Windenergie – die Basics

Wind enthält eine unbändige Energie. Daran besteht kein Zweifel. Herbststürme schmeißen Bäume um, decken Dächer ab und sorgen für erhebliche Verspätungen im Schienenverkehr. Andererseits wird die Energie des Windes auch seit Jahrhunderten genutzt, für Segelschiffe und Windmühlen auf der ganzen Welt. Im Bereich der Erneuerbaren Energien geht es um diesen positiven Aspekt des Windes.

Themen dieses Artikels:

  1. Geschichte der Windenergie
  2. Windenergie – Leistung des Windes
  3. Wie funktionieren moderne Windenergieanlagen?
  4. Was bringen Windenergieanlagen?

Geschichte der Windenergie

Holländermühle
Quelle: maxtor777/stock.adobe.com

Wenn man „Geschichte der Windenergie“ hört, dann denkt man bei uns fast unweigerlich an die Holländermühle, die auch im Norden Deutschlands weit verbreitet war und heute eher ein Postkartenmotiv ist als ein „Kraftwerk“.

In der Tat waren diese Windmühlen für die Entwicklung der Windenergie von großer Bedeutung, allein auf Grund der Stückzahl, die in die in die Zehntausende geht. Die Nutzung der Windenergie geht jedoch noch viel weiter zurück.

Wie weit genau, darüber streiten sich die Gelehrten. Es wäre vermessen, hier eine Antwort darauf geben zu wollen. Im Allgemeinen stehen zwei Zahlen im Raum. Mehr oder weniger erwiesen ist die Nutzung ab dem 7. Jahrhundert nach Christus in Afghanistan [1]. Eine Babylonische Sammlung von Rechtssprüchen aus dem 18. Jahrhundert vor Christus, der Codex Hammurapi, liefert Hinweise auf eine Nutzung vor etwa 4000 Jahren. Fakt oder Fiktion? Wäre interessant zu wissen, aber die Antwort gibt es hier nicht.

Industrialisierung der Windenergie

Westernmill
Quelle: (C) Slav Valchev

Im 19. Jahrhundert hat die Industrialisierung auch vor der Windenergie nicht halt gemacht. Während vorher noch die Nachführung und Leistungsentnahme durch den Windmüller von Hand eingestellt werden mussten, hat die amerikanische Westernmill all das automatisch erledigt. Dadurch wurde der Anwendungsbereich deutlich erweitert und erstmals wurden auch Versuche mit der Stromerzeugung aus Windenergie unternommen. Noch heute sind Windenergieanlagen dieser Bauart, besonders in den USA und Argentinien, weit verbreitet. Primär werden sie verwendet, um Pumpen anzutreiben. Zur Stromerzeugung allgemein werden heute auch dort natürlich die modernen Windenergieanlagen unserer Zeit verwendet.

Seit den 1960er Jahren, verstärkt seit den 1980er Jahre, entwickelt sich die Windenergie zu dem, was wir heute kennen. Dabei wurden verschiedenste Konzepte erprobt, mit ein, zwei und drei Flügeln oder Rotorblättern. Von ursprünglich wenigen Metern ist der Rotordurchmesser mit der Zeit kontinuierlich gestiegen. Ausreißer waren meistens zum Scheitern verurteilt, wie noch 1982, als MAN mit dem legendären GROWIAN in Norddeutschland einen Versuch in der 100 m Rotordurchmesser-Kategorie startete. Zum Glück lies man sich davon nicht entmutigen. Heute leisten Windnergieanlagen einen wesentlichen Beitrag zur Energiegewinnung.

Windenergie – Leistung des Windes

Die Leistung ist die in einer bestimmten Zeit umgesetzte Energie. Soll viel Leistung erbracht werden, muss ein hoher Energieumsatz vorliegen. Auf den Wind bezogen: Wenn eine Windenergieanlage viel Leistung bringen soll, muss der Wind eine hohe Energie enthalten, die auch in kurzer Zeit umgesetzt werden kann. Ist das so verständlich? Ich hoffe 🙂 – aber ich steige noch ein bisschen mehr ein in das Thema.

Physikalisch relevant ist die kinetische Energie, also Bewegungsenergie, des Windes.

