Windkraftanlagen: Funktionsweise, Geschichte und Ertrag der erneuerbaren Energiequelle

Eine Windkraftanlage oder Windenergieanlage ist heute die mit Abstand wichtigste Form der Nutzung von Windenergie. Denn Windkraftanlagen wandeln die Energie des Windes effizient und ganz ohne CO₂-Ausstoß in elektrische Energie um. Und diese kann anschließend in das Stromnetz eingespeist und von den Verbrauchern genutzt werden.

Wind zählt zu den erneuerbaren Energiequellen. Schon seit dem Altertum wird der Wind dazu genutzt, Energie aus der Umwelt für technische Zwecke bereitzustellen. Die heutigen modernen Windkraftanlagen können in allen Klimazonen genutzt werden. Sie werden entweder an Land (onshore) oder im Küstenvorfeld der Meere (offshore) installiert.

Wir erklären die wichtigsten Fakten, die Du über Windkraftanlagen wissen musst. Von der Funktionsweise über die Geschichte bis zum Ertrag einer Windkraftanlage – hier erfährst Du alles Wissenswerte rund um das Thema Windenergie.

Stromerzeugung durch Windenergie – Wie funktioniert eine Windanlage?

Der Begriff "Windenergie" beschreibt den Vorgang, bei dem der Wind mechanische Energie oder Elektrizität erzeugt. Windkraftanlagen wandeln dabei sterben Energie des Windes in mechanischer Energie um, aus der wiederum elektrische Energie gewonnen Wird. Das funktioniert so:

1. Wenn Wind auf die Rotorblätter einer modernen Windanlage trifft, entsteht – ähnlich wie beim Flugzeug – ein Unterdruck, der die Windflügel in Bewegung setzt.
2. Dadurch beginnt der Rotor zu laufen und die kinetische Energie des Windes wird in eine Drehbewegung umgewandelt.
3. Die Drehbewegung treibt im Inneren der Anlage einen Generator an und dieser wandelt die mechanische Energie in elektrische Energie um.
4. Anschließend wird die elektrische Energie in das Energieversorgungsnetz eingespeist und an die Stromkunden verteilt.

Wie viel Wind braucht eine Windkraftanlage?

Eine Windkraftanlage speist durchschnittlich während drei Viertel der Zeit, das heißt mehr als 6.000 Stunden im Jahr, Strom ins Netz ein. Dabei wird zwischen drei Windgeschwindigkeiten unterschieden:

1. Einschaltgeschwindigkeit: Sobald der Wind eine Geschwindigkeit von 2 m/s bis 4 m/s erreicht, setzt der Rotor sich in Bewegung, doch die Anlage produziert noch keinen Strom.

2. Nominalgeschwindigkeit: Mit der Nominalgeschwindigkeit von ungefähr 12 m/s erreicht die Windkraftanlage ihre maximale Leistung.

3. Abschaltgeschwindigkeit: Sobald die Windgeschwindigkeit einen Wert zwischen 28 m/s und 35 m/s (90 km/h) übersteigt, wird die Windkraftanlage abgeschaltet, um Sturmschäden am Rotor zu vermeiden.

Mit zunehmender Höhe steigt die Windgeschwindigkeit. Das heißt, je höher der Turm der Windkraftanlage ist, desto mehr Wind kann geerntet werden.

Wie viel kWh Strom erzeugt eine Windkraftanlage pro Jahr?

Moderne Windkraftanlagen produzieren je nach Größe eine Strommenge von 7 Mio. kWh bis 10 Mio. kWh pro Jahr. In Deutschland beträgt die Zahl der Volllaststunden im Binnenland (onshore) 2.400 – 2.500 Stunden (1 Jahr = 8.760 Stunden). Die Volllaststunde ist ein reiner Rechenwert, der sich folgendermaßen errechnet:

Die erzeugte Energie hängt von einigen Faktoren ab, wie zum Beispiel Windgeschwindigkeit, Rotordurchmesser, Nabenhöhe oder Topographie. Windkraftanlagen im Binnenland produzieren aufgrund dieser Faktoren meist weniger Energie als in küstennahen Regionen.

Wie viele Menschen versorgt eine Windenergieanlage mit Strom?

Laut dem Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) liegt der durchschnittliche Stromverbrauch bei ca. 1.530 kWh pro Person. Eine moderne Windkraftanlage mit 4 MW elektrischer Leistung erzeugt jährlich ca. 10 Mio. kWh. Damit kann eine Windanlage rund 6.500 Menschen pro Jahr mit Strom versorgen.


