Windkraftanlage

Eine Windkraftanlage (auch Windenergieanlage oder Windrad genannt, kurz WKA oder WEA) wandelt Windenergie in elektrische Energie.

Mit Hilfe von Rotoren wird die Windenergie durch eine Windkraftanlage in mechanische Rotationsenergie umgewandelt. Früher wurde diese mechanische Energie direkt in Windmühlen genutzt; in einer Windkraftanlage wird damit ein elektrischer Generator angetrieben, mit dem die Drehenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.

In den letzten Jahren erlebte der Bau von Windenergieanlagen einen Aufschwung. In Deutschland wurde diese Entwicklung - neben der Verfügbarkeit von besseren Materialien u. a. im Bereich der Leistungselektronik - vor allem durch politischen Einfluss (Energieeinspeisungsgesetz) ausgelöst.

Windkraftwerk
Windenergieanlage

Grundlagen zu Windkraftanlagen und zur Energiewandlung

Die im Wind enthaltene Strömungsenergie kann theoretisch zu maximal 60 % entnommen werden. Der Wert, der die dem Wind entnommene Leistung ins Verhältnis mit der im Wind enthaltenen Leistung setzt, wird Betz'scher Leistungsbeiwert (c_p,Betz) genannt und wurde von Albert Betz im Jahr 1926 ermittelt. Anschaulich und prinzipiell ist dieser Sachverhalt auch zu erklären: wenn der Windströmung Leistung entnommen wird, verlangsamt sich der Wind. Da jedoch der Massenstrom gleich bleiben muss, weitet sich bei einer frei angeströmten Windkraftanlage der Wind auf, da eben bei der langsameren Geschwindigkeit hinter der Anlage die gleiche Menge Luft abtransportiert werden muss. Aus eben diesem Grund ist die komplette Umwandlung der Windenergie in Rotationsenergie mit einer Windkraftanlage nicht mögich. Ein solcher Fall würde bedeuten, dass hinter der Windkraftanlage die Luftmassen ruhen und sich vor ihr unendlich aufstauen würden.

Wie bei allen Maschinen wird natürlich auch hier das theoretische Optimum nicht erreicht. Gute Windkraftanlagen haben einen Leistungsbeiwert von 0,4 bis 0,5. Der Wirkungsgrad einer Anlage kann über das Verhältnis des Leistungsbeiwertes der Maschine zum Betz'schen Leistungbeiwert ausgedrückt werden.

Ein weiterer wichtiger Bemessungswert für Windkraftanlagen ist die so genannte Schnelllaufzahl λ. Sie gibt das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit u des Rotors zur Windgeschwindigkeit ν an und ist definiert als

\lambda ={\frac {u}{\nu }}

.

Es gibt zwei verschiedene physikalische Prinzipien, nach denen dem Wind Energie entzogen werden kann: Ein Widerstandsläufer wird über den von ihm ausgeübten Windwiderstand angetrieben. Sein maximaler Wirkungsgrad liegt bei ca. 15 %. Ein Auftriebsläufer hingegen entzieht dem Wind Energie durch die an den Vorder- und Rückseiten seiner Flügel herrschenden Geschwindigkeitsunterschiede der Windströmung. Dieses Prinzip kommt auch beim Flugzeug zur Anwendung. Auftriebsläufer können theoretisch den Betz-Wirkungsgrad erreichen.

Schema einer Windkraftanlage

Sowohl der Leistungsbeiwert als auch die Schnelllaufzahl sind für eine Windkraftanlage nicht konstant. Bei einem Widerstandläufer ist die Schnelllaufzahl immer kleiner als eins.

Die Auftriebsläufer werden auf den Betriebszustand mit dem höchsten Leistungsbeiwert ausgelegt. An diesem Punkt haben Einblattrotoren eine Schnelllaufzahl von ca. 15, Zweiblattrotoren ca. 10 und Dreiblattrotoren, wie sie heute weitestgehend üblich sind, haben etwa eine Schnelllaufzahl von 7 bis 8. Durch den Betriebspunkt mit dem maximalen Leistungsbeiwert und der Auslegungsschnelllaufzeit ergibt sich auch die Auslegungswindgeschwindigkeit.

