten Windstärke wird die Anlage dann vollständig angehalten und der Rotor arretiert.

Diese automatische Abschaltung schützt die mechanischen Komponenten vor Beschädigung durch die enormen Kräfte bei Sturm. Moderne Anlagen sind so ausgelegt, dass sie extremen Windgeschwindigkeiten von über 200 km/h standhalten können.

Die vollautomatische Steuerung und Regelung sorgt also dafür, dass der Ertrag optimiert und gleichzeitig ein sicherer Betrieb gewährleistet wird.

Direkteinspeisung

Der in der Windkraftanlage erzeugte Strom wird direkt in das Stromnetz eingespeist. Dafür ist jede Anlage an ein Umspannwerk oder eine Sammelschiene angeschlossen.

Die Windenergieanlagen speisen Drehstrom mit einer Spannung von 400 bis 690 Volt ein. Über Transformatoren wird die Spannung auf ein mittleres Spannungsniveau von 10 bis 30 Kilovolt transformiert und ins Netz der Verteilnetzbetreiber eingespeist.

Die Einspeisung erfolgt dezentral an vielen Standorten direkt ins Netz. Dadurch wird die Windenergie optimal genutzt und trägt zur Stromversorgung bei. Anders als bei Großkraftwerken mit zentraler Einspeisung entfallen lange Transportwege.

Die Netzbetreiber sind dazu verpflichtet, Strom aus erneuerbaren Energien vorrangig abzunehmen und zu vergüten. Mit zunehmendem Ausbau der Windkraft steigt auch der Anteil der Windenergie an der Stromversorgung. Im Jahr 2022 stammten über 24% des in Deutschland erzeugten Stroms aus Windkraft.

Kapazität und Ertrag

Die installierte Kapazität einer modernen Windkraftanlage liegt typischerweise zwischen 2 und 4 Megawatt. Das entspricht in etwa dem Stromverbrauch von 500 bis 1000 Einfamilienhäusern.

Wie viel Strom eine Anlage tatsächlich erzeugt, hängt von der Windgeschwindigkeit am Standort ab. Bei optimalen Bedingungen erreichen moderne Anlagen eine Jahresenergieproduktion von bis zu 4500 Vollbenutzungsstunden. Das bedeutet, dass die Anlage bei voller Leistung 4500 Stunden im Jahr laufen würde, um die gleiche Energiemenge zu erzeugen.

Im Durchschnitt liegt die Jahresenergieproduktion einer deutschen Windkraftanlage bei rund 2500 Vollbenutzungsstunden. Eine Anlage mit 2,5 Megawatt installierter Leistung kann so im Jahr Strom für etwa 3700 Haushalte erzeugen.

Die Effizienz und der Ertrag von Windkraftanlagen konnten in den letzten Jahrzehnten massiv gesteigert werden. Moderne Anlagen nutzen die Windenergie sehr viel besser aus als frühere Modelle. Durch größere Rotoren, höhere Anlagen und verbesserte Aerodynamik konnte der Ertrag pro investiertem Euro stark erhöht werden.

Ökobilanz

Die Ökobilanz von Windkraftanlagen fällt sehr positiv aus. Der Energieaufwand für Herstellung, Errichtung, Betrieb und Rückbau einer Anlage beträgt lediglich 2-3% der gesamten Stromerzeugung über die Lebensdauer. Das bedeutet, die Energiebilanz ist bereits nach 5 bis 12 Monaten Betriebsdauer ausgeglichen. Danach produziert die Anlage sauberen Strom ohne CO2-Emissionen.

Über einen Zeitraum von 20 Jahren vermeidet eine Windkraftanlage circa 32.000 bis 64.000 Tonnen CO2 im Vergleich zur Stromerzeugung aus Kohle. Windkraft trägt also erheblich zum Klimaschutz bei. Trotz des Energieaufwands für Herstellung und Wartung ist die Gesamt-Ökobilanz von Windenergie also sehr gut.

Aktuelle Kapazität in Deutschland

Ende 2022 gab es in Deutschland nach Angaben des Bundesverbands Windenergie insgesamt rund 29.900 Windenergieanlagen mit einer installierten Leistung von über 60 Gigawatt.

