Wie funktioniert eine Windenergieanlage?
Für die Errichtung einer Windkraftanlage an Land benötigen die Bau-Teams nur ein bis zwei Tage. Durchgesetzt haben sich bei großen Anlagen Rotoren, die sich auf der dem Wind zugewandten Seite (Luvläufer) befinden (im Gegensatz zu Leeläufern).
Die Türme können als Gittermast, als Betonturm oder in Stahlbauweise errichtet werden. Auch Hybrid-Türme aus einer Stahl-Betonkombination werden genutzt. Die Höhe ist abhängig vom Rotordurchmesser, den Windverhältnissen und den gesetzlichen Vorgaben. Auch die Fundamente variieren mit den Standortanforderungen.
Wie erzeugen Windkraftanlagen Strom aus Wind?
Dem Wind kann bis zu einem gewissen Anteil kinetische Energie entnommen und in elektrische umgewandelt werden. Die nutzbare kinetische Energie steigt mit der Windgeschwindigkeit. Vereinfacht gesagt, nutzen Windkraftanlagen diese physikalischen Gegebenheiten für die Erzeugung eines Drehmoments und der Rotationsbewegung. Aktuelle Windenergieanlagen arbeiten mit dem Auftriebsprinzip wie Flugzeuge, Hubschrauber oder Segeljollen, nicht wie Rahsegler und Anemometer. Wesentliche Größen für den Energieertrag sind:
- Windgeschwindigkeit: In großen Höhen ist die Windgeschwindigkeit höher als am Boden (Windscherung). Für eine Windkraftanlage heißt dies, dass die Energieproduktion zu einem bestimmten Ausmaß durch höhere Türme steigerbar ist.
- Rotorfläche: Rotorblätter für Windkraftanlagen ähneln Tragflügeln von Flugzeugen und haben jedoch im Gegensatz zum Tragflügel ein gewundenes Profil. Bei letzteren entsteht durch einen Unterdruck auf der Flügeloberseite der Auftrieb. Diese Kraft ermöglicht das Abheben. Wird jedoch der Winkel zwischen dem Flügel und der Luftströmung (Anstellwinkel) zu groß, kann der Auftrieb abbrechen. Hierbei löst sich der Luftstrom vom Profil ab und Verwirbelungen entstehen (Stall/Strömungsabriss).
Mit ca. 59 % theoretischer maximaler Effizienz und etwa 40 % im Betrieb arbeiten Windenergieanlagen sehr effizient. Die Energiequelle – der Wind – ist genau da wo die Windkraftanlage steht. Der Vergleich mit anderen Energiewandlersystemen macht deutlich, dass Wind wesentlich effizienter ist als herkömmliche Methoden:
- Dieselgenerator: max. 35 %
- große Dampfturbine: max. 40 %
Hierbei sind die Verluste während des Transports der fossilen Energieträger zur Maschine selbst noch nicht einmal mit berechnet.
Optimalbetrieb und Leistungsbegrenzung
Die Windenergieanlagen sind auf eine definierte Nenngeschwindigkeit (Windgeschwindigkeit, ab der die maximale Stromproduktion erreicht wird) und eine entsprechende Nennleistung (maximal abgegebene Leistung der Anlage bei Nenngeschwindigkeit) ausgelegt. Die Nenngeschwindigkeit liegt jedoch oberhalb der durchschnittlich vorherrschenden Windgeschwindigkeit.
Für einen optimalen Betrieb müssen die Windenergieanlagen laufend auf die wechselnden Windverhältnisse abgestimmt werden. Dies geschieht beispielsweise durch Drehen der Rotorblätter um ihre Längsachse und damit das Verstellen des Anstellwinkels (Pitchregelung/Blattwinkelregelung). Wird der Wind z. B. schwächer, werden die Blätter in den Wind gedreht, wodurch sich die Leistungsabgabe erhöht.
Ist die Untergrenze der Windgeschwindigkeit für einen wirtschaftlichen Betrieb erreicht, wird die Anlage durch die Regelelektronik angefahren. Bei zu großen Windgeschwindigkeiten (ca. 25 m/s) wird sie zur Vermeidung von Überlastungen abgeschaltet. Eine andere Möglichkeit der Leistungsbegrenzung bietet der gezielte Strömungsabriss bei zunehmenden Windgeschwindigkeiten (Stall). Bei diesen Windenergieanlagen ist der Winkel der Rotorblätter nicht variabel verstellbar.
Die Profile sind jedoch so angelegt, dass bei zu starkem Wind an der windabgewandten Seite der Blätter Turbulenzen und folglich ein Abriss der Strömung und des Auftriebs entstehen. Auf diese Weise ist die Energieaufnahme des Motors begrenzt. Bei drehzahlvariablen Anlagen sind die Generatoren in der Lage durch eine Drehzahlerhöhung Energie zu speichern und Lastspitzen zu vermindern.
Zudem kann die komplette Gondel durch Stellmotoren der sensorisch ermittelten Windrichtung nachgeführt, d. h. „gedreht" werden.
Energiebilanz einer Windenergieanlage
Eine Windenergieanlage erzeugt während ihres Betriebes gut 40 bis 70 Mal so viel Energie wie für ihre Herstellung, Nutzung und Entsorgung eingesetzt wird (vgl. BWE 2010 A-Z). Die Technologien zur Energiegewinnung betrachtet man mit Hilfe so genannter Lebenszyklusanalysen (Life Cycle Assessment, LCA) die „Energiebilanz".
Sie beschreibt das Verhältnis des Energieeinsatzes für die Herstellung der Anlage, ihren Betrieb, den Transport, die Demontage bzw. Beseitigung zu der durch sie durchschnittlich produzierten Energie in der Betriebszeit.
Wird nicht mehr Energie für die Bereitstellung der Windenergieanlage verbraucht, als durch ihre Anwendung gewonnen werden kann, ergibt sich eine „positive Energiebilanz" oder die Fähigkeit zur so genannten „energetischen Amortisation". Vereinfacht gesagt, gibt der Amortisationszeitraum die Zeitspanne, bis zu dem die Windenergieanlage die zur Herstellung benötigte Energie wieder „produziert" hat.
Der Erntefaktor von Prozessen mit positiver Bilanz ist größer 1. Der Faktor beschreibt ungefähr das Verhältnis der gewonnenen Energiemenge während der Lebensdauer zur eingesetzten Energiemenge – d. h.: um wie viel Mal übertrifft die Erzeugung einer Energieanlage während ihrer Lebensdauer die zur Herstellung der Anlage benötigte Energiemenge.
Der Erntefaktor einer modernen Windenergieanlage beträgt durchschnittlich 35 bis 66. Inzwischen gibt es noch modernere Windenergieanlagen, die noch effizienter sind und über eine noch bessere Energiebilanz verfügen.