Wind und Leistung: Whiteboard-Skizze (C) Sascha Schmidt 2019

Mathematisch ausgedrückt:

$$E={{1}\over{2}} m v^2$$

Leitet man die Energie nach der Zeit ab, so erhält man die Leistung:$$P=\dot{E}={{1}\over{2}} \dot{m} v^2$$

Mit $$\dot{m} = \rho A {{dx}\over{dt}}$$ ergibt sich dann für die Leistung $$P={{1}\over{2}} \rho A v^3$$

Das heißt, die Leistung, die der Wind erbringen kann, hängt von drei Faktoren ab:

  • Luftdichte ρ
  • Durchströmte Fläche A – also bei klassischen Windenergieanlagen die Rotorfläche
  • Windgeschwindigkeit v

Letzteres, die Windgeschwindigkeit, geht in der dritten Potenz ein, das heißt, eine Änderung der Windgeschwindigkeit hat einen sehr großen Effekt.

Wie funktionieren Windenergieanlagen?

Die erste Frage, die man sich stellen muss, lautet, was meinen wir mit Windenergieanlagen. Neben den Westernmills, die ich oben schon kurz erwähnt habe, gibt es heute vor Allem die großen Windenergieanlagen, deren Rotordurchmesser im Bereich um die 100 m ist. Aber auch Kleinwindanlagen finden eine zunehmenden Verbreitung, und besonders hier wird die Unterscheidung schwieriger. Hat der Rotor auch zwei oder drei Rotorblätter, die sich um eine horizontale Achse drehen? Oder hat die Anlage eine vertikale Achse? Die Varianten werden hier deutlich vielfältiger.

Eine Gemeinsamkeit der meisten Windenergieanlagen ist, dass sie Strom erzeugen. Dafür benötigen sie einen Generator. Häufig ist vor den Generator ein Getriebe geschaltet, um die Drehzahl der Achse anzupassen. Das sich die Achse überhaupt dreht, resultiert aus wie auch immer gearteten Rotoren, die vom Wind auf die ein oder andere Art und Weise angetrieben werden. Da liegen die Unterschiede. Wenn ich von Windenergieanlagen spreche, meine ich die großen Anlagen, so auch im weiteren Verlauf dieses Beitrags. Kleinwindanlagen sind Thema für einen eigenen, späteren Beitrag.

Aufbau einer modernen Windenergieanlage

Wenn man verstehen will, wie moderne Windenergieanlagen (WEA) funktionieren, muss man sich zunächst den Aufbau einer Windenergieanlage vor Augen führen. Dafür habe ich mal mein Whiteboard bemüht:

Schema WEA
Schema WEA: Whiteboard-Skizze (C) Sascha Schmidt 2019

Hier ist natürlich nur eine kleine Auswahl der Komponenten einer WEA dargestellt – die im Moment interessantesten. Weiter oben habe ich ja schon einen kurzen, allgemeinen Abriss der Funktion einer WEA geliefert – der gilt auch hier. Der Wind (der hier von vorne kommt) treibt die Rotorblätter (1) an, die Nabe (2) und die Rotorwelle (5) drehen sich, treiben ihrerseits das Getriebe (6) und dann den Generator (7) an. Der Generator erzeugt Strom, der dann, über eine Trafostation am Boden, ins Netz eingespeist wird.

Über das Gondelanemometer (8) oder besser, die Sensoren der Gondel allgemein, registriert die WEA die aktuellen Windbedingungen und kann darauf reagieren. Ändert sich die Windrichtung, wird die Gondel (3), die mit dem Turm (4) über das Azimutlager (10) beweglich verbunden ist, verdreht. Um den Betriebsmodus sich ändernden Windgeschwindigkeiten anzupassen oder die Anlage zu bremsen, werden die Rotorblätter am Blattlager (9) verdreht oder auch gepitcht. Wie das genau funktioniert, hängt mit einem Punkt zusammen, den ich noch nicht angesprochen habe: Wie treibt der Wind die Rotorblätter an?

Wie treibt der Wind die Rotorblätter an?

Wer sich noch nie mit dem Thema auseinandergesetzt hat, könnte leicht denken, dass der Wind gegen die Rotorblätter weht, sie sozusagen wegpustet. Es gibt tatsächlich Windenergieanlagen, die so funktionieren, zum Beispiel die klassischen Windmühlen. Diese Art der Windenergieanlagen nennt man Widerstandsläufer. Spätestens dann wundert man sich allerdings, wieso die Rotorblätter so dünn sind und bei genauerer Betrachtung auch noch so installiert werden, dass sie nicht mit der breiten Seite im Wind stehen.

