Wie funktioniert eine Windkraftanlage?

Windenergie ist eine feste Größe bei den Erneuerbaren Energien. Wind ist unbegrenzt vorhanden und wir können seine Kraft ins Stromnetz einspeisen, ohne Treibhausgase freizusetzen. Doch wie funktioniert Windenergie eigentlich? Und fast noch wichtiger: Warum bauen wir nicht viel mehr Windräder?

Wie entsteht Wind?

Beginnen wir mit dem Wind. Wie kommt der eigentlich zustande? – Ganz einfach erklärt: Die Sonne scheint auf die Erde und erwärmt die Luft in der Atmosphäre. Verschiedene Teile der Erde entwickeln dabei unterschiedliche Temperaturen. Daraus ergeben sich Druckunterschiede zwischen diesen Teilen der Erde. Und die Druckunterschiede wollen sich ausgleichen.

Genau dieser Ausgleich funktioniert durch Wind. Denn die Luft, die von A nach B verströmt wird, transportiert die Temperaturen. Und weil das so ist, können wir mit Hilfe eines Windrades Strom erzeugen.

Wie funktioniert ein Windrad

Windräder funktionieren heutzutage nach dem sogenannten Auftriebsprinzip: Die Flügel der Windkraftanlage sind so geformt, dass die Luft ihre Oberseite schneller umströmt als die Unterseite. Und weil unter dem Flügel auf diese Weise ein höherer Druck entsteht, rotiert die Achse im Windrad.

Und wie entsteht daraus nun elektrische Energie?

Wie Du sicherlich schon oft beobachten konntest, drehen sich die Windräder in der Regel nicht besonders schnell. Damit aber der Strom von der Windkraftanlage in das Netz eingespeist werden kann, muss die erzeugte elektrische Energie eine Wechselstromfrequenz von 50 Hz haben.

© Infineon Technologies

Deshalb wird die aus der Drehkraft der Windradachse erzeugte Energie in ein Getriebe geleitet. Dieses Getriebe übersetzt die niedrige Drehzahl in die erforderliche Drehzahl von 50 Hz.

Dahinter ist ein Generator geschaltet. Hier dreht sich eine Spule in einem elektrischen Feld. Der Generator ist in der Lage, aus der Drehbewegung eine elektrische Spannung zu erzeugen. Diese wird ins elektrische Netz eingespeist.

Die meisten aktuell betriebenen Windräder arbeiten mit dieser Technik. Die neueren Windräder funktionieren meistens ohne Getriebe. Bei dieser Bauart ist der Generator unmittelbar mit dem Rotor verbunden. Die getriebelose Windkraftanlage läuft nach dem gleichen Prinzip wie ein Fahrraddynamo.

Ein weiterer Mechanismus im Windrad ist der Regler. Diesem kommt eine wichtige Bedeutung zu. Denn wenn der Wind zu stark weht, drehen sich die Flügel des Windrades logischerweise auch umso schneller. Irgendwann ist eine Grenze erreicht, an der das Material des Windrades nicht mehr standhält.

Darum kann die Windkraftanlage die Rotorblätter so drehen, dass die Angriffsfläche für den Wind reduziert wird. So verringert sich auch die Geschwindigkeit der Drehbewegung.

Wie schnell muss sich das Windrad drehen, um Strom zu erzeugen?

Wenn der Wind eine Geschwindigkeit von mehr als 12 Meter pro Sekunde erreicht hat, reduziert der Regler der Anlage die Drehbewegung automatisch. Ab diesem Punkt bewirkt die Erhöhung der Windgeschwindigkeit also keinen Anstieg der erzeugten Energie. Die Windgeschwindigkeit von 12 Meter pro Sekunde ist aber erforderlich, um die höchstmögliche Leistung zu erreichen.

Wie verhält sich aber die Leistung unterhalb von 12 m/sec? Hier ist zu beachten, dass bereits die halbe Geschwindigkeit die erzeugte Leistung auf 1/8 reduziert. Bei 3 m/sec wirkt sich der Wind fast gar nicht auf die Stromerzeugung aus.

Das Problem ist deshalb: 12 Meter pro Sekunde ist bereits eine heftige Windgeschwindigkeit. Die meiste Zeit erbringen die Windräder daher nur einen Bruchteil der möglichen Leistung.

Strom aus Windkraft wird immer nur dann erzeugt, wenn der Wind weht

Der Strom aus der Windkraftanlage kann heutzutage noch nicht komplett zwischengespeichert werden. Wie oben beschrieben, wird der Strom unmittelbar nach der Umwandlung im Generator in das Stromnetz eingespeist.

Bild von Markus Distelrath auf Pixabay

Aber was passiert denn dann, wenn der Wind nicht weht? – Die Antwort liegt auf der Hand: Der Strombedarf muss aus anderen Quellen bedient werden. Nämlich Quellen, die gespeichert werden können. Und diese Energiequellen heißen leider immer noch zum Großteil Braunkohle und Atomkraft. Es bleibt also dabei: Windkraft ist aktuell immer noch lediglich eine Ergänzung zur Deckung des Gesamtbedarfs. Auch im Jahr 2020 liegt der Windkraftanteil an der gesamten Stromerzeugung in Deutschland bei knapp über 20 Prozent.