Wie viel Strom die Windräder auf dem Kambacher Eck monatlich genau erzeugen erfährst Du hier.

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Was ist ein Windpark?

Eine Ansammlung von mehreren Windenergieanlagen bildet einen Windpark. In Deutschland gilt eine Ansammlung von mindestens drei Windenergieanlagen genehmigungsrechtlich als Windpark.

Die Windenergieanlagen können aus mehreren Gründen eine Einheit bilden:

1. Der Standort ist besonders gut für den Betrieb von Windanlagen geeignet.
2. Es besteht eine technische Notwendigkeit für die Stromeinspeisung in das Verteilernetz.
3. Mehrere Windkraftanlagen machen den Bau und Betrieb organisatorisch sowie wirtschaftlich rentabel.

Onshore-Windpark

"Onshore" (engl.) bedeutet übersetzt "an Land". Onshore-Windparks sind auch eine Ansammlung von Windkraftenergieanlagen auf dem Festland.

Offshore-Windpark

"Offshore" (engl.) bedeutet übersetzt "vor der Küste". Damit befinden sich Offshore-Windparks im Küstenvorfeld der Meere.

Onshore- und Offshore-Windparks im Vergleich

Der große Vorteil von Onshore-Windkraftanlagen sind die vergleichsweise deutlich günstigeren Baukosten. Dazu kann Strom, der in Onshore-Anlagen erzeugt wird, direkt vor Ort verbraucht werden. Davon profitieren regionale Planungsfirmen, Grundstücksbesitzer und beteiligte Kommunen.

Offshore- Windkraftanlagen erzielen dagegen eine höhere Auslastung und mit 3.500 bis 5.000 Volllaststunden deutlich höhere Stromerträge. Nachteile sind höhere Kosten und Risiken in Bau, Betrieb und Netzanbindung. In der Regel gehören Offshore-Windparks zu größeren Energiekonzernen. Deshalb gibt es bei dieser Windenergie-Form kaum regionale Wertschöpfung.

Weitere Vor- und Nachteile von Windkraftanlagen haben wir in einem Blogbeitrag für Dich zuasammengefasst.

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Aufbau einer Windkraftanlage

Rotor, Turm und Gondel: das sind die Schlüsselelemente einer Windkraftanlage, die von außen sichtbar sind und auch über die Leistungsfähigkeit der Anlage bestimmen. Allgemein geht der Trend zu größeren Windrädern mit einer maximalen Leistung von mehreren Megawatt Strom.

Rotor

Eine moderne Windkraftanlage besitzt in den meisten Fällen drei Rotorblätter. Sie befinden sich an der Rotornabe, nehmen dort die kinetische Windenergie auf und wandeln sie in eine Drehbewegung um. Sollte der Wind einmal zu stark wehen, können die Rotorblätter verstellt und somit „aus dem Wind“ genommen werden. Das dient vor allem zur Regelung der Energieproduktion, aber auch zum Schutz der Anlage vor Beschädigungen durch Sturm.

Turm

Der Turm ist das größte und schwerste Teil einer Windkraftanlage. Er kann mehrere hundert Tonnen wiegen. Seine Höhe ist standortabhängig. Weil die Windgeschwindigkeit in höheren Luftschichten zunimmt und gleichzeitig die Turbulenzen abnehmen, werden für Standorte mit einer hohen Bodenrauigkeit (Wald oder Gebäude) höhere Türme eingesetzt. So sind z. B. im Schwarzwald mit Baumhöhen von etwa 40 Metern die Türme 40 Meter höher als an Küstenstandorten, wo die Anlagen auf dem „platten“ Land stehen.

Im Turm befinden sich die Netzleitungen der Windkraftanlage. Sie verlaufen von der Gondel bis zum Boden. Dort befindet sich der Netzanschluss, mit dem die erzeugte Energie in das Verteilnetz eingespeist wird.

Gondel

In der Gondel befinden sich Getriebe und Generator der Windkraftanlage. Es gibt jedoch auch Gondeln ohne Getriebe. In diesem Fall ist ein Direktantrieb eingebaut. Damit die Windkraftanlage immer im Wind steht, kann sie über eine Windrichtungsnachführung gedreht werden. Das entscheiden Messinstrumente (Windfahne für die Windrichtung und Anemometer für die Windstärke), die auf der Gondel angebracht sind.

