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Windenergieanlage

Die heute absolut dominierende Form der Nutzung von Windenergie ist diejenige mit Windenergieanlagen (WEA) (oder Windkraftwerken) zur Erzeugung elektrischer Energie. Diese Energieform ist nämlich am vielfältigsten einsetzbar und gut transportierbar, auch wenn sie den Nachteil hat, dass ihre Speicherung schwierig ist.

Der Artikel über Windenergie diskutiert die generellen Aspekte der Windenergienutzung, während hier spezifische Aspekte von Windenergieanlagen behandelt werden. Zusätzlich gibt es den Artikel über Windparks, die mehrere Windenergieanlagen enthalten.

Bauformen

Windenergieanlagen (Windkraftanlagen, Windkraftkonverter, Windkraftanlagen) gibt es in verschiedenen Bauformen:

• Weitgehend hat sich die Bauform der Windturbine mit Dreiblatt-Rotor (siehe Abbildung 1) durchgesetzt. Die Rotorblätter verfügen meist über eine automatische Pitch-Regelung, d. h. ihr Anstellwinkel wird je nach Windverhältnissen für eine maximale Leistungsausbeute optimiert oder auch bei Sturm so gewählt, dass sich der Rotor gar nicht mehr dreht und eine Überlastung vermieden wird. Früher wurden auch Konstruktionen mit mehr Rotorblättern (oder auch nur zwei Blättern) verwendet, aber die dreiflügelige Form hat sich am meisten bewährt; sie braucht nur wenige Blätter und ist gleichzeitig mechanisch relativ stabil. Die Rotorblätter moderner Windturbinen haben sorgfältig aerodynamisch optimierte Flügelprofile, die nicht nur die Energieausbeute (den Wirkungsgrad) maximieren, sondern gleichzeitig auch die Geräuschentwicklung minimieren. Große Dreiblatt-Rotoren mit Rotordurchmessern über 100 m (größer als die Flügelspannweite eines Airbus A380!) erreichen heute maximale Leistungen von mehreren Megawatt und Wirkungsgrade von etwa 50 %. Alte Bauformen von Windrädern dagegen hatten nur einfache flach gebaute Flügel oder gewölbte Segel, mit denen keine sehr hohen Wirkungsgrade erreicht werden konnten.

• Savonius-Rotoren (nach Sigurd Savonius) enthalten eine oder mehrere tonnenförmige Komponenten auf einer vertikalen Drehachse. Sie sind konstruktiv relativ einfach, aber im Wirkungsgrad und in der Größe (somit auch in der Maximalleistung) eng begrenzt.
• Der Darrieus-Rotor (nach Georges Darrieus) hat ebenfalls eine vertikale Drehachse, an der jedoch zwei bogenförmige Rotorblätter oben und unten befestigt sind. (Die Variante des H-Darrieus-Rotors hat gerade Blätter an einem quer liegenden Tragarm.) Mit diesem Konstruktionsprinzip lassen sich auch sehr hohe Leistungen erzielen (mehrere Megawatt), weil die Rotorblätter sehr ausladend sein können, ohne die mechanische Stabilität zu gefährden. Der Wirkungsgrad ist mit typischerweise ca. 40 % deutlich geringer als für Windturbinen mit horizontaler Achse, jedoch höher als für andere Bauformen mit vertikaler Achse.
• Erst in einem sehr frühen Stadium sind Überlegungen, Anlagen in sehr großen Höhen arbeiten zu lassen, die wie Drachen an langen Seilen aufgehängt werden.

Die Bauformen mit vertikaler Drehachse haben den Vorteil, dass sie von der Windrichtung unabhängig arbeiten können. Dagegen müssen Anlagen mit horizontaler Anlage auf die Windrichtung ausgerichtet werden. Dieser Aufwand lohnt sich aber aufgrund des höheren Wirkungsgrads.

Aufgrund der begrenzten Drehzahl der Rotoren wurde bei älteren Anlagen praktisch immer ein mechanisches Getriebe benötigt, um den Generator für die Stromerzeugung mit genügend hoher Drehzahl antreiben zu können. Der Nachteil dieses Ansatzes ist aber, dass Getriebe Verschleiß aufweisen und Reibungsverluste verursachen. Deswegen werden inzwischen auch getriebelose Anlagen eingesetzt, bei denen ein speziell optimierter Generator direkt vom Rotor angetrieben wird. So werden geringere Energieverluste und ein niedrigerer Wartungsaufwand ermöglicht. Allerdings sind langsam laufende Generatoren größer, was die Abmessungen und das Gewicht der Gondel deutlich erhöht und somit auch den konstruktiven Aufwand für den Turm vergrößert. Durch den Einsatz von permanenterregten Generatoren, die starke Neodym-Permanentmagnete enthalten, lässt sich Größe und Gewicht des Generators deutlich senken, und der Wirkungsgrad wird noch etwas höher. Der Artikel über Generatoren erläutert die Vor- und Nachteile.