Die installierte Kapazität hat sich in den letzten 10 Jahren damit mehr als verdoppelt. Im Jahr 2012 lag sie noch bei rund 30 Gigawatt. Der Zubau erfolgte zunächst sehr schnell, stagnierte aber in den letzten Jahren.

Die meisten Windkraftanlagen stehen in Niedersachsen, Brandenburg, Schleswig-Holstein und Nordrhein-Westfalen. In Süddeutschland ist der Ausbau aufgrund geografischer Gegebenheiten und Abstandsregelungen bislang eher gering.

Mit der aktuellen installierten Leistung könnte rein rechnerisch der Strombedarf von rund 17 Millionen Haushalten gedeckt werden. Allerdings schwankt die tatsächliche Einspeisung stark mit den Wetterbedingungen.

Zukunftsausblick

Die Windenergie ist eine Schlüsseltechnologie für die Energiewende in Deutschland. Bis 2030 soll die installierte Leistung von Windkraftanlagen an Land auf 80 Gigawatt ausgebaut werden. 2021 lag die Kapazität bei rund 56 Gigawatt.

Um dieses Ziel zu erreichen, müssen jährlich durchschnittlich 1,4 bis 1,8 Gigawatt an neuen Windkraftanlagen errichtet werden. Gleichzeitig sollen ältere Anlagen, die das Ende ihrer Betriebszeit erreichen, durch leistungsfähigere neue Anlagen ersetzt werden. Dieser Prozess wird als Repowering bezeichnet.

Beim Repowering können an geeigneten Standorten neue Anlagen mit deutlich höherer Nennleistung und Energieausbeute errichtet werden. Moderne Windräder haben Nennleistungen von 4 bis 5 Megawatt und mehr. Sie produzieren bei gleicher Flächeninanspruchnahme ein Vielfaches des Stromertrags älterer Anlagen.

Repowering trägt dazu bei, Ausbauziele mit weniger zusätzlichem Flächenverbrauch zu erreichen. Gleichzeitig modernisiert es den Anlagenbestand und erhöht die Effizienz. Für die Energiewende und den Klimaschutz in Deutschland ist der konsequente Ausbau der Windkraft an Land in den kommenden Jahren essenziell.

Windkraft auf See

Die Windgeschwindigkeit auf See ist deutlich höher und gleichmäßiger als an Land. Deshalb eignen sich Offshore-Standorte besonders gut für Windkraftanlagen.

Über dem Meer weht der Wind ungebremst und erreicht wesentlich höhere Geschwindigkeiten als an Land. Dort wird der Wind durch Hindernisse wie Häuser, Bäume und Hügel abgebremst und verwirbelt. Auf See herrscht dagegen ein gleichmäßiger und starker Windstrom.

Dadurch können Offshore-Windparks eine deutlich höhere Leistung erzielen. Moderne Offshore-Anlagen kommen auf eine Nennleistung von bis zu 12 Megawatt, während Onshore-Anlagen maximal rund 4 Megawatt erreichen.

Zudem können die Windräder auf See deutlich größer gebaut werden, da keine Höhenbeschränkungen wie an Land gelten. Moderne Offshore-Anlagen haben eine Nabenhöhe von über 170 Metern und Rotordurchmesser von mehr als 220 Metern.

Durch die enormen Rotoren und die hohen Windgeschwindigkeiten offshore können die Anlagen sehr große Strommengen erzeugen. Allerdings sind auch die Kosten für Errichtung und Wartung deutlich höher als bei Onshore-Windparks.

Arten von Windkraftanlagen

Windkraftanlagen unterscheiden sich in der Achsenausrichtung und den Rotortypen.

Horizontalachse vs. Vertikalachse

Bei der horizontalen Achse steht die Rotorebene parallel zum Boden. Dies ist der bei Weitem häufigste Anlagentyp. Die Rotorblätter drehen sich waagerecht um eine horizontale Achse.

Die vertikale Achse zeigt senkrecht nach oben oder unten. Hier drehen sich die Rotorblätter vertikal um eine senkrechte Achse. Vertikalachsen-Anlagen haben den Vorteil, dass sie weniger platzbedürftig sind. Allerdings ist ihr Wirkungsgrad geringer.

