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Wie funktioniert eine Windkraftanlage?
Die Windkraft nutzt die Menschheit schon seit Ewigkeiten. Schon vor Tausenden von Jahren verhalf die Energie des Windes den Menschen zur Seefahrt, und in Persien wurde im 7. Jahrhundert mit einer der ersten Windmühlen der Welt Getreide gemahlen. Heutzutage wird die Windenergie vor allem bei Windrädern für die Stromerzeugung eingesetzt. Stehen mehrere Windräder zusammen, wird dies als Windpark bezeichnet, wo große Mengen an Strom erzeugt werden können. Aber wie läuft die Stromerzeugung mit Windrädern genau ab? Wie funktioniert eine Windkraftanlage? Und welche Vorteile hat die Windkraft?
Inhalt:
- Was ist Windkraft?
- Aufbau & Funktionsweise einer Windkraftanlage
- Was heißt Offshore bzw. Onshore?
- Windenergie: Vor- und Nachteile
- Die verschiedenen Arten von Windkraftanlagen
- FAQs zu Windkraftanlagen
Was ist Windkraft?
Unter Windkraft oder auch Windenergie versteht man die Nutzung der Bewegungsenergie der Luft zur Erzeugung von Strom. Die kinetische Energie der Luftströmungen trifft auf die Rotorblätter einer Windkraftanlage, versetzt diese in Bewegung, wodurch sich der Rotor dreht und mithilfe eines Generators elektrischer Strom erzeugt wird. Windkraftanlagen werden auch als Windanlage, Windenergieanlage, Windkraftwerk oder Windrad bezeichnet. Windkraft zählt zu den erneuerbaren Energien und ist eine wichtige Säule der Energiewende.
Übrigens: Falls Sie mehr über erneuerbare Energien erfahren möchten, können wir Ihnen unsere Artikel Wie funktioniert Photovoltaik sowie Wie funktioniert Wasserstoff-Energie empfehlen.
Aufbau und Funktionsweise einer Windkraftanlage
1. Turm
Der Turm ist das tragende Element der Windkraftanlage. Er ist über Flächenfundamente oder Tiefgründungen im Boden verankert und hält die Konstruktion. Die Türme von Windenergieanlagen sind heutzutage bereits über 150m hoch.
2. Rotorblätter
Die Rotorblätter sind an einem Rotor angebracht, der sich durch den Wind dreht. Die einzelnen Rotorblätter sind heute deutlich über 50m lang und haben eine aerodynamische Form, sodass sie möglichst viel Energie aus dem Wind gewinnen können.
3. Nabe
Die Nabe ist das zentrale Element des Rotors, an dem die Rotorblätter befestigt sind.
4. Getriebe
Das Getriebe befindet sich in der Nabe und dient dazu, die niedrige Drehzahl des Rotors in eine höhere Drehzahl für den Generator umzuwandeln.
5. Gondel
Die Gondel ist der große Hohlraum auf dem Turm und das Herzstück der Windkraftanlage. Sie hält den Rotor und die Rotorblätter. In der Gondel befinden sich unter anderem der Generator und die Steuerungsanlage und auf der Gondel sind Blitzableiter und Blinklichter für Flugzeuge installiert.
6. Generator
Der Generator wandelt die kinetische Energie (Bewegungsenergie) des Rotors in elektrische Energie um – es entsteht Strom.
7. Steuerung
Die Steuerung überwacht die Leistung der Windkraftanlage und lenkt die Rotorblätter bzw. die Nabe, um sie optimal auf den Wind auszurichten. So wird die Stromerzeugung optimiert.
Funktionsweise
Damit die Windkraftanlage Strom erzeugt, wird sie gegen die Windrichtung ausgerichtet. Durch den Wind drehen sich die Rotorblätter, die die Windenergie mithilfe des Generators in Strom umwandeln. Je höher der Turm ist, desto mehr Strom kann in der Regel gewonnen werden, da der Wind weiter oben beständiger und stärker weht. Windkraftanlagen werden oft in großen Windparks gebaut, um Kosten zu senken z.B. durch nur einen Netzanschluss für alle Anlagen und weil sie gebündelt geringere Auswirkungen auf das Landschaftsbild haben.
Was heißt Offshore bzw. Onshore?
Wenn von Windparks gesprochen wird, fallen auch häufiger die Begriffe „Offshore“ und „Onshore“. Aber was bedeuten sie?
Was ist Offshore?
