Windenergie

In der Stromversorgung nimmt die Windenergie mit einem Anteil von >18 % den Spitzenplatz unter den nachhaltigen Energien ein.

Windenergie: Definition

Die Windenergie hat unter den Erneuerbaren Energien zur Zeit die Nase vorn. Im Bereich der Stromversorgung nimmt sie, noch vor der Sonnenenergie, mit einem Anteil von 18,6% den Spitzenplatz unter den nachhaltigen Energien ein. Mit einer installierten Leistung von 61,4 Gigawatt (Land) und 7,5 Gigawatt (Offshore) wurden im Jahre 2019 insgesamt 126 TWh Leistung erzeugt (BMWI, 2020).

Neue Gesetze und die Verlagerung der Entscheidung über Mindestabstände an die Länderhoheit sollen den schnellen Ausbau der Windenergie erleichtern und vorantreiben.

Funktionsweise

Eine Windenergieanlage besteht im Wesentlichen aus folgenden Komponenten:

Dem Rotor mit 2 oder 3 Rotorblättern als „Windfänger“
Rotornabe zur Befestigung der Rotorblätter und Teil der Getriebeachse
Getriebestrang, mit der die Übersetzung erfolgt (ein bis vier Getriebestufen)
Bremse, die im Notfall in der Lage ist, den Rotor komplett anzuhalten
Stellmotor zur Windnachführung
Generator zur Umwandlung der mechanischen in elektrische Energie
Transformatorhaus zur Regelung der Ausgangsspannung
Turm zur Montage der Anlagenkomponenten

Vom Wirkungsgrad her gesehen, bietet eine Anlage mit 3 Rotorblättern nur 3 bis 4% Leistungszuwachs gegenüber einer zweiflügeligen Anlage. Allerdings ist letztere im Betrieb ungleich größeren mechanischen Belastungen ausgesetzt, da im Moment der Vertikalstellung jeweils das obere Blatt die Maximalbelastung durch Wind aufweist, während das untere Blatt durch den Luftstau vor dem Turm nahezu unbelastet ist. Daraus ergeben sich erheblich Probleme bei der Aerodynamik und der Haltbarkeit, die bei drei Flügeln durch die Asymmetrie vermieden werden. Zudem läuft eine dreiflügelige Anlage deutlich ruhiger. Dies ist der Grund, warum heutzutage praktisch nur noch die letztere Bauform zum Einsatz kommt.

Um sich eine Vorstellung zu machen, welche Kräfte auf Nabe und Maschinenhaus einwirken, hier nur zwei Zahlen, die Dimensionen und Gewichte des Windrades vermitteln:

Bis zu 85 Metern kann ein einziges Rotorblatt heutzutage messen und kommt dabei auf ein Gewicht von etwa 25 Tonnen. Das bedeutet, dass insgesamt bis zu 75 Tonnen Gewicht bewegt werden, die an einem einzigen Bauteil zentral befestigt sind. Das verdeutlicht, welche Wichtigkeit der Stabilität und Konstruktion der Nabe zukommt

Abgesehen von diesen Giganten im Land- und Seebereich gibt es natürlich auch viele weitere Bauformen und kleinere Modelle, besonders im Privatbereich oder in Forschungsstationen fernab der Zivilisation, zum Beispiel in der Antarktis. Gerade bei kleineren Anlagen sind auch die Auftriebsläufer mit vertikaler Achse üblich. Es würde in diesem Artikel zu weit gehen, auf alle Bauformen detailliert einzugehen, es soll lediglich verdeutlicht werden, dass es auch heute, wie bereits im Altertum, viele verschiedene Arten von Windkraftanlagen gibt, deren Ursprung vermutlich in Persien im 7. Jahrhundert liegt.

