Wie funktioniert ein Windrad

In unserer Blogreihe beschäftigen wir uns mit aktuellen Themen rund um Energie. In Anlehnung an unseren Artikel zum Thema Netzausbau und dessen Relevanz für die Energiewende, beschäftigen wir uns in diesem Beitrag mit der Funktionsweise von Windrädern.
Wind steht kostenlos zur Verfügung. Als regenerative Energiequelle hat Entwicklung und Ausbau in den letzten Jahren, weltweit betrachtet, wieder an Fahrt gewonnen. Neue Windanlagen entstehen rund um den Globus und ebnen den Weg in eine emissionsfreie Energiezukunft.
Umfragen stellen dabei eine erhöhte Akzeptanz innerhalb der Bevölkerung zur Schau. Im Rahmen der beschlossenen Energiewende, verstehen immer mehr Menschen, dass der Umstieg auf erneuerbare Energien, und damit auch Windkraft, eine Notwendigkeit darstellt.
Doch wie wird der Wind in elektrische Energie umgewandelt?

Funktionsweise

Windenergie, in Form kinetischer Energie bewegter Luft, drückt auf die Rotorblätter der Anlage. Durch diesen Wind werden die Rotorblätter in Drehung versetzt. Die sich bewegenden Rotorblätter wandeln diese Energie zunächst in mechanische Rotationsenergie, um dann vom Generator in elektrischen Strom gewandelt zu werden. Abbildung 1 zeigt dabei den schematischen Aufbau einer solchen Anlage.

Abbildung 1 - Aufbau einer Windkraftanlage (Quelle: www.windwaerts.de)

Der Stromertrag wird nicht nur von der Effizienz und Größe der Windanlage bestimmt, sondern auch durch die Geschwindigkeit mit der der Wind auf die Rotorblätter trifft.
Der Aufbau einer solchen Anlage besteht dabei aus drei wesentlichen Teilen. Turm, Rotorblätter und Gondel. Im Turm sind die entsprechenden Netzleitungen für das Verteilernetz zu finden. Die Rotorblätter nehmen die Windenergie auf, die dann später gewandelt wird. Verstellmöglichkeiten an den Blättern schaffen die Möglichkeit die Windkraftanlage individuell auf den Wind auszurichten. Die Gondel beheimatet den Generator zur Wandlung in elektrische Energie. Außerdem befindet sich in der Gondel eine Windrichtungsnachführung, um die Anlage in Ihrer Ausrichtung zum Wind zu adjustieren.
Die Amortisationszeit von Windenergieanlagen liegt zwischen drei bis sieben Monaten. Nach dieser Zeit wurde so viel Energie produziert, dass die für Herstellung, dauerhaften Betrieb und anschließende Entsorgung benötigte Energie durch die Windanlage produziert wurde. Damit stehen sie im Vergleich zu anderen Energieproduktionsmethoden und deren Amortisation sehr gut da. Konventionelle Kraftwerke, wie Kohlekraftwerke, amortisieren sich nie, da Brennstoffe immer weiter zugeführt werden müssen.
Ausbau von Windenergie kann entweder On- oder Offshore erfolgen. Damit ist die Bebauung auf festem Grund an Land oder auf Wasserfläche gemeint. Beide Arten unterliegen bestimmten Regularien zur Ausschreibung und Genehmigung. In Deutschland und Österreich werden sowohl Windanlagenbetreiber, als auch Netzbetreiber vor eine Vielzahl an Herausforderung gestellt. Diese Herausforderungen haben den Ausbau von Windkraftanlagen in Deutschland zuletzt verlangsamt.

Windradtypen

Auch bei der Technologie für Windräder gibt zwei verschiedene Modelle.
Getriebelose Anlagen haben den Generator direkt am Rotor der Windanlage sitzen. Rotor und Generator drehen mit derselben Geschwindigkeit. Der Generator muss groß angelegt sein, um den Dimensionen des Rotors zu entsprechen. Vergleichbar ist dieses Konzept mit einem Fahrraddynamo.
Anlagen mit Getriebe unterscheiden sich zu getriebelosen Anlagen insofern, dass zwischen Rotor und Generator ein Getriebe sitzt. Hieraus ermöglichen sich unterschiedliche Baugrößen des Generators. Diese kann bei Anlagen mit Getrieben kleiner ausfallen und in einer anderen Drehgeschwindigkeit getaktet sein.
Grundsätzlich gibt es abseits von den hier beschrieben Windkraftanlagen weitere Typen, die sich grundsätzlich in Ihrer Ausrichtung der Achsen unterscheiden. Da diese Anlagen in Ihrer Anzahl eher geringe Ausprägungen erfahren, werden sie nur der Vollständigkeit halber erwähnt:
• Vertikale Windkraftanlagen
• Hybride Windkraftanlagen
• Flügellose Windkraftanlagen