Offshore-Windparks sind Windparks, die auf dem Meer errichtet werden. Sie sind in der Regel leistungsfähiger als Onshore-Windparks, da sie von stärkeren und konstanteren Winden profitieren. Die Errichtung und der Betrieb von Offshore-Windparks sind jedoch komplexer und teurer. Denn sie erfordern spezielle Technologien und Ausrüstungen, um die Anlagen zu errichten und Instand zu halten.
Was ist Onshore?
Onshore-Windparks sind Windparks, die auf dem Festland errichtet werden. Sie sind in der Regel einfacher und kostengünstiger in der Konstruktion, da sie leichter zugänglich sind und keine speziellen Bau- und Betriebsmaßnahmen brauchen.
Windenergie: Vor- und Nachteile
Windenergie Vorteile
- Wind ist global verfügbar, unerschöpflich und kostenlos
- Die Anlagen sind platzsparend und großteilig recycelbar
- Ideal für rohstoffarme, windreiche Länder und Gebiete
- Kosteneffizienter als konventionelle Kraftwerke
- Nachhaltige, CO2-neutrale Energiegewinnung
- Zukunftssichere Branche mit vielen Arbeitsplätzen
Windenergie Nachteile
- Keine konstante Energiegewinnung (wetterabhängig)
- Nicht genug und wenig effiziente Speichermöglichkeiten für überschüssig produzierten Windstrom (generelles Problem der Energieerzeugung)
- Potenzielle Belästigung durch Lärm und Infraschall
- Vögel und Fledermäuse können durch die Anlagen verletzt und getötet werden
- Beeinträchtigung des Landschaftsbildes
Übrigens: 2022 wurden 22% der gesamten Bruttostromerzeugung und 50% der erneuerbaren Energie in Deutschland mit Windkraft erzeugt. Bis 2030 sollen 80% des verbrauchten Stroms in Deutschland aus erneuerbaren Energiequellen kommen.
Drei verschiedene Arten von Windkraftanlagen
Das Windrad mit drei Rotorblättern ist die wohl bekannteste Art der Windkraftanlage. Es gibt aber noch andere Arten von Windrädern, die die Windenergie für sich nutzen. Nachfolgend finden Sie eine kurze Liste der verschiedenen Windkraftanlagen:
a) Horizontale Windkraftanlagen
Die klassische Windkraftanlage nutzt die horizontale Windenergie. Meistens sind dies Luv-Läufer, also dem Wind zugewandte Windräder. Doch es gibt auch Lee-Läufer, die die Rotorblätter hinten an der Gondel befestigt haben, sodass sie dem Wind abgewandt sind.
b) Vertikale Windkraftanlagen
Deutlich seltener sind Windkraftanlagen, die die vertikale Windenergie nutzen. Dabei ist die Rotorachse vertikal ausgerichtet, sodass Windströmungen vom Boden in Richtung Himmel genutzt werden können. Die ersten Windmühlen wie z.B. die persische Windmühle war eine vertikale Windkraftanlage.
Zusätzlich gibt es die Savonius-Rotoren (Widerstandsläufer), die wie Segel aussehen, die Darrieus-Rotoren (Auftriebsläufer), die ein bisschen an einen Rührstab erinnern, und die H-Rotoren, die eine Unterart der Darrieus-Rotoren sind und sich in der Form eines „H“ präsentieren. Diese Anlagentypen spielen aber für die Stromerzeugung im kommerziellen Maßstab keine Rolle.
c) Flügellose Windkraftanlagen
Eine recht neue Erfindung sind flügellose Windkraftanlagen. Hier gibt es verschiedene Varianten: Eine Variante fängt den Wind ein und generiert Strom durch den sogenannten Venturi-Effekt, der grob zusammengefasst besagt, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit z.B. von Luft bei gleicher Durchflussmenge bei einer Rohrverengung verschnellert.
Eine andere flügellose Windkraftanlage erzeugt Strom dadurch, dass der Windradsockel durch den Wind hin und her schwingt und eine Vibration entsteht. Auch wenn sie großes Potenzial haben, haben diese Anlagen noch Prototypcharakter.
Tipp: So wie bei einem Windrad die Energie des Windes genutzt wird, wird in einem Wasserkraftwerk die Energie des Wassers genutzt. Erfahren Sie mehr in unserem Artikel Wie funktioniert ein Wasserkraftwerk.
