Von Rotorblättern, Generatoren & Gondeln: So funktionieren Windkraftanlagen
In Reih und Glied stehen Windkraftanlagen mit einer Höhe von bis zu 150 Metern in der Landschaft und wandeln die Kraft des Windes in elektrische Energie um. Wie Windenergie genau funktioniert, welche Vorteile sie bereithält und welche Arten von Windkraftanlagen genutzt werden, erklären wir Ihnen im Folgenden.
Windenergie ist die kinetische Energie der Luft, die mithilfe von Windenergieanlagen in elektrische Energie umgewandelt wird. Seit dem Altertum versteht es der Mensch die Kraft des Windes zu nutzen und diese für technische Zwecke verfügbar zu machen. Die Windmühle gilt als direkter Vorläufer der modernen Windkraftanlage und diente in der Vergangenheit der Vermahlung, Zerkleinerung und Bearbeitung von Getreide, Papier, Holz oder Stein. Auch für die Entwässerung in küstennahen Gebieten wurde die Windmühle gezielt eingesetzt.
Mit jüngsten Erkenntnissen und technischen Möglichkeiten gelang es schließlich, das enorme Potenzial der Windenergie auszuschöpfen. Heute ist die Windenergie die meist genutzte erneuerbare Energiequelle in Deutschland. Das bedeutet: Die Stromerzeugung erfolgt ohne Ausstoß von Treibhausgasen wie CO2 oder Methan und ohne fossile Brennstoffe zu verwenden.
Windenergie wird durch riesige Windenergieanlagen gewonnen, die meist mit drei Rotorblättern betrieben werden. Diese drehen sich durch den Wind und wandeln die im Wind enthaltene Leistung erst in mechanische und dann über einen Generator in elektrische Energie um. Schließlich wird der erzeugte Strom in die Verteilernetze für die regionale Energieversorgung eingespeist.
Den durch Solarenergie erzeugten Strom können Sie entweder für Ihren eigenen Haushalt nutzen und/oder ins öffentliche Netz einspeisen. Erfahren Sie, welche Voraussetzungen für die Errichtung einer Photovoltaikanlage auf Ihrem Dach gelten.
Anfang der 80er-Jahre haben sich aus einer Vielzahl unterschiedlicher Bauweisen Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse und drei Rotorblättern durchgesetzt. An den aerodynamisch geformten Rotorblättern erzeugt die Strömung des Windes einen Auftrieb, der den Rotor in Drehbewegung versetzt. Dieser Rotor ist mit einem Generator verbunden, der die Windenergie in elektrische Energie umwandelt. Neben dem ca. 150 Meter hohen Turm und dem Fundament setzt sich eine Windenergieanlage im Wesentlichen aus folgenden Bauteilen zusammen:
Das Maschinenhaus – die Gondel, die Strom erzeugt: Das auf dem Turm gelagerte Maschinenhaus, das auch als Gondel bezeichnet wird, enthält alle mechanischen und elektrotechnischen Anlagenteile zur Stromerzeugung – und somit auch den Generator. Die Gondel wird automatisch der jeweiligen Windrichtung nachgeführt. Vom Boden betrachtet sieht das Maschinenhaus recht klein aus, doch das täuscht: Es wiegt über 120 Tonnen, was in etwa einem Gewicht von 80 Autos entspricht und kann bis zu 18 Meter lang sein – das ist die ungefähre Breite eines Doppelhauses.
Der Rotor – volle Windkraft voraus: Der Rotor, bestehend aus Rotorblättern und Rotornabe, ist am Maschinenhaus angebracht. Die Rotorblätter werden aus glasfaserverstärktem Verbundwerkstoff hergestellt. Das bietet den Vorteil, dass die Blätter relativ leicht und dauerhaft stabil sind. Sie sind häufig über 50 Meter lang und sorgen so für einen Rotordurchmesser von über 100 bis 120 Metern, das ist größer als ein Fußballfeld.
In den vergangenen Jahren wurden im Sinne eines hohen Wirkungsgrades und einer geringen Schallemission große Fortschritte bei der Entwicklung der Rotorblätter gemacht. Zudem sind die Rotorblätter in ihrer Form leicht gedreht und fungieren als aerodynamische Bremsen, um die Überlastung einzelner Komponenten bei zu hohen Windgeschwindigkeiten und starken Böen zu vermeiden.
Der Generator – das Herzstück einer Windenergieanlage: Die Bewegungsenergie des Windes wird von einem Generator in elektrische Energie umgewandelt. Dieser befindet sich im Inneren der Gondel und kann je nach Bauart unterschiedlich positioniert sein. Bei einer Anlage ohne Getriebe sitzt der Generator direkt am Rotor. Dadurch dreht er sich genauso schnell wie der Rotor und ist entsprechend groß. Der Generator funktioniert hier wie ein Fahrraddynamo und erzeugt Strom mittels Drehbewegung. Windräder können aber auch mit einem Getriebe ausgestattet sein, das sich zwischen dem Rotor und dem Generator befindet. Hier wird die langsame Drehbewegung des Rotors in eine ganz schnelle Drehbewegung umgewandelt. Dadurch ist der Generator in solchen Anlagen viel kleiner und kann sich bis zu 100-mal so schnell drehen wie der Rotor.