Weht der Wind zu stark oder sind Wartungsarbeiten nötig, so kann die Windkraftanlage durch eine elektromagnetische Bremse stillgelegt werden.

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Geschichte der Windkraftanlagen

Die Nutzung von Windenergie reicht bis weit in die Menschheitsgeschichte zurück. Bereits in der Kupfersteinzeit, vor 10.000 Jahren, wurde die Energie des Windes gebraucht, um Kupfer zu gewinnen.

Die früheste bekannte Errichtung und Nutzung von Windmühlen liegt rund 2.500 Jahre zurück, als diese in Persien zum Getreidemahlen eingesetzt wurden. In Europa werden Windmühlen seit ca. 800 Jahren genutzt. Anfänglich zum Wasserpumpen und Sägen verwendet, fanden Windmühlen zu Beginn der Nutzung von Strom (19. Jahrhundert) ihre Verwendung im Antreiben der ersten Generatoren.

Dänemark setzte im Jahre 1908 erstmals modernere Windkraftanlagen ein, um abgelegene Siedlungen mit Strom zu versorgen. Im Jahr 1925 erfand Sigurd J. Savonius in Finnland den Savonius-Rotor. 1931 entwickelt der Franzose George Darrieus den Darrieus-Rotor.

In Deutschland entstand die erste große Windanlage (GROWIAN) im Jahr 1978 bei Marne. Mit einer Nabenhöhe von 100 Metern, einem zweiblättrigen Rotor mit 100 Metern Durchmesser und einer Leistung von 3 MW galt diese Windanlage lange als die größte der Welt.

Im Jahr 1988 entstand in Deutschland der erste Windpark mit 30 kleineren Windkraftanlagen.

Erst mit dem Stromeinspeisungsgesetz vom 7. Dezember 1990 begann die Nutzung von Windenergie in Deutschland richtig Fahrt aufzunehmen.

Die heutigen modernen Windkraftanlagen haben bei gleicher Größe eine höhere Leistungsausbeute. Derzeit steht die höchste Windkraftanlage mit einer Nabenhöhe von 178 Metern, einem Rotordurchmesser von 134 Metern und einer Leistung von 3,4 MW bei Gaildorf .

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Horizontale, vertikale und weitere Arten von Windkraftanlagen

Hierzulande werden fast ausschließlich Windräder mit drei Rotorblättern eingesetzt. Sie zählen zu den horizontalen Windrädern, weil die Achse horizontal angeordnet ist. Darüber hinaus gibt es auch Windräder mit vertikaler oder lotrechter Achse. Diese Windkraftanlagen benötigen keine Gondel, da sich der Generator durch die Lage der Achse am unteren Teil des Windrades befindet.

Im Allgemeinen gibt es die folgenden Arten von Windkraftanlagen:

1. Horizontale Windkraftanlagen: Windräder mit drei Rotorblättern

Weil sie die leistungseffizienteste Windkraftanlage ist, wird die dreiblättrige Anlage am meisten verwendet. Die dreiblättrige Windkraftanlage beginnt sich schon ab 4 m/s zu drehen. Ihre volle Leistungsfähigkeit erreicht sie bei einer Windgeschwindigkeit von 11m/s. Der Dreiblattrotor hat sich deshalb etabliert, weil er sehr laufruhig ist, eine hohe Leistung liefert und eine lange Lebenszeit von ca. 25 Jahren hat.

2. Vertikale Windkraftanlagen: Windräder mit vertikaler Achse

Vertikale Windkraftanlagen besitzen eine Rotorachse in vertikaler Lage (Standachse). Die ersten Windanlagen hatten überhaupt eine vertikale Achse: Die sogenannte persische Windmühle reicht zurück bis ins 7. Jahrhundert. Unter den vertikalen Windrädern gibt es unterschiedliche Bauformen wie den Darrieus-Rotor und den Savonius-Rotor sowie Mischformen.

Darrieus-Rotor

Durch die senkrechte Achse des Darrieus-Rotors können das Getriebe und der Generator am Boden platziert werden. Zudem verzichtet der Darrieus-Rotor auf eine Windausrichtungsanlage – diese Windkraftanlage fängt immer an zu drehen, egal aus welcher Richtung der Wind kommt. Allerdings geschieht dies erst ab einer Windstärke von 4m/s.

Ein weiterer Nachteil des Darrieus-Rotors ist sein großer Platzbedarf.

Savonius-Rotor

Ebenfalls eine senkrechte Achse besitzt der Savonius-Rotor. Seine Rotorblätter bestehen aus zwei halbkreisförmigen Schaufeln. Diese sind auf einer Platte, oben und unten versetzt, gegeneinander angebracht.