Der Betrieb einer Windkraftanlage macht nur ab einer bestimmten Windgeschwindigkeit, der so genannten Anlaufwindgeschwindigkeit, Sinn - läuft die Anlage bei geringeren Windgeschwindigkeiten, kann sie sogar zum elektrischen Verbraucher werden. Deshalb werden die Anlagen oft durch eine Rotorbremse fixiert.

Bei Nennwindgeschwindigkeit gibt die Windkraftanlage ihre Nennleistung ab. Diese ist immer größer als die Auslegungswindgeschwindigkeit. Oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit wird die Leistung der Anlage nicht mehr größer, da sonst der auf diese Geschwindigkeit ausgelegt Generator Schaden erleiden könnte. Bei zu großen Windgeschwindigkeiten wird die Anlage abgeschaltet und festgehalten, damit keine Schäden entstehen können. Da der Wind keine konstante Größe ist, kann aus der Nennleistung nicht ohne weiteres auf den zu erwartenden Jahresertrag geschlossen werden; hierzu müssen die lokalen Gegebenheiten des Windes, also Windstärke und Häufigkeitsverteilung, bekannt sein. Ein häufiger Fehler bei Laien ist der Gedanke, dass mit einer installierten Windkraftanlagenleistung von z. B. 1 MW ein konventionelles Kraftwerk mit einer ebensolchen Nennleistung ersetzt werden kann.

Eine Windkraftanlage besteht aus dem Fundament, dem Turm, der notwendigen Elektronik und Netzanschlußtechnik im Fuß des Turmes oder außerhalb des Turms, der Gondel mit Getriebe und Generator und dem Rotor mit Welle, Nabe und Rotorblättern. Dem Turm kommt eine ganz entscheidende Rolle zu, da auf ihm die Gondel befestigt wird. Durch größere Anlagenhöhen kann aufgrund der höheren Windgeschwindigkeiten und des konstanteren Windes mehr Ertrag gewonnen werden. Der Turm muss bei allen Betriebsbedingungen die Schwingungen der Gondel sicher und dauerhaft aushalten.

Windkraftanlagen mit horizontaler Rotorachse müssen der Windrichtung nachgeführt werden, wozu die Gondel ein mit einem Azimuthlager auf den Turm angebracht wird. Die Windrichtung wird bei großen Anlagen über Meßtechnik detektiert und die Nachführung, also das Drehen der Gondel, erfolgt über so genannte Giermotoren zwischen Gondel und Turm.

Typen von Windrädern

Windkraftanlagen mit horizontaler Rotationsachse können nach verschiedenen Kriterien unterschieden werden. Zum einen ist die Flügelzahl ein Kriterium. Üblich sind bei modernen Windkraftanlagen drei Flügel, in der Aufbruchszeit etwa seit Mitte der 1970er Jahre bis weit in die 1980er Jahre hinein wurden auch größere Anlagen mit einem oder zwei Flügeln gebaut. Bei diesen Anlagen handelt es sich um so genannte Schnellläufer. Parallel dazu gibt es schon wesentlich länger die so genannten Langsamläufer, bekannt zum Beispiel aus Westernfilmen, die über die gesamten Rotorfläche viele Rotorblätter haben. Hierbei handelt es sich um Anlagen, die aufgrund des höheren Drehmoments gut geeignet für das Verrichten von mechanischer Arbeit sind. Eine übliche Anwendung ist das Heben von Wasser (Pumpen).

Ein weiteres Kriterium bei Anlagen mit horizontaler Achse ist, ob sich der eigentliche Antriebs-Rotor auf der dem Wind zugewandten Seite (Luvläufer) oder auf der dem Wind abgewandten Seite (Leeläufer) befindet.

Windkraftanlagen mit vertikaler Rotationsachse haben einen Savoniusrotor, einen Darrieus-Rotor oder einen Flettner-Rotor. Diese Typen sind, mit Ausnahme von Windgeschwindigkeitsmeßgeräten (so genannten Schalenkreuzanemometern), eher selten zu sehen.