Windkraftanlagen erzeugen elektrische Energie mit einer Spannung von 400 bis zu 1000 Volt. Diese Spannung wir je nach Hersteller durch einen Trafo am Fußpunkt der Anlage oder oben im Maschinenhaus auf Mittelspannung – also 10 bis 30 Kilovolt – transformiert. Danach wird der grüne Strom zur Übergabestation weitergeleitet und in das öffentliche Stromnetz eingespeist.
Im Jahr 2010 wurden die Grünwerke als „grüne Tochter“ der Stadtwerke Düsseldorf gegründet. Seither gelten sie als unsere Spezialisten für Erneuerbare Energien, wie Windkraft, Photovoltaik, Biomasse und Wasserkraft.
Auf sehr flachem Land, auf hoher See oder auf Erhebungen – Windparks werden dort errichtet, wo viel Wind zirkuliert. Windenergieanlagen, die zur Stromgewinnung an einem Ort zusammengeführt werden, bilden einen Windpark. Die Anlagen stehen in einem Abstand von etwa sieben Rotordurchmessen zueinander, damit die Windenergie an allen Anlagen mit maximaler Effizienz genutzt werden kann.
Die Standorte für Windparks unterscheiden sich in ihrer Entfernung zur Küste, so werden sie als Onshore und Offshore bezeichnet. Onshore-Anlagen befinden sich an Land, Offhore-Anlagen in tieferen Gewässern bzw. vor der Küste. Während auf dem Meer pro Windkraftanlage mehr Strom erzeugt wird als auf dem Land, sind hier Bau, Betrieb und Netzanbindung mit höheren Kosten und Aufwänden verbunden. Dennoch leisten Offshore-Windparks einen immer wichtigeren Beitrag zur Energiewende in Deutschland. Bis 2040 sollen sich Windkraftanlagen mit einer installierten Leistung von 40 Gigawatt vor den Küsten Deutschlands drehen – das entspricht einer Leistung von 40 großen Kohlekraftwerken.
Berge, Wälder, Flüsse, Seen und das Meer – durch seine geografische Lage hat Deutschland alles zu bieten. Der windreiche Norden Deutschlands ist mit seinem flachen Land und der Nord- und Ostsee ideal für zahlreiche Windenergieanlagen geeignet. Aus diesem Grund befinden sich dort die größten Windparks in Deutschland. Dazu gehören beispielsweise die Onshore-Windparks Holtriem-Dornum, Roggenstede und Ochtersum in Niedersachsen, die mit insgesamt 153 Windrädern für geballte Energie sorgen. Der größte Offshore-Windpark Hohe See ist auf der Nordsee entstanden und setzt sich aus 87 Windkraftanlagen zusammen.
Aber auch der Süden liefert dank der Alpen einen guten Standort zur Errichtung von Windparks. Die sogenannte Süd-Quote soll laut des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) bis 2030 den Bau von Windenergieanlagen im Süden Deutschlands vorantreiben.
Erneuerbare Energien sind die Grundlage zur Erzeugung von Ökostrom. Ziel der Bundesregierung ist es den Anteil der erneuerbaren Energien am deutschen Stromverbrauch bis 2030 auf 65 Prozent zu erhöhen. Die großmaßstäbliche Nutzung der Windenergie und der Einsatz von innovativen Windkraftanlagen sind in diesem Sinne essenziell. Durch das sogenannte Repowering sollen zum Beispiel veraltete und kleinere Anlagen durch moderne Windenergieanlagen ersetzt und die Stromversorgung Deutschlands mit Windenergie zukunftssicher gemacht werden.
Diese modernen und intelligenten Windkraftanlagen sollen sich an wechselnde Umweltbedingungen anpassen können. Durch die entsprechende KI könnte jede Anlage einschätzen, wie die Rotorblätter am besten ausgerichtet sein müssen, um die beste Leistung zu erzielen. Ein weiterer Vorteil ist die Optimierung von Wartungs- und Reparaturmaßnahmen. Eine frühzeitige Fehlererkennung sorgt dafür, dass Ausfälle verhindert werden. Der Vogelschutz ist bekanntlich ein häufiges Argument gegen Windenergieanlagen. Aber auch hier gibt es inzwischen intelligente Lösungen, die mithilfe einer Kamera Vögel erkennen und das Windrad rechtzeitig ausschalten, bevor sie dem Rotor zu nahekommen.
Fakt ist: Windenergie ist ein äußerst wichtiger Bestandteil für unsere nachhaltige Lebensweise – weitere Innovationen in diesem Bereich sind unabdingbar und die Entwicklung bleibt spannend.
Matthias Hausmann • 12. September 2019