Unterschiedliche Rotortypen

Gängige Rotortypen bei der horizontalen Achse sind:

• Zwei- oder Dreiblattrotor: Simple und robuste Bauweise. Häufigster Typ.

• Mehrblattrotor: Erreicht bessere Laufruhe und höhere Drehzahl.

Bei der vertikalen Achse gibt es z.B.:

• Savonius-Rotor: Robust und einfach. Geringer Wirkungsgrad.

• Darrieus-Rotor: Komplexere Bauweise mit guter Effizienz.

Die Rotoren unterscheiden sich in aerodynamischen Eigenschaften, Drehzahl und Laufruhe. Der Rotor hat großen Einfluss auf die Effizienz und Leistung.

Lautstärke

Windkraftanlagen werden häufig mit Lärmemissionen in Verbindung gebracht. Tatsächlich zeigen jedoch verschiedene wissenschaftliche Studien, dass die Lärmemissionen moderner Windkraftanlagen unbedenklich sind.

Der Schall entsteht hauptsächlich durch die Rotation der Rotorblätter. Moderne Anlagen arbeiten jedoch mit deutlich langsameren Rotordrehzahlen als früher. Zudem kommen WEA-optimierte Rotorblätter zum Einsatz, die den aerodynamischen Lärm reduzieren.

Laut einer Studie des Umweltbundesamtes liegt der von Windkraftanlagen ausgehende Schallpegel in einem Abstand von 350 bis 400 Metern bei durchschnittlich 43 Dezibel. Zum Vergleich: das entspricht in etwa dem Geräuschpegel eines im Zimmer sprechenden Menschen. Selbst in einem Abstand von 700 Metern beträgt die Lautstärke nur noch 37 Dezibel.

Die gesetzlichen Grenzwerte für Lärmemissionen werden von modernen Windkraftanlagen damit deutlich eingehalten. Negative gesundheitliche Auswirkungen durch Lärm sind nach dem aktuellen Stand der Forschung nicht zu erwarten. Windenergie kann somit auch in der Nähe von Wohngebieten umweltverträglich genutzt werden.

Gefahren für Vögel

Windkraftanlagen bergen prinzipiell ein Kollisionsrisiko für Vögel, da diese mit den Rotoren kollidieren können. Studien zeigen jedoch, dass dieses Risiko insgesamt gering ist.

Die Anzahl der Vogelkollisionen hängt von verschiedenen Faktoren ab. Wichtig ist die Standortwahl der Anlagen. Besonders empfindliche Gebiete wie Vogelzugrouten oder Brutgebiete seltener Vogelarten sollten gemieden werden. Moderne Anlagen sind zudem oft mit Kamerasystemen ausgestattet, die den Vogelflug erkennen und die Anlage vorübergehend abschalten.

Insgesamt ist das Kollisionsrisiko deutlich geringer als bei anderen menschlichen Bauwerken wie Hochhäusern, Strommasten oder Verkehrsmitteln. Bei geeigneter Standortwahl ist die Windkraft eine der vogelschonendsten Energieformen.

Landschaftsverträglichkeit

Windkraftanlagen werden häufig kritisiert, da sie das Landschaftsbild beeinträchtigen. Große Windparks mit vielen hohen Anlagen können sicherlich als störend empfunden werden.

Allerdings muss dies gegen den Nutzen für den Klimaschutz abgewogen werden. Windkraft ist eine der günstigsten und umweltfreundlichsten Möglichkeiten, umweltschonenden Strom zu erzeugen. Im Vergleich zu den Gefahren der globalen Erwärmung erscheint die optische Beeinträchtigung des Landschaftsbildes als das deutlich geringere Übel.

Zudem können Windparks auch touristisch erschlossen werden, z.B. mit Aussichtsplattformen in den Anlagen. Manche Menschen empfinden die Anlagen sogar als ästhetisch oder futuristisch. Letztendlich ist die Wahrnehmung auch eine Gewöhnungsfrage.

Um die Beeinträchtigung gering zu halten, sollten Windparks mit Bedacht geplant und Landschafts- und Artenschutz berücksichtigt werden. Dann überwiegt der Nutzen für Umwelt und Gesellschaft gegenüber dem Eingriff in die Landschaft deutlich.