Geschichte der Windkraftanlagen

Windkraftanlagen entwickelten sich aus der Windmühlentechnik heraus, und so basiert natürlich auch die Geschichte auf der der Windmühlen. Mit der großtechnischen Nutzung der elektrischen Energie ab 1882 begann die Elektrizität auch für die Bevölkerung ein wichtiges technisches Hilfsmittel zu werden. Die Elektrifizierung der Städte schritt rasch voran, doch die Versorgung der ländlichen Gebiete erforderte einige Voraussetzungen. Es mußte erst ein Übertragungsnetz für elektrische Energie geschaffen werden, und die Kraftwerke mußten überhaupt in der Lage sein, im Verbundbetrieb zu laufen. In Deutschland waren in den 1920ern schon fast alle Dörfer an das Verbundnetz angeschlossen, jedoch war die Infrastruktur in vielen anderen Ländern noch nicht so weit fortgeschritten. Zur Verbesserung der Versorgung mit elektrischer Energie, bzw. um überhaupt solche zur Verfügung zu haben, gab es in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts verstärkt Versuche, mit Hilfe der Windenergie elektrische Energie zu erzeugen. Da die Windmühlen zu diesem Zeitpunkt noch sehr weit verbreitet waren, gab es mehrfach Gedanken, diese so umzurüsten, daß sie zum Betrieb eines Dynamos geeignet wären.

Charles F. Brush (*1849-†1929) baute 1887/88 eine Windkraftanlage auf der Basis der als Westernmills bekannten Langsamläufer, die er zur Versorgung seines Hauses mit elektrischer Energie aus einem Batteriespeicher benutzte.

Der Däne Poul La Cour hat dann, die Verdrängung der Windmühlentechnik durch die Elektrifizierung hatte schon eingesetzt, die Grundlagen der Technik wissenschaftlich erforscht. Er wandte seine Erkenntnisse als einer der ersten Wissenschaftler auf die Wandlung in elektrische Energie an und errichtete 1891 mit Mitteln seiner Regierung eine erste Versuchsanlage. Seinem guten wissenschaftlichen Fundament, seinem systematischen Vorgehen und seiner Geschicklichkeit bei der praktischen Umsetzung seiner Entwürfe sind wichtige Entwicklungen für die heutige Windkraftanlagentechnik zu verdanken. Er betrieb erstmalig Windkanalversuche unter anderem zur Aerodynamik der Flügelform und kam zum Konzept der schneller drehenden Anlage mit weniger Flügeln. Eine von ihm konzipierte Anlage wurde von der Firma Lykkegard als kommerzielles Produkt vermarktet (bis 1908 bereits 72 Stück in Dänemark zur Versorgung ländlicher Siedlungen).

Der Bau von Windkraftanlagen bekam durch die Treibstoffverteuerung und -verknappung im ersten Weltkrieg noch einmal Aufwind. Nach dem Krieg wurde Treibstoff günstiger; die Technik der Windkraftanlagen blieb für lange Zeit eine Nische der technischen Entwicklung.

1920 schuf Albert Betz (1885-1968), Physiker und damaliger Leiter der Aerodynamischen Versuchsanstalt Göttingen, mit streng wissenschaftlichen Forschungen zur Physik und Aerodynamik des Windrotors weitere Grundlagen für die Entwicklung von Windkraftanlagen. Er zeigte, daß das physikalische Maximum der Ausnutzung der kinetischen Energie des Windes bei 59,3 % liegt. Seine Theorie zur Formgebung der Flügel hat bis heute Bestand.

Ein weiterer Meilenstein war die 1,25 MW Smith-Putnam-Anlage (2 Flügel, Leeläufer, benannt nach Palmer Cosslett Putnam (*1910-†1986)) in Vermont, USA, 1941. Die Anlage lief mit Unterbrechungen bis 1945, dann brach einer der Flügel. Die für diese Größe notwendigen Materialien bzw. Materialqualitäten waren einfach noch nicht verfügbar.

1957 wurde in Dänemark von Johannes Juul in Gedser eine 200 kW Windkraftanlage erbaut. Sie hatte drei Flügel, die aus Stabilitätsgründen untereinander abgespannt waren. Die Anlage lief bis 1966, bis sie aus Kostengründen stillgesetzt wurde. Sie wurde jedoch nicht abgebaut und erlebte 1977 eine Renaissance, als sie im Rahmen eines Abkommens einer dänischen Institution mit der NASA wieder in Betrieb genommen wurde und mehrere Jahre als Versuchsanlage diente.