FAQs zu Windkraftanlagen
Häufig gestellte Fragen und Antworten
Wer hat die Windkraft erfunden?
James Blyth gilt als einer der ersten, der Elektrizität mit Windenergie erzeugte. 1887 soll der Schotte aus einem kleinen Windrad erstmals Blei-Akkumulatoren mit Strom gespeist haben, um damit Glühbirnen in seinem Zuhause zu betreiben.
Wie entsteht Wind?
Die Sonneneinstrahlung sorgt für Temperaturunterschiede in den Luftmassen. Wenn an einem Ort warme Luft aufsteigt, kommt es zu Unterschieden im Luftdruck. Daraus resultieren dann ausgleichende Luftströme und Wind entsteht. Da die Sonneneinstrahlung wichtig für die Windkraft ist, wird sie hin und wieder auch als indirekte Solarenergie bezeichnet.
Wer hat das erste Windrad erfunden?
Der Amerikaner Charles Francis Brush baute in Cleveland im Winter 1887 die erste vollautomatische Windkraftanlage, um damit Strom zu erzeugen. Das Windrad mit Rotorblättern war damals gerade mal 15m groß.
Wie viel Strom produziert ein Windrad?
Unter guten Bedingungen kann ein Windrad im Jahr bis zu 15 Millionen kWh Strom erzeugen. Das ist genug Strom, um 4.000 Haushalte übers Jahr zu versorgen.
Wie wird der Strom von Windrädern gespeichert?
Häufig wird der Strom in ein anderes Medium umgewandelt und bei Bedarf wieder zurückgewonnen. Es gibt diverse Möglichkeiten, um den Strom zu speichern:
- Batteriespeicher
- Pumpspeicherkraftwerke
- Wasserstoffspeicherung
- Druckluftspeicherung (CAES)
- Schwungradspeicher
- Thermische Energiespeicher
- Supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES)
Was ist die durchschnittliche Lebensdauer von Windkraftanlagen?
Windkraftanlagen stehen zwischen 20 und 30 Jahren, können zu großen Teilen recycelt werden und amortisieren sich innerhalb kürzester Zeit.
Wie laut sind Windräder?
Für Windkraftanlagen gibt es einen Grenzwert von 55 Dezibel, den Windräder nicht überschreiten dürfen. 55 dB sind u.a. so laut wie ein Kühlschrank oder ein leises Gespräch.
Was ist Infraschall & ist es gesundheitsgefährdend?
Infraschall sind alle Frequenzen unter 20 Hz, die vom menschlichen Körper nicht mehr gehört werden können. Auch wenn Infraschall nicht hörbar ist, kann er spürbar sein. Ob Infraschall gesundheitliche Auswirkungen auf den menschlichen Körper hat, ist noch unzureichend geklärt. Aber Tiere wie z.B. Fledermäuse, die via Infraschall kommunizieren, werden wohl negativ von Windkraftanlagen beeinflusst.
Was ist das Betz'sche Gesetz?
Betz‘sches Gesetz stammt vom deutschen Physiker Albert Betz und besagt, dass mit einer Windkraftanlage maximal knapp 60% Prozent der kinetischen Energie des Windes genutzt werden kann. Dies wird auch als Erntegrad oder Leistungsbeiwert bezeichnet und ergibt sich daraus, dass die Abgabe der Energie des Windes mit einer Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit einhergeht. Eine vollständige Energieentnahme ist nicht realistisch, denn sie würde bedeuten, dass die Luft stehen bleibt und sich ein Luftstau bildet.
Was passiert mit Windrädern beim Sturm?
Zieht ein Sturm oder sogar ein Gewitter auf, so werden die Windräder abgeschaltet und die Rotorblätter vom Wind weggedreht. Dadurch werden Schäden an den Rotorblättern vorgebeugt. Diese Maßnahmen werden meist bei Windgeschwindigkeiten ab 90km/h getätigt.
Tipp: Erfahren Sie in unserem Artikel, wie Sie sich beim Gewitter richtig verhalten.
Wird Windenergie staatlich gefördert?
Ja, Windenergie wird nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) gefördert.
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* Wir leben Diversität und heißen alle Menschen willkommen, unabhängig von Herkunft, Geschlecht, Behinderung und Identität. Wir sind davon überzeugt, dass uns Vielfalt bereichert und im gemeinsamen Arbeiten voranbringt. Deshalb haben wir 2017 die Charta der Vielfalt unterzeichnet.