Das liegt daran, dass moderne WEA nach einem anderen Prinzip funktionieren. Es handelt sich dabei um sogenannte Auftriebsläufer. Das Prinzip ist sehr ähnlich zu dem Prinzip der Tragflächen bei Flugzeugen. Der Schnitt eines Rotorblattes erinnert deshalb auch an die Form der Tragflächen. Durch die Wölbung der Rotorblätter weht der Wind mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten über das Rotorblatt und darunter hindurch – es entsteht ein Auftrieb (auf der einen Seite der Nabe – auf der anderen Seite entsprechend ein Abtrieb).

Ich will dieses Thema gerne in einem späteren Artikel ausführlicher betrachten, da es sich lohnt, hier mal genauer hinzuschauen. Deshalb belasse ich es aber auch bei diesem ersten Überblick. Aber wenn man weiß, dass dieser Auftrieb vom Anströmungswinkel abhängt, dann kriegt man vielleicht schon eine Ahnung, wie das dann mit dem Pitchen funktioniert: Die Rotorblätter, und damit indirekt der Anströmungswinkel, werden verdreht, der Auftrieb ändert sich und damit auch die Rotationsgeschwindigkeit der Anlage (bis hin zum Stillstand).

Durch die Leistungsentnahme am Rotor wird ja, wie oben schon gesagt, Energie umgesetzt. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltungssatz) legt nahe, dass der Wind hinter der Anlage weniger Energie enthält als vor der Anlage. Der Wind wird abgebremst – und mehr. Aber wie das genau funktioniert, kommt später. Das sind die sogenannten Wakes, die hinter einer Anlage entstehen. Ein schönes Thema für mehrere Beiträge…

Was bringen Windenergieanlagen?

Windenergieanlagen Quelle: alpegor/stock.adobe.com

Aber was bringen denn jetzt die ganzen Anlagen, die uns da in die Landschaft gestellt werden? Natürlich variiert der Wind stark, von Tag zu Tag, von Monat zu Monat, von Jahr zu Jahr. Dennoch zeichnet sich ein Trend ab und erst im März diesen Jahres (2019) hat der Bundesverband Windenergie dazu eine Pressemitteilung mit einem neuen Rekord herausgegeben. Der Anteil der Windenergie an der Nettostromerzeugung betrug in dem Monat mehr als 35%, an einzelnen Tagen mehr als 70%. Ich persönlich finde das ziemlich beeindruckend.

Kritiker bemerken jetzt, dass die Schwankungen ja das Netz stark belasten und Kraftwerkskapazität für die gefürchtete „Dunkelflaute“ vorgehalten werden muss. Richtig ist, die Steuerung des Stromnetzes und der Kraftwerke muss (und wird schon) angepasst werden. Richtig ist aber auch: Das geht! Sogar ziemlich gut. Die Problematik will ich aber nicht ausblenden, Beiträge zum Thema sind in Planung.

Fazit

In vier Punkten:

  1. Windenergie wird schon ziemlich lang und inzwischen im Industriellen Maßstab genutzt.
  2. Die Leistung des Windes hängt von Luftdichte, betrachteter Fläche (z.B. Rotorfläche) und der Windgeschwindigkeit (in dritter Potenz) ab. [Wie viel davon entnommen werden kann, steht auf einem anderen Blatt]
  3. Moderne Windenergieanlagen sind alle relativ ähnlich – im Großen und Ganzen – aufgebaut und funktionieren nach dem Auftriebsprinzip.
  4. Windenergie leistet in Deutschland einen nennenswerten bis hohen Anteil an der Stromproduktion – an einzelnen Tagen über 70%.

Wie findest Du so Überblicks-Artikel? War das schon zu technisch oder sollte es noch mehr ins Detail gehen? (Die Details folgen natürlich in separaten Beiträgen) Es freut mich, wenn Du mir ein kurzes Feedback hier unter dem Artikel hinterlässt. Wenn Du zu einzelnen Themen gerne mehr wissen möchtest, kannst Du das gerne dazu schreiben. Ich freue mich immer über Rückmeldungen.

Literaturverzeichnis

Wie immer werden die Literaturangaben auch in das Literaturverzeichnis übernommen. Alle Links auf Bücher sind Amazon Partnerlinks. Bei einem Kauf darüber erhalte ich eine Provision, die den ErneuerBlog unterstützt.

[1] Robert Gasch, Jochen Twele (Hrsg.), „Windkraftanlagen“ (bei mir 6. Auflage, Kapitel 2)

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