Anfang der 1980er Jahre setzte sich aufgrund der großen Nachfrage in den USA das dänische Konzept bei Windkraftanlagen durch. Typisch waren der Asynchronmotor (Kurzschlußläufer), ein oder zwei feste Drehzahlen und starre Rotorblätter (Stall-Regelung).

In neuerer Zeit entstanden Anlagen mit Entkopplung des Generators vom Netz über einen Gleichstromzwischenkreis. Mit diesem Konzept ist auch eine Regelung der Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom im eingespeisten Drehstrom möglich, so daß diese Anlagen das Netz nicht mehr so belasten, sondern sogar zur Entlastung beitragen können.

Forschung und Entwicklung

Die Forschung beschäftigt sich derzeit intensiv mit diesen Problemen und versucht, die Technologie weiterzuentwickeln. Hauptziele sind dabei die Verringerung der negativen Auswirkungen auf Mensch und Natur sowie ein höherer Nutzungsgrad.

Ein Ansatz zur Weiterentwicklung könnte beispielsweise die Verwendung von Holz zum Bau von Windkraftanlagen sein. Hierdurch soll insbesondere die Ökobilanz verbessert werden.

Die Verbesserung der Energiebilanz von Windkraftanlagen ist ein weiterer Aspekt der Forschung. So liefern moderne Windanlagen die Energie, die für die Herstellung, Installation, Wartung und schließlich Demontage aufgewendet werden muss, schon nach zwei bis drei Monaten. Anlagen aus den 80er Jahren benötigten dazu noch sechs bis zwölf Monate.

Siehe auch: Aufwindkraftwerk

Politischer Einfluss

Ganz entscheidend für den Aufschwung der Windenergie in der BRD war das Stromeinspeisungsgesetz von 1991, das die Stromnetz-Betreiber zur Vergütung des erzeugten Stroms mit 90 % des Verkaufspreises verpflichtete. Diese Förderung wurde von der seit 1998 bestehenden rot-grünen Bundesregierung im Jahr 2001 im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) mit Einschränkungen fortgeschrieben. Das Gesetz sichert den Betreibern von Windkraftanlagen weit über Marktniveau liegende Vergütungen zu, die bis zu 7 Cent/kWh über dem Börsenwert des Stroms liegen und natürlich auch in die Preisgestaltung der Energieversorgungsunternehmen einfließen und den Strom für die Verbraucher verteuern. In der Folge dieser politischen Entscheidung stehen inzwischen etwa zwei Drittel der europäischen Windkraftanlagen in Deutschland; die dazugehörige Industrie entwickelte sich zu einer der weltweit führenden in dieser Branche.

Windkraft in der Diskussion

Vor allem in Deutschland, bedingt durch Art und Umfang der Förderung, ist die Energieerzeugung aus Windkraft ein stark umstrittenes und oft auch ideologisch diskutiertes Thema.

Umweltschützer betonen, dass diese Energieform besonders schonend sei, da Wind, im Gegensatz zu Kohle oder Erdöl, eine erneuerbare Ressource ist und somit dauerhaft zur Verfügung steht. Zudem berge die Windenergie weniger Risiken als die Kernkraft.

Ein weiteres Argument der Befürworter ist die weltweite Verfügbarkeit von Wind. Von einer Förderung der Windenergie versprechen sie sich mehr Gerechtigkeit, da auf diese Weise auch Staaten ohne Rohstoffvorkommnisse eine unabhängige Energieversorgung aufbauen könnten.

Als Hauptnachteil der Windenergie ist - im Vergleich zu Energie aus herkömmlichen Atom- und Kohlekraftwerken - ihre unregelmäßige, mit dem Wind schwankende Leistungsabgabe anzuführen. Da die Leistung von Windenergieanlagen von der Windgeschwindigkeit abhängig ist, sind diese nicht in der Lage, kontinuierlich die gleiche Energiemenge abzugeben. Ebensowenig sind Windenenergieanlagen beliebig als Reaktion auf eine jeweils aktuelle Nachfrage auf- oder abregelbar. Daher machen sie ausschließlich als ein Bestandteil eines Verbundnetzes Sinn, in dem andere Kraftwerkstypen (z. B. Pumpspeicherkraftwerke) die Schwankungen ausgleichen und den Mehrbedarf liefern können.