Praktischer Einsatz

Windenergie wird heutzutage als die Erneuerbare Energie mit der größten Zukunft in der Stromerzeugung angesehen. Dies hat verschiedene Gründe:

Sehr guter Wirkungsgrad von etwa 45 bis 50%
Fast ganzjährige Energieerzeugung, auch bei Regen und nachts
Ortsunabhängig, der Strom kann über große Entfernungen transportiert werden
Ausgereifte Technik mit etwa 50 Jahren Erfahrung im Praxiseinsatz

Es ergibt sich natürlich die Frage, warum „nur“ ein Wirkungsgrad von 50% erreicht wird, wenn doch zum Beispiel der Wirkungsgrad am Getriebestrang bei hohen 98% liegt. Dies wird durch den Betz’schen Faktor beschrieben: Der theoretische, maximale Wirkungsgrad einer Windenergieanlage ist auf 59% begrenzt, da nicht die gesamte auftreffende Windenergie genutzt werden kann, also der Wind zu 100% „abgebremst“ werden kann.

Auch wenn seit einigen Jahren im Privat- und kleineren Gewerbereichebereich durchaus ein Zuwachs an autonomen Kleinwindanlagen zu verzeichnen ist, ist dennoch das Haupteinsatzgebiet einer Windkraftanlage die Montage in großen Windparks. Sowohl zu Lande als auch zur See („Offshore“) werden von der Bundesregierung Anlagen mit Leistungen im Gigawatt-Bereich errichtet, wobei das Augenmerk auf dem Norden Deutschlands und der Küstenregion mit mittleren Windgeschwindigkeiten von etwa 7,5 m/s liegt, während im Süden Deutschlands gerade einmal 2 m/s im Mittel erreicht werden.

Allerdings muss man berücksichtigen, dass bei einer flächendeckenden Nutzung der Windenergie – die wir bräuchten, um auf unseren Gesamtstrombedarf zu kommen – es nach Berechnungen zu sogenannten „Windschatteneffekten“ kommen kann. Das bedeutet, bei einer hohen Dichte von Windkraftanlagen können die im Lee stehenden Windräder nur noch mit einer stark verminderten Windgeschwindigkeit rechnen, die Effizienz nähme also ab. Untermauert wird dies durch Simulationsversuche des MIT aus dem Jahre 2016.

Daher mahnen Kritiker, eine realistische Denkweise anzunehmen: Windenergie ist neben den anderen Erneuerbaren Energien sinnvoll, kann aber bei einer geplanten (und realistisch maximal erreichbaren) Gesamtleistung aller Windkraftanlagen (inklusive Offshore) nur auf einen Maximal-Wert zwischen 250 und 390 TWh Energieleistung kommen. Dies ist aber meilenweit entfernt von den rund 3000 TWh, die wir mindestens benötigen. Daher kann Windkraft immer nur eine Säule im Energiemix sein.

Auswirkungen auf die Umwelt

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Auswirkung der Windkraftanlagen auf die Umwelt. Neben direkten Auswirkungen auf den Vogelflug und die Tierwelt bei den landgebundenen Anlagen sowie die Fischwelt bei den Offshore Anlagen im Allgemeinen werden indirekte Auswirkungen auf die Umwelt und das Klima diskutiert.

Die großen Rotorblätter erzeugen durch ihre Bewegung Schallwellen im Infraschall-Bereich, die von einigen Biologen und Medizinern als bedenklich eingestuft werden. Aber auch der „Stroboskop“-Effekt durch die schnellen Licht-Schatten-Wechsel steht im Verdacht, gesundheitsschädlich zu sein. Bei heutigen Anlagen versucht man, diesen durch matte, blendfreie Anstriche zu minimieren. Die Abbremsung und Verwirbelung der kalten und warmen Luftschichten könnte unter Umständen aber auch positive Effekte haben: Es gibt Überlegungen, küstennah dicht gestaffelte Windparks zu installieren, um Orkanwinde und Sturmfluten abzuschwächen.

Hier gibt es aber sicherlich noch großen Forschungsbedarf. Während es bereits Langzeiterfahrungen mit einzelnen Windkraftanlagen oder kleinen Windparks gibt, stehen die Erfahrungen mit flächendeckenden Windparks und Offshore-Szenarien noch aus. Viele Fragen lassen sich über Simulationen klären, aber dennoch müssen auch die Auswirkungen auf die Umwelt erst noch abgewartet werden.

Fest steht, dass die Windkraft als Teil der Erneuerbaren Energien bereits ihren festen Platz hat und als Teil eines grünen Energiekonzeptes auch sinnvoll ist.