Der Vorteil des Savonius-Rotors ist, dass er sich bereits ab einer Windgeschwindigkeit von 2m/s anfängt zu drehen – und das äußerst leise.

Doch seine Leistung liegt unter der des Darrieus-Rotors und weit unter der des Dreiblatt-Rotors.

3. Flügellose Windkraftanlagen

Einige Hersteller entwickeln neue Arten von Windkraftanlagen, die ohne Rotorblätter auskommen. Jedoch ist in Deutschland bisher noch keine flügellose Windkraftanlage in den offiziellen Betrieb genommen worden.

4. Hybride Windkraftanlagen

Windkraftanlagen und auch Solarparks sind eine umweltfreundliche Alternative zu traditionellen Kraftwerken. Ihr Nachteil ist jedoch, dass die Energielieferung nicht konstant ist.

Neue Konzepte einiger Hersteller möchten diesen Effekt nun signifikant verringern – und zwar indem sich die beiden erneuerbaren Energiequellen gegenseitig ergänzen. Weil die beiden Naturphänomene Wind und Sonne teilweise komplementär sind, lässt sich so die Volatilität der Stromproduktion einschränken.

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Zur Physik von Windkraftanlagen

Jede bewegte Masse, bei Windkraftanlagen ist das Luft, enthält kinetische Energie. Die Energie nimmt abhängig vom Quadrat der Windgeschwindigkeit zu:

E = 1/2 m*v²
(E = Energie, m = Masse, v = Geschwindigkeit)

Der Luftdurchsatz, auch Massenstrom genannt, der in einer bestimmten Zeit durch die Rotorfläche eines Windrads strömt, steigt proportional mit der Windgeschwindigkeit an:

ṁ = A*ρ*v
(ṁ = Massenstrom, A = Fläche des Rotors, ρ = Dichte der Luft, v = Geschwindigkeit)

Die Leistung des Windes (P) ist gleich der Energie pro Zeiteinheit. Setz Du die Formel für den Massenstrom ein, ergibt sich:

P = Ė = 1/2 A*ρ*v³

Die Leistung des Windes ist damit von der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit abhängig. Dies ist die physikalische Begründung dafür, dass bei doppelter Windgeschwindigkeit das Energieangebot, welches das Windrad in Rotationsenergie umwandeln kann, um das Achtfache steigt. Deshalb sollten Windkraftanlagen dort aufgestellt werden, wo möglichst hohe Windgeschwindigkeiten herrschen, zum Beispiel in Küstenregionen der Nord- und Ostsee oder in hohen Gebirgslagen.

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Forschung und Entwicklung

Heute finanziert die öffentliche Forschungsförderung die Forschung und Weiterentwicklung der Windenergienutzung an Hochschulen.

Seit dem Jahr 2012 baut die Bundesregierung die Projektförderung im Bereich der Windenergie massiv aus. Dadurch sollen technologische Voraussetzungen für die Nutzung der Windenergie und Kostensenkungen bei Herstellung und Betrieb der Windstromerzeugung vorangetrieben werden.

Im Jahr 2019 hat das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) insgesamt 461 laufende Vorhaben mit rund 73 Millionen Euro gefördert. Zudem wurden 112 Forschungsprojekte mit einem Fördermittelansatz von rund 79 Millionen Euro neu bewilligt.

Quelle: Strom-Forschung.de

Auch badenova unterstützt Forschung und Entwicklung von Windenergienutzung

Wir unterstützen mit unserem einzigartigen Innovationsfonds für Klima- und Wasserschutz maßgebende Projekte der Region. Jedes Jahr fließen ca. 1,5 Mio. Euro aus dem Unternehmensgewinn in regionale Projekten des Klima- und Wasserschutzes.

Durch diese Unterstützung konnte die Stadt Lörrach beispielsweise ihr Konzept der erneuerbaren Energien mit einer Windkraftstudie ergänzen. In dieser Windkraftstudie erstellten Mitarbeiter einen Marktüberblick zu Angebot und Nutzungspotenzial von kleinen Windanlagen für Privathaushalte. Diese allgemeinen Daten wurden mit speziellen Messungen ergänzt, so dass nun Windpotentiale einzelner Grundstücke bestimmt werden und interessierte Bürger die Windgeschwindigkeiten auf ihren Dächern über einen längeren Zeitraum verfolgen können. Mehr zum Projekt.