Volle Windkraft voraus: Wie funktioniert ein Windrad?

Erneuerbare Energien liegen im Trend. Wie das Umweltbundesamt vermeldet, lag ihr Anteil am Bruttostromverbrauch im Jahr 2018 in Deutschland bei 37,8%, Tendenz weiter steigend. Windenergie ist dabei weltweit eine der effizientesten und am stärksten wachsenden Stromquellen. Im Jahr 2018 wurden 111,6 Milliarden Kilowattstunden (Mrd kWh) produziert. Im Vergleich: 2014 waren es 57,3 Mrd kWh. Auch in Deutschland weiß man kräftige Böen zu schätzen – die Bundesrepublik liegt bei der Produktion von Windenergie an dritter Stelle hinter China und den USA.

Aber wie gelingt es eigentlich, die Naturkraft Wind effektiv einzufangen und zu speichern? In diesem Artikel zeigen wir Ihnen wie Windräder funktionieren, was sie leisten und wie und wo in Deutschland Windenergie erzeugt wird.

 

Windenergie in Deutschland – zu Wasser und zu Land

Windkraftanlagen: ihr Aufbau

Wie funktioniert ein Windrad?

Das Windrad – Stromerzeugung mit erstaunlicher Leistung

Windkraft nutzen mit Gewinn

Windenergie in Deutschland – zu Wasser und zu Land

Windräder leisten den größten Beitrag zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland. Der Bundesverband Windenergie gibt einen Nettoanteil von 20,4% an der gesamten deutschen Stromproduktion an. Im Jahr 2018 wurde mit 111,6 Terrawattstunden ein neuer Höchstwert erreicht. Damit stieg die Nutzung von Windenergie in Deutschland um 5,6 Prozent gegenüber dem Vorjahr.

Für die optimale Energieerzeugung mit Wind kommt es auf die Windgeschwindigkeiten an. Deshalb sind wenig besiedelte Standorte, Küstennähe oder Berglagen für Windräder besonders geeignet. Die meisten Windräder gibt es in Deutschland dementsprechend in Niedersachsen und Schleswig-Holstein. In der Nord- und Ostsee wurden bislang 1.305 Windkraftanlagen installiert. Diese Lage wird als Offshore bezeichnet. Dem stehen 29.213 Onshore-Windenergie-Anlagen in Deutschland gegenüber.

Windkraftanlagen: ihr Aufbau

Seit den 1980er-Jahren hat sich weltweit eine bestimmte Bauweise moderner Windkraftanlagen durchgesetzt. Der Aufbau eines Windrads ist deshalb meist gleich.

  • Das Fundament
    Große Mengen Stahl und Beton sorgen dafür, dass die Anlage tief und fest im Erdboden verankert ist.
  • Der Turm
    Er kann aus Stahl, Beton oder beidem konstruiert sein und sorgt für die nötige Höhe, die meist zwischen 40 und 160 Metern liegt. Das höchste Windrad der Welt steht übrigens in Stuttgart und misst stolze 246 Meter. Der Turm allein ist 178 Meter hoch.
  • Das Maschinenhaus
    Dieser Teil, auch Gondel genannt, ist das Herzstück des Windrads. Es richtet sich mit den Rotoren nach dem Wind aus. Hier sind alle Komponenten untergebracht, die für die eigentliche Stromerzeugung sorgen, allen voran, der Windgenerator.
  • Der Generator
    Ein Windgenerator ist direkt mit dem Stromnetz verbunden. Getriebelose Anlagen verzichten dabei auf eine Umsetzung der Drehzahl durch ein Getriebe, dafür ist jedoch der Generator größer und schwerer.
  • Der Rotor
    Die verstellbaren Rotorblätter sind stabile High-Tech-Produkte, die in mit einem Rotor verbunden sind. Die Blätter selber können eine Länge von ca 107m mit einem Durchmesser von ca 220m erreichen. Der Rotor selber misst bis zu 126m im Durchmesser.und besteht aus glasfaserverstärktem Kunststoff.

Wie funktioniert ein Windrad?

