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Windkraftanlage

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

Mit Hilfe von Rotoren wird die Windenergie von einer 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 Boom. 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 (cp,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 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:

Es gibt zwei verschiedene physikalische Prinzipien, nach denen dem Wind Energie entzogen werden kann. Ein Widerstandsläufer wird über den von ihm ausgeübten Windwiderstand angetrieben, ein Auftriebsläufer 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.

Schema einer Windkraftanlage
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 die Anlage 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 der Windkraftanlagen 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 ein- 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, eher selten zu sehen.

Politischer Einfluß

Mit dem Stromeinspeisungsgesetz von 1991 wurde ein Aufschwung der Windenergie in der BRD eingeleitet. Die Stromnetz-Betreiber wurden darin zur Abnahme des erzeugten Stroms zu definierten Preisen verpflichtet. Diese Entwicklung wurde im Jahr 2001 mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) noch einmal verstärkt. In der Folge dieser politischen Entscheidung waren gegen Ende des Jahres 2003 etwa zwei Drittel der europäischen Windkraftanlagen in Deutschland installiert. Parallel dazu wurde eine führende Positionen der BRD-Wirtschaft in diesem technischen Gebiet des Maschinenbaus erreicht.

Windkraft in der Diskussion

Vor allem in Deutschland, bedingt durch die im Vergleich zu anderen Staaten intensive Subvention, ist die Energieerzeugung aus Windkraft ein stark umstrittenes und oft auch ideologisch diskutiertes Thema.

Umweltschützer betonen dabei, 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 gilt - im Vergleich zu Energie aus herkömmlichen Atom- und Kohlekraftwerken - ihre unregelmäßige, mit dem Wind schwankende Leistungsabgabe. 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 insbesondere als ein Bestandteil eines Verbundnetzes Sinn, in dem andere Kraftwerkstypen (z. B. Pumpspeicherkraftwerke) die Schwankungen ausgleichen und den Mehrbedarf liefern können.

Insbesondere in dicht besiedelten Ländern können Windenergieanlagen auch Mensch und Natur beeinträchtigten. Aufgrund ihrer starken Geräuschentwicklung im niederfrequenten Bereich und um eine maximale Wirkung zu erzielen, werden solche Anlagen meist an exponierten Stellen errichtet. Über die Beeinträchtigung des Landschaftsbildes hinaus, werden hier auch die Interessen des Naturschutzes tangiert.

Um diese Probleme zu vermeiden, werden Windparks auch im offenen Meer (Offshore-Windparks) errichtet. Doch auch dieser Standort gilt nicht als vollkommen unproblematisch, da solche Anlagen die Meeresströmung beeinflussen.

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

Statistik

Statistiken zur Windenergie in Deutschland 2001 2002
Stromverbrauch gesamt 580.500 GWh 581.700 GWh
Windenergieanlagen (ohne Prototypen) 11.407 13.654
Stromerzeugung 10.700 GWh (1,8 %) 16.500 GWh (2,8 %)
installierte Anlagenleistung 8,7 GW 11,8 GW
Quelle: http://www.iwr.de

Internationale Rekorde

  • Die derzeit größte Windenergieanlage ist eine Enercon E 112 Anlage bei Magdeburg 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

Forschung

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