Leistung und Wirkungsgrad

Die von einer Windenergieanlage erzeugte elektrische Leistung hängt sehr stark von der Windgeschwindigkeit ab. Im Wesentlichen ist sie proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit, d. h. sie wird bei Verdopplung der Windgeschwindigkeit achtmal größer. Dies liegt daran, dass dann pro Sekunde die doppelte Luftmenge die Anlage anströmt, wobei jeder Kubikmeter die vierfache Bewegungsenergie enthält. Unterhalb einer gewissen Mindest-Windgeschwindigkeit von z. B. 2 m/s entfällt die Produktion komplett. Auch bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten in Stürmen müssen die Anlagen zur Vermeidung von Beschädigungen abgeschaltet werden. Moderne Anlagen mit einer optimierten Sturmregelung sind meist so ausgelegt, dass sie bei Windgeschwindigkeiten, die deutlich oberhalb des Werts für die Maximalleistung liegen, noch mit der Maximalleistung (nur mit reduzierter Effizienz) arbeiten können; erst bei erheblich höheren Windgeschwindigkeiten (bei Stürmen) müssen sie ganz abgeschaltet werden.

Die maximale Leistung (Nennleistung) großer Windenergieanlagen liegt heute bei mehreren Megawatt. Solche Anlagen weisen Rotordurchmesser von z. T. über 100 m auf. Die Nabenhöhen sind ebenfalls mehr als 100 m, um die in dieser Höhe größeren Windgeschwindigkeiten zu nutzen. Auf der anderen Seite des Leistungsspektrums gibt es auch kleine Windräder, die z. B. in einem abgelegenen Ferienhaus die Batterien aufladen können, mit einer Maximalleistung von 1 kW oder weniger. Die über das Jahr durchschnittlich abgegebene Leistung ist dann je nach Windverhältnissen entsprechend niedriger – beispielsweise wären es bei 2000 Volllaststunden pro Jahr 2000 / 8760 = 23 % der Maximalleistung.

Der Wirkungsgrad des Rotors einer Windenergieanlage, auch als Leistungsbeiwert bezeichnet, ist das Verhältnis von gewonnener elektrischer (oder manchmal mechanischer) Leistung zur Leistung des anströmenden Winds. Die letztere wird als ein rein theoretischer Wert berechnet: als die Leistung, die man erhielte, wenn man die Luft bis zum völligen Stillstand abbremsen könnte. Genau dies ist allerdings praktisch nicht möglich, da die Luft hinter der Anlage ja abgeführt werden muss und hierfür einen Teil ihrer Bewegungsenergie behalten muss. Man beachte im Übrigen, dass gewisse Energieverluste noch in anderen Komponenten wie Getriebe, Generator und Elektronik auftreten, die im Leistungsbeiwert nicht erfasst sind.

Eine Berechnung auf der Basis eines relativ allgemein gehaltenen physikalischen Modells führt zum sogenannten Betzschen Leistungsbeiwert als theoretische Obergrenze für den erzielbaren Wirkungsgrad. Dieser Wert liegt bei 59,3 %. Die besten Windenergieanlagen (mit dreiflügeligen Rotoren) erzielen bereits Werte von ca. 50 % (jedenfalls in einem gewissen Bereich von Windgeschwindigkeiten), so dass das physikalische Mögliche schon weitgehend ausgeschöpft ist. Die weitere Optimierung zielt teilweise darauf, gute Leistungsbeiwerte in einem größeren Bereich von Windgeschwindigkeiten zu erzielen. Dies ist beispielsweise möglich durch eine variable Rotordrehzahl (in zwei Stufen oder sogar stufenlos): für niedrigere Windgeschwindigkeiten ist eine niedrigere Drehzahl günstiger. Andererseits wird hierfür eine aufwendigere Elektronik benötigt.

Standortqualität und Energieausbeute

Offenkundig ist ein gutes Windangebot ein entscheidender Faktor für die Energieausbeute und damit die Rentabilität einer Windenergieanlage. Hierfür ist allerdings die oft genannte mittlere Windgeschwindigkeit kein gutes Maß, da die erzeugte Leistung keineswegs proportional zur Windgeschwindigkeit ist, sondern mit deren dritter Potenz ansteigt (siehe oben). Wenn beispielsweise ein Standort das ganze Jahr lang konstant eine Windgeschwindigkeit von 4 m/s hätte und ein anderer 8 m/s für die halbe Zeit und keinerlei Wind außerhalb dieser Zeit, so wäre die jährliche Ausbeute am zweiten Standort rund 4 mal höher, obwohl der Durchschnitt in beiden Fällen 4 m/s beträgt.

