Wie funktioniert Windkraft? Funktionsweise einer Windkraftanlage

Wie funktioniert Windkraft?

Eine Windkraftanlage wandelt die kinetische Energie des Windes in elektrischen Strom um. Sie ist auch mit den Komponenten für die Einspeisung in das Stromnetz ausgestattet, so einem Wechselrichter und einem Transformator. Es gibt Windkraftanlagen in verschiedenen Bauformen, wobei der dreiblättrige Auftriebsläufer dominiert. Bei ihm sitzen die Rotorblätter auf einer horizontale Achsen, der Rotor ist auf der Luvseite (dem Wind zugewandt) montiert. Vom Rotor zum Generator übersetzt oft ein Zahnradgetriebe die Bewegung in eine höhere Drehzahl. Auf dem rohrförmigen Turm sitzt das Maschinengehäuse (sogenannte Gondel). Es wird mit dem Rotor der Windrichtung nachgeführt, was über einen computergesteuerten Elektromotor geschieht.

Alternative Bauweisen zum Windrad mit Rotorblättern

Es gibt einige alternative Bauweisen, so die Windwand, den Winddrachen und die Vortex-Windturbine. Letztere kostet bei gleicher Leistung nur rund die Hälfte einer dreiblättrigen Windturbine, auch die Wartungskosten sinken drastisch. Zudem gefährdet sie keine Vögel. Sie hat ihren Namen von Vorticity für Wirbelstärke, weil sie die Eigendrehung des Luftstroms ausnutzt. Durch diese Eigendrehung entsteht eine sogenannte Kármánsche Wirbelstraße, deren Energie sich zu Strom umwandeln lässt. In der Vortex-Windturbine verstärken Magneten die Windschwingung, ein Generator produziert daraus Strom. Das klingt alles sehr positiv, allerdings funktionieren Vortex-Turbinen bislang (Stand 2022) nur im Kleinwindbereich. Dasselbe trifft auf zweiflüglige Rotorturbinen, Winddrachen und Windwände zu. Daher ist der Ausbau der Windkraftanlagen mit höchsten Leistungen bislang nur über das konventionelle dreiflügelige Rotormodell geplant.

Funktionsweise einer Windkraftanlage

Wo funktionieren Windkraftanlagen?

Die Anlagen funktionieren auf See (offshore) und an Land (onshore) sowie in allen Klimazonen. Wenn wir manchmal ein langsam drehendes Windrad beobachten und uns fragen, wie daraus Strom entstehen kann, so täuscht dieser Eindruck: Wie oben erwähnt kann ein Zahnradgetriebe die langsame Bewegung nach oben übersetzen, um eine ausreichende Drehzahl für den Generator zu erzeugen. Da die modernen Windkraftanlagen ab einer bestimmten Dimension ihren Strom in das übergeordnete Stromnetz einspeisen (anstelle des Inselbetriebs), sind sie mit einer Leistungselektronik und einem netzgekoppelten Asynchrongenerator ausgestattet, was zu einer sehr guten Netzverträglichkeit führt.

Einzelne Onshore-Windkraftanlagen leisten im Jahr 2022 überwiegend 3 – 6 MW, Offshore-Anlagen im erprobten Dauerbetrieb 11 – 13 MW, Testläufer auch bis 15 MW. Zum Vergleich: Ein mit Kohle, Gas, Öl oder Kernkraft betriebener Kraftwerksblock leistet ~100 bis 1.000 MW, in Einzelfällen auch darüber. Die betreffenden Kraftwerke betreiben mehrere Blöcke, was zu Gesamtleistungen zwischen ~2.000 bis ~5.000 MW führt. Das größte europäische Kernkraftwerk im ukrainischen Saporischschja, im Jahr 2022 durch Kriegshandlungen in den Medien sehr präsent, hat eine installierte Gesamtleistung von 5,7 GW (5.700 MW). Offshore-Windparks mit mehreren Windrädern leisten im Jahr 2022 zwischen rund 300 bis 1.200 MW, geplant sind aber Windparks auf See mit über 3 GW, die etwa ab 2024 in Betrieb gehen dürften. Der Strombedarf einer kleinen Großstadt (~120.000 Einwohner mit etwas Industrie) liegt bei ~200 MW.

