Windkraftwerk

In einem Windkraftwerk, auch als Windkraftanlage bezeichnet, wird aus dem Primärenergieträger strömende Luft (Wind), der eine Folge der Sonnenstrahlung ist, als Sekundärenergieträger elektrischer Strom gewonnen. Es wird somit kinetische Energie der Luft, die auch als Windenergie bezeichnet wird, in elektrische Energie umgewandelt.

Historisches zur Nutzung des Windes

Windkraftanlagen wurden schon vor vielen Jahrhunderten in Form von Windmühlen genutzt. Im 19. Jahrhundert gab es in Europa mehr als 200 000 Windmühlen.
Mit der Entwicklung von Generatoren im 19. Jahrhundert begannen auch Versuche, aus Windkraft Elektroenergie zu gewinnen. Der Anteil an der Elektroenergieerzeugung blieb aber sehr gering, weil sich Wasserkraftwerke und Wärmekraftwerke als effektiver erwiesen.

Mit einer Ölpreiskrise in den siebziger Jahren des 20. Jahrhunderts setzte allmählich ein Umdenken ein, verstärkt durch Forderungen nach intensiverer Nutzung erneuerbarer Energieträger. Die Anlagen wurden wesentlich verbessert, ihr Wirkungsgrad erhöht.

Seit etwa 1990 hat sich die Anzahl der Windkraftwerke in schnellem Tempo vergrößert. Die elektrische Leistung der Windkraftwerke in Deutschland stieg von 1990 bis 1999 um das 71fache, allerdings von einem sehr niedrigen Ausgangsniveau aus. Die Kapazität der Windkraftwerke stieg im Jahr 2000 auf etwa 6.000 MW. Ihr Anteil an der gesamten Elektroenergieerzeugung betrug damit ca. 2,5 %. Deutschland ist gegenwärtig dasjenige Land mit der umfangreichsten Nutzung von Windenergie. Bezüglich der installierten Kapazitäten folgen die USA (2.500 MW), Spanien (2.100 MW) und Dänemark (2.000 MW).

Aufbau und Wirkungsweise eines Windkraftwerkes

Bild 2 zeigt den Aufbau eines Windkraftwerkes. Die wichtigsten Teile sind der Rotor, der über eine Welle und manchmal über ein Getriebe mit dem Generator verbunden ist. Darüber hinaus gibt es einen Blattverstellmechanismus und eine Windrichtungsnachführung. Beide dienen dazu, in Abhängigkeit von der Stärke und der Richtung des Windes die günstigsten Verhältnisse automatisch einzustellen.

Durch den Wind wird der Rotor in Bewegung gesetzt. Man benutzt heute meist Rotoren mit horizontaler Achse und zwei oder drei Rotorblättern, da mit einer solchen Anordnung der höchste Wirkungsgrad erzielt wird. Die Rotorbewegung wird über die Welle und, falls vorhanden, über das Getriebe auf den Läufer des Generators übertragen. In ihm erfolgt eine Umwandlung von Rotationsenergie in elektrische Energie.

Standortbedingungen und Wirkungsgrad

Eine Windkraftanlage arbeitet nur dann effektiv, wenn die Windgeschwindigkeit im Jahresmittel mindestens 4 m/s beträgt. Das ist in Deutschland nur in einigen Regionen der Fall, vor allem im Küstenbereich und in Teilen des Berglandes.

Die Energieumwandlungen und auch die auftretenden Energieverluste lassen sich gut in einem Energieflussdiagramm veranschaulichen. Der theoretisch höchste erreichbare Wirkungsgrad beträgt bei Windkraftanlagen ca. 60 %, da man grundsätzlich nicht die gesamte Windenergie nutzen kann. Nach Abzug der Getriebe- und Generatorverluste erreicht man heute bei modernen Windkraftanlagen einen Wirkungsgrad zwischen 40 % und 45 %. Da die Technik weitgehend ausgereift ist, sind beim Wirkungsgrad von Windkraftanlagen kaum noch Steigerungen zu erwarten.