Viel aussagekräftiger ist deswegen die erzielbare Zahl von Volllaststunden pro Jahr, die vom Standort und von der Art der Anlage abhängt. Die jährliche Energieausbeute ist diese Zahl multipliziert mit der Maximalleistung. An guten Onshore-Standorten (häufig an Meeresküsten) werden deutlich über 2000 Volllaststunden pro Jahr erzielt, unter Umständen sogar ca. 3000 Stunden. (Zum Vergleich: Ein Jahr hat 365 · 24 = 8760 Stunden.) Dies bedeutet, dass die im Mittel erzeugte Leistung deutlich über 20 % oder sogar 30 % der Maximalleistung liegt. An Offshore-Standorten kann es noch einiges mehr sein, während im Binnenland u. U. nur 1000 Volllaststunden erreicht werden.

Beim Vergleich der Energieausbeute mit anderen Arten von Kraftwerken muss selbstverständlich berücksichtigt werden, dass die Zahl der Volllaststunden dort häufig wesentlich höher ist (bei Grundlastkraftwerken häufig über 8000 Stunden jährlich); der Vergleich lediglich der maximalen Leistungen kann hier irreführend sein.

Als ein Rechenbeispiel betrachte man eine Windenergieanlage mit einer Leistung von 3 MW, die ca. 4 Mio. € kostet (Stand 2012). An einem guten, aber nicht hervorragenden Standort erreicht sie 2000 Volllaststunden pro Jahr, erzeugt also 3 MW · 2000 h = 6000 MWh = 6 Millionen Kilowattstunden. Wenn die Lebensdauer 20 Jahre ist, müssen 5 % der Kosten pro Jahr abgeschrieben werden. Wenn weitere 6 % an Zinsen für die Finanzierung anfallen und 2 % für Wartung und Versicherung, ergeben sich die jährlichen Gesamtkosten anfänglich als 13 % von 4 Mio. € = 520 000 €, also 8,7 ct/kWh, wobei der Zinsanteil mit den Jahren natürlich abnimmt. Die in Deutschland erhältliche Einspeisevergütung erlaubt damit einen wirtschaftlichen Betrieb, wobei die einzelnen Faktoren in der Rechnung natürlich von Fall zu Fall etwas unterschiedlich ausfallen können.

Häufig wird die Standortqualität durch Vergleich des zu erwartenden Ertrags einer Windenergieanlage mit einem Referenzertrag ermittelt, der sich für standardisierte Windbedingungen ergeben würde. Beispielsweise weisen hervorragende (freilich selten gefundene) Standorte über 130 % des Referenzertrags auf, während schlechte Standorte weit darunter liegen können.

Außer dem Windangebot gibt es natürlich noch viele andere Kriterien für die Eignung eines Standorts:

• Der Standort sollte möglichst gut zugänglich sein, um die Montage und die Wartung zu erleichtern. In Bergregionen und auch auf offener See ist dies oft problematisch, trotz des guten Windangebots.
• Windenergieanlagen dürfen nicht zu dicht beieinander aufgestellt werden, da sonst der Ertrag pro Anlage sinkt.
• Der Netzanschluss für die Einspeisung der erzeugten Energie muss mit tragbarem Aufwand machbar sein.
• Andererseits sollte der Standort nicht zu nahe an Wohnhäusern liegen, um Lärmbelästigungen und Schattenwurf zu vermeiden. Auch die Nähe zu Straßen und Wegen kann problematisch sein wegen der Gefahr des Eiswurfs (wenn sich einem Rotor anhaftendes Eis plötzlich loslöst).
• Das Landschaftsbild sollte nicht zu sehr gestört werden.
• Die Nähe zu Vogelschutzgebieten ist zu vermeiden, weil es zur vermehrten Tötung von Vögeln kommen könnte (wobei der Grad der Gefährdung stark von den jeweiligen Vogelarten abhängt) und Vögel auch durch Lärm und die Bewegung gestört werden können. Auch Fledermäuse und andere Tierarten können betroffen sein.

Energiewirtschaftlich wäre es in Deutschland außerdem im Prinzip günstig, wenn mehr Windenergie im Süden gewonnen würde, um einen weniger starken Ausbau der Stromnetze zu benötigen. Dem steht allerdings entgegen, dass es im Süden weniger ergiebige Standorte gibt als im Norden. Die Nutzung auch ertragsschwacher Standorte im Süden würde zu höheren Kosten führen als die Nutzung deutlich besserer Standorte im Norden einschließlich zusätzlicher Kosten für die Verstärkung von Stromnetzen für den Ferntransport.