Windräder fangen die Energie des Windes ein und wandeln sie um. Die Ausrichtung und  Form der Rotorblätter sind deshalb aerodynamisch an die Stärke und Richtung des Windes angepasst. Moderne Windkraftanlagen funktionieren mit dem Auftriebsprinzip, ähnlich wie Flugzeuge oder Hubschrauber.  Durch Aufwind entstehen ein Drehmoment und eine Rotationsbewegung. Die entstehende Energie überträgt sich auf einen Generator, der diese in Strom umwandelt, ähnlich wie bei einem Fahrraddynamo. Bei wechselnder Windstärke können sich die Rotorblätter verstellen – so wird eine zu schnelle Rotation verhindert. Gondel und Rotor sind flexibel. Sie wenden sich nach dem Wind wie eine Sonnenblume nach der Sonne. Das Windrad funktioniert also immer, ganz gleich, woher der Wind weht. Je höher das Windrad und je größer die Windgeschwindigkeit, desto höher ist der Stromertrag.

So wird Windenergie gespeichert.

Hier sind einige ganz unterschiedliche Methoden in der Erprobung:

  1. Pumpspeicherkraftwerke speichern die gewonnene elektrische Energie in Form von potentieller Energie (Lageenergie) in einem Stausee. Zu einem späteren Zeitpunkt wird die Energie mithilfe von Turbinen wieder nutzbar gemacht.
  2. Bei dem Konzept „Power-to-X“ werden mögliche Stromüberschüsse aus erneuerbaren Energiequellen in andere Energieträger umgewandelt. Mögliche Strategien, die zurzeit entwickelt und getestet werden, sind z.B. Power-to-Heat, Power-to-Gas, Power-to-Liquid oder Power-to-Chemicals.
  3. Eine besonders vielversprechende Methode scheinen unterirdische Batterien auf Salzbasis zu sein.

Darüber hinaus gibt es einige innovative Ansätze, die sich Druckluft, Wärme, Hydraulik und fallender Betongewichte bedienen. Welche Methode sich als besonders wirtschaftlich durchsetzt, wird sich in den nächsten Jahren zeigen.

Das Windrad – Stromerzeugung mit erstaunlicher Leistung

Ein Windrad ist für die Stromerzeugung ideal: Eine Windkraftanlage mit einer angenommenen elektrischen Leistung von drei Megawatt erzeugt jährlich genügend Strom, um 2.000 Haushalte im Jahr zu versorgen. Wie viel Leistung eine Windkraftanlage erzeugen kann, hängt von mehreren Faktoren ab. Standort und Größe sind am ausschlaggebendsten. Bevor eine Anlage gebaut werden kann, sorgen Windgutachten für verlässliche Zahlen. Auch die Topographie, die Vegetation, hohe Bauwerke und andere Windkraftanlagen in der Umgebung spielen eine Rolle. Der Wind ist konstanter und ebenmäßiger je größer die Entfernung vom Boden. Vereinfacht dargestellt, kann der Ertrag durch diese Formeln optimiert werden:

  • Mit jedem Meter Höhe des Windrads steigt der Stromertrag um 1%.
  • Wird die Flügellänge verdoppelt, steigt der Ertrag um das Vierfache.
  • Eine Verdopplung der Windgeschwindigkeit ergibt ein achtfaches Ertragsergebnis.

So lohnt sich Windkraft

Windkraftwerke sind bemerkenswert effizient: Die Energie, die für Produktion und Errichtung einer Anlage notwendig ist, wird innerhalb von 3-6 Monaten von ihr selbst erzeugt. Die energetische Amortisation ist also gering. Auch die Gesamtlebensdauer spielt eine Rolle. Sie hängt sehr vom Typus und der jeweiligen Bauart ab. Windräder ohne Getriebe sind beispielsweise wartungsärmer und gelten als robuster. Verschleiß und Materialermüdung sind jedoch auch standort- und bedingungsabhängig. Hier gibt es keine einheitliche Prognose. Hersteller gehen in der Regel von einer Lebensdauer von 20 Jahren aus.

Windkraft nutzen mit Gewinn

Windkraft ist eine faszinierende Technologie, für die in Zukunft noch viel Potential besteht. Im Mix der erneuerbaren Energien, wie Wind- und Wasserkraft, spielt sie eine große Rolle.

Informieren Sie sich jetzt einfach über unsere Stromtarife mit dem Qualitätssiegel RenewablePLUS und unterstützen Sie so zum Beispiel den Bau neuer Windkraftanlagen oder die Erweiterung bestehender Anlagen.