Bauformen von Windkraftanlagen

Es gibt bei den dominierenden Windkraftanlagen zwei grundsätzlich Bauarten, die sich durch das ausgenutzte aerodynamische Prinzip unterscheiden, mit dem ihre Drehbewegung erzeugt wird: die Widerstands- und die Auftriebsläufer.

Widerstandsläufer: Dieser Anlagentyp nutzt vorwiegend den Strömungswiderstand aus. Es ist eine klassische Windmühle, die es wahrscheinlich schon im 7. Jahrhundert als sogenannte persische Windmühle gab und die heute als große Anlage mit drei Rotorblättern gebaut wird. Sie nutzt den dynamischen Auftrieb durch die Windströmung mit schmalen, profilierten Rotorblättern aus, die sich schnell sowie quer zum Wind drehen. Damit erfassen sie mit geringem Materialaufwand viel Wins, was sich als sehr effektiv erweist. Ihr Rotor kann aktiv mit einem Motor dem Wind nachgeführt werden, doch er kann sich auch passiv automatisch nach dem Wind ausrichten.

Ein Nachteil der passiven Nachführung ist die Anfälligkeit gegen Starkwind, der die Anlage beschädigen kann. Daher werden große Anlagen mit aktiver Richtungsnachführung oder auch starr gebaut. Nötigenfalls schaltet man sie bei Sturm ab und stellt die Rotorblätter so zum Wind, dass sie diesen kaum noch erfassen.

Auftriebsläufer: Diese können auch mit einer vertikalen Rotationsachse funktionieren, was sie als sogenannte Darrieus-Rotoren wie einen Schneebesen erscheinen lässt. Sie sind stabil, allerdings erfassen sie nicht so gut den Wind, was sie weniger effizient macht. Außerdem sind sie schwingungsanfällig. Das macht sie bei geringerer Effizienz teurer.

Dies sind die beiden hauptsächlich anzutreffenden Windkraftanlagen, wobei das dreiflügelige Windrad absolut dominiert. Es gibt auch Vortex-Windanlagen, Winddrachen und Windwände, die aber aus technischen Gründen für die Erzeugung von sehr viel Windstrom derzeit keine Rolle spielen (Stand: 2022).

Funktionsweise einer Windkraftanlage

Stromproduktion durch ein Windrad

Ein Windrad ist mit einem internen Generator ausgestattet, der Wechselstrom in meistens wechselnder Frequenz produziert. Dieser Strom wird daher gleichgerichtet und anschließend wieder über einen Wechselrichter für das Stromnetz mit seiner gleichmäßigen Frequenz von 50 Hz aufbereitet. Außerdem transformieren Windparks den Strom von der erzeugen Spannung des einzelnen Windrades zwischen rund 400 bis 1.000 V auf das Mittelspannungsnetz für die Nahversorgung zwischen 10 und 30 kV hoch. Wenn der Strom durch das gesamte Land fließen soll, wird er für die Spannung des europäischen Höchstspannungsnetzes (220 oder 380 kV) hochtransformiert.

Diese Transformationen erfolgen, weil der Leitungsverlust mit der Höhe der Spannung sinkt. Wichtig zu wissen: Der Bau eines Offshore- oder Onshore-Windparks ist nur ein Teilbereich der gesamten Windenergieproduktion. Die Transformation und Übertragung des produzierten Windstroms ist ebenso wichtig und aufwendig. Das zeigt sich in Deutschland, wo die Stromtrassen von den Offshore-Windparks in der Nordsee in die Industriezentren des deutschen Südens (Baden-Württemberg und Bayern) viel zu langsam ausgebaut werden.