Entwicklung von Leistung und Dimensionen über die Jahre

Die Entwicklung von entsprechenden Anlagen schreitet immer weiter voran. Anhand Abbildung 2 lässt sich erkennen, dass Leistung und Dimensionen in den vergangenen Jahren weiter gesteigert werden konnten

Abbildung 2 - Leistungssteigerung Windkraftanlagen (Quelle: Bundesverband Windenergie, BWE)

Größere Anlagen liefern einen effizienteren Ertrag. Das liegt nicht nur an Skalierungseffekten in der Technologie, sondern auch an der Tatsache, dass Wind in bodennahen Schichten turbulenter (und weniger stark) ist. Häuser, Wälder und andere Objekte verhindern dabei einen konstanten Windstrom. In höherliegenden Schichten weht der Wind konstanter und stärker. Höhe des Windrads und Größe der Rotoren erhöhen dabei den Stromertrag aus der Windkraftanlage.
Die Anlagen können Menschen durch Licht- und Lärmemissionen beeinträchtigen. Technologische Entwicklungen, mit dem Ziel der Reduktion von Lärm- und Geräuschkulisse verbunden mit effizienten Regulatorik zur Errichtung und Bebauung helfen dabei, die negativen Folgen für Mensch und Natur zu minimieren.

Vor- und Nachteile von Windenergieanlagen

Innerhalb der Bevölkerung gibt es nicht nur Befürworter von Windkraftanlagen. Gerade Betroffene in direkter Umgebung klagen oftmals über Beeinträchtigungen und die mit der Errichtung einhergehenden Nachteile. Transparenz über Vor- und Nachteile ist bei diesem sensiblen Thema unabdingbar. Daher haben wir im folgenden Abschnitt versucht ein neutrales Bild zu schaffen. Dazu sei erwähnt, dass es eine gewisse Ambivalenz von Vor- und Nachteilen vorhanden ist. Die Schaffung von Arbeitsplätzen kann durchaus als Vorteil angesehen werden. Produktion, Wartung und Errichtung einer Anlage werden definitiv Arbeitsplätze in den entsprechenden Sektoren schaffen. Ein Kohlekraftwerk schafft in eben jenen Kategorien aber auch Arbeitsplätze und kann daher zu wirtschaftlichem Wachstum beitragen. Eine Windkraftanlage kann das Landschaftsbild zerstören und stellt ein Risiko für Vögel dar. Die Errichtung eines Kohlekraftwerks stellt ebenfalls einen erheblichen Eingriff in das Landschaftsbild dar und kann die Brutstätten von Vögeln ebenfalls gefährden. Daher sollen nur Vor- und Nachteile zum Tragen kommen, die es mit der jeweils anderen Energieerzeugungsmethode nicht gibt.

Vorteile:

• Wind steht kostenlos zur Verfügung
• Erzeugung von Windenergie setzt keine Schadstoffe aus (Produktion der Anlage sehr wohl)
• Schnelle Amortisationszeit
• Flächenbedarf gering
• Möglichkeit der lokalen Produktion von Energie

Nachteile:

• Wind ist nicht immer vorhanden und kann daher die Versorgungssicherheit beeinflussen
• Schattenwurf
• Beeinträchtigung von Vogelflug
• Wind als Energieträger nicht speicherbar (nur durch Umwandlung in elektrische Energie)

• Quelle:
• https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/erneuerbare-energien/windenergie#entwicklung
  https://www.igwindkraft.at/?xmlval_ID_KEY[0]=1258
• https://www.wind-energie.de/themen/anlagentechnik/funktionsweise/
• https://www.wind-energie.de/themen/zahlen-und-fakten/