Argumente gegen Windenergieanlagen reichen von Belästigung durch Schattenwurf, starke Geräuschentwicklung im niederfrequenten Bereich bis hin zum Vorwurf Windenergieanlagen verschandeln die Landschaft. Über die Beeinträchtigung des Landschaftsbildes hinaus werden hier auch die Interessen des Naturschutzes berührt. Es gibt Untersuchungen, die zeigen, dass durch Windkraftanlagen Vögel zu Tode kommen. Die Anzahl der getöteten Vögel ist jedoch gering im Vergleich mit anderen Gefahrenquellen der menschlichen Zivilisation für Vögel (z.B. Fensterscheiben, Tankerunfälle).

Um den Wind ungehindert zu nutzen, werden Windparks auch im offenen Meer (Offshore-Windparks) errichtet. Doch auch dieser Standort gilt nicht als unproblematisch, da solche Anlagen einerseits die Meeresströmung und allgemeiner - z.B. wiederum durch Geräuschentwicklung - die Meeresökologie beeinflussen und andererseits die Schifffahrt (und damit auch die Küsten - siehe Tankerunglück) gefährden können.

Statistik

Statistiken zur Windenergie in Deutschland	2001	2002	2003
Stromverbrauch gesamt	580,5 TWh	581,7 TWh	588,0 TWh
Windenergieanlagen (ohne Prototypen)	11.407	13.654	15.387
Stromerzeugung	10,7 TWh (1,8 %)	16,5 TWh (2,8 %)	18,6 TWh (3,2 %)
installierte Anlagenleistung	8,7 GW	11,8 GW	14,6 GW
Quelle: http://www.iwr.de VDN/VdEW

Internationale Rekorde

Die derzeit größte Windenergieanlage ist die Enercon E-112 Anlage mit einer Leistung von 4,5 Megawatt. Auf dem 120 m hohen Betonturm sind 52 m lange Rotorblätter montiert, die Gondel wiegt 440 Tonnen.
Die kleinste kommerzielle Windenergieanlage ist dagegen eine Rutland 913 mit einer Leistung von lediglich 220 Watt.
Den höchsten Ertrag liefert ein Vestas V90 Zweiflügler mit dem Namen Matilda auf Gotland mit einer Leistung von 3 Megawatt.
Der grösste Windpark liegt unter dem Namen Horns Rev in Dänemark. Dort sind 80 Anlagen des Typs Vestas V80 aufgestellt, die zusammen einen geplanten Jahresenergieertrag von 600 Gigawattstunden erzielen sollen.
Die erste Windenergieanlage zur Wechselstromerzeugung befindet sich unter dem Namen Vester Egesborg an der Südspitze der Insel Falster in Dänemark. Sie wurde in den Jahren 1956 bis 1957 von J. Juul gebaut und verfügt über eine Leistung von 200 kW.
Die weltweit höchstgelegene Windenergieanlage wurde im Sommer 2002 auf dem Gutsch nahe Andermatt in der Schweiz in Betrieb genommen. Sie befindet sich auf 2300 Metern Höhe und soll über das Jahr verteilt 1,5 Mio Kilowattstunden elektrische Energie liefern. Da auf ein Getriebe verzichtet wurde, ist sie darauf ausgelegt, trotz stark wechselnder Windgeschwindigkeiten störungsfrei zu arbeiten. Dies geschieht durch den Kunstgriff eines elektronischen "Getriebes": Der direkt erzeugte variable niederfrequente Wechselstrom wird gleichgerichtet und dann mit einem Wechselrichter in den üblichen 50-Hz-Wechselstrom umgerichtet.

Literatur

Albert Betz, Windenergie und ihre Ausnutzung durch Windmühlen, Staufen, Ökobuch, unveränderter Nachdruck aus dem Jahre 1926
Robert Gasch (Hrsg.), Windkraftanlagen, Stuttgart, Teubner
Erich Hau, Windkraftanlagen, 3. Aufl., Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 2003, ISBN 3-540-42827-5, enthält auch einen recht ausführlichen Teil zur Geschichte der Windenergienutzung