Onshore- und Offshoreanlagen

Der Großteil der Windenergieanlagen wird an Land gebaut – vorzugsweise an windreichen Standorten, die entweder auf dem flachen Land liegen können oder günstig platziert an Hügeln oder Bergen, die die Windströmung unter Umständen noch konzentrieren können. Die jährliche Energieausbeute hängt sehr stark von der Qualität des Standorts ab. Jedoch gibt es wie oben ausgeführt noch diverse andere Standortkriterien.

Günstige Standorte werden häufig in küstennahen Gebieten gefunden, insbesondere in Regionen mit vorwiegend landwirtschaftlicher Nutzung. Dort werden häufig ganze Windparks (Gruppen vieler Windenergieanlagen) errichtet.

In dem Maße, in dem günstige Onshore-Standorte knapp werden, werden Offshore-Standorte (d. h. Standorte im Meer, auch in größerem Abstand von der Küste) interessanter. Hierfür werden bisher praktisch ausschließlich küstennahe Meeresregionen mit relativ geringer Wassertiefe verwendet, da der Bau von Fundamenten mit zunehmender Wassertiefe schnell sehr aufwendig und teuer wird. Es werden jedoch bereits alternative Techniken der Befestigung von schwimmenden Windenergieplattformen mit am Meeresgrund verankerten Stahlseilen erprobt, bei denen auch wesentlich größere Wassertiefen kein Hindernis mehr sind. Hilfreich sind in diesem Gebiet die umfangreichen Erfahrungen, die mit Ölbohrplattformen gewonnen wurden.

Hauptvorteile der Offshore-Windenergie sind die meist hohe mittlere Windgeschwindigkeit (häufig auch mit geringeren Schwankungen als an Land) sowie die Erschließung großer Flächen ohne Konflikte mit Landschaftsschutz oder anderen Landnutzungen. Die höheren Anlagenkosten und Netzanschlusskosten können durch die hohe erzielte Leistung kompensiert werden. Probleme liegen hauptsächlich im Bereich der Lebensdauer (wo man z. B. 25 Jahre anstrebt) und der Wartung unter harten Bedingungen. Salzige Seeluft fördert nämlich stark die Korrosion von Bauteilen, und die Wartung von Anlagen auf dem Meer (insbesondere in größeren Entfernungen zum Ufer) ist aufwendig. Auch der Einfluss starker Stürme ist zu berücksichtigen. Deswegen kommt es hier besonders stark auf die Entwicklung sehr robuster Anlagen an.

Der Bau von Offshore-Windparks hat erst begonnen, weil die Entwicklung noch längst nicht abgeschlossen ist. In 2010 wurde 45 Kilometer vor der Küste der Insel Borkum der Offshore-Windpark alpha ventus als Referenzprojekt für erste großtechnische Tests offiziell in Betrieb genommen. Dort stehen insgesamt zwölf Windkraftanlagen von zwei verschiedenen Herstellern mit einer Maximalleistung von je 5 MW. Spätere Offshore-Windparks werden noch wesentlich größer ausfallen.

Repowering

In den letzten Jahren wurde der Technologie der Windenergienutzung entscheidend verbessert. Deswegen werden ältere Anlagen mit kleiner Leistung zunehmend durch neue Anlagen ersetzt – auch schon vor Erreichen der technischen Lebensdauer – um gute Standorte besser nutzen zu können. Dieser Ansatz wird als Repowering bezeichnet. Teilweise kann die erzielte Gesamtleistung erheblich erhöht werden, selbst wenn die Anzahl der Windenergieanlagen reduziert wird.

Beeinträchtigungen durch Windenergieanlagen

Obwohl der Betrieb von Windenergieanlagen im Allgemeinen sehr umweltfreundlich ist, können unter Umständen diverse Beeinträchtigungen auftreten:

• Wo große Windräder nahe an Wohnhäusern stehen, können bei stärkerem Wind Belästigungen durch Lärm auftreten.
• Der Lärm bei der Errichtung von Offshore-Anlagen (z. B. durch das Einrammen großer Pfähle) könnte unter Umständen Wale schädigen.
• Vögel können durch Kollision mit Windrädern getötet werden. Allerdings ist die Zahl der so getöteten Vögel verschwindend gering, verglichen mit Verlusten durch Autos und Gebäude.
• Das Erscheinungsbild einer Landschaft kann gestört werden, insbesondere bei großer Dichte von Windrädern (–> Verspargelung der Landschaft). Nicht zu dicht platzierte Windenergieanlagen werden von vielen Menschen jedoch sogar als schön empfunden.

Die Umweltauswirkungen können nur jeweils für konkrete Fälle sinnvoll bewertet werden, da sie in der Praxis stark variieren. Manche Standorte sind aus Umweltgründen wenig oder nicht geeignet für die Aufstellung von Windenergieanlagen.

Siehe auch: Windenergie, Windpark, erneuerbare Energie, Volllaststunden, Repowering