An manchen Tagen wird der Gesamtbedarf durch Windkraft gedeckt

Dennoch gibt es bereits jetzt vereinzelt Tage im Jahr, an denen der Tagesbedarf an Deutschland allein durch erneuerbare Energien gedeckt wird. Es kommt sogar zu Überschüssen. Was aber stellen wir mit dem überschüssig produzierten Strom an? – Den müssen wir an diesen Tagen ins Ausland verschenken oder – mit Kosten verbunden – anderweitig loswerden.

Solange Windenergie nicht gespeichert werden kann, gibt es ein Problem

Für den Ausbau der erneuerbarer Energien ergibt sich dadurch ein Problem: Solange regenerative Energien nicht regelbar sind (also der Strom nicht gespeichert werden kann), wird der Anteil an Überschüssen überproportional zum Anteil an genutztem Strom steigen. Oder anders ausgedrückt: Jede zusätzlich in Betrieb genommene Windkraftanlage verringert die durchschnittliche Leistungsfähigkeit der Windkraft insgesamt!

Gleichzeitig gibt es noch ein weiteres Problem: Phantomstrom! Damit es nämlich nicht zu noch mehr Überschüssen kommt, müssen die Betreiber von Windkraftanlagen ihre Windräder abstellen. Und für die Umsatzeinbußen kommt der Steuerzahler bzw. der Verbraucher auf. Logischerweise bedeuten mehr Windräder auch mehr Phantomstrom. Und deshalb mehr Kosten. Schon jetzt sprechen wir einem Artikel der Welt zufolge von fast einer Milliarde Euro pro Jahr allein für Windenergie in Deutschland!

Lässt sich Windenergie nicht doch irgendwie speichern?

Es gibt bereits viele Technologien, die in der Lage sind, Windenergie zu speichern: Wärmespeicher, Pumpspeicherwerke und Power to Gas sind nur drei von vielen Möglichkeiten. Sie alle verfügen aber noch nicht über die erforderlichen Kapazitäten oder sind einfach zu teuer. Wissenschaftler haben ausgerechnet, dass die Speicher ca. 15 Terrawattstunden fassen müssten. Das bedeutet: Die Speicherung ist momentan praktisch nicht umsetzbar!

Windkraftanlage privat verwenden

So wie die großen Windkraftanlagen funktioniert auch eine Windkraftanlage, die Du privat auf Dein Dach bauen kannst. Dabei handelt es sich in der Regel nicht um Windräder, sondern um sogenannte Helix-Turbinen. Auch hier geht alles mit der Drehung der Achse los. Das private Windkraftwerk funktioniert also nach dem gleichen Prinzip.

Deinen Strombedarf wirst Du damit vermutlich nicht vollständig abdecken können. Aber ein paar hundert Kilowattstunden pro Jahr kannst Du daraus generieren. Mit dem heutigen Stand der Technik und den Kosten für Material und Montage dauert es jedoch ca. 10 bis 20 Jahre, bis sich Deine Investition amortisiert hat. Wie und wo Du eine Windkraftanlage kaufen kannst, erfährst Du bei Klein-Windkraftanlagen. Dort erfährst Du auch, was für Dich eine Windkraftanlage kosten würde.

Warum ist der Bau von Windkraftanlagen ins Stocken geraten?

Seit Einführung des Erneuerbare Energien Gesetzes gab es noch nie so wenige neue Windräder wie 2019. Laut der Tagesschau waren es nämlich im vergangenen Jahr 325 Stück. Offiziell gibt es dazu gleich mehrere Begründungen:

• Bei den Genehmigungsverfahren werden immer höhere Ansprüche gestellt
• Einführung von Abstandsregelungen
• Die Windradrotoren sind eine häufige Todesursache für Vögel und Fledermäuse

Die Argumente erscheinen mir allerdings vorgeschoben. Setzt man beispielsweise die Zahl an getöteten Tieren durch Windräder ins Verhältnis zum Straßenverkehr oder Hochspannungsleitungen, wird schnell klar: Windräder sind harmlos!

Aus meiner Sicht gibt es andere Gründe, das Thema Windkraft nicht noch weiter auszubauen:

• Windkraft kann nicht gespeichert werden.
• An windstillen Tagen könnte auch die dreifache Anzahl an Windkraftanlagen nicht den Tagesbedarf decken.
• An windigen Tagen kann man die Energieüberschüsse nicht verwenden.
• Die Effizienz pro Windrad sinkt.
• Die Phantomstrom-Kosten würden ansteigen.

Windkraftanlage – Eine tolle Erfindung, die immer eine Ergänzung bleiben wird

Mein Fazit zum Thema Windenergie fällt ziemlich ernüchternd aus: Windkraft ersetzt immerhin einen Teil der fossilen Brennstoffe. Damit trägt sie einen wichtigen Teil zum Klimaschutz bei. Wir betreiben weniger Raubbau an unserem Planeten und pumpen nicht noch mehr CO2 in die Atmosphäre.

Dennoch bleibt die Frage, ob wir jemals Windenergie speichern können. Denn solange das nicht der Fall ist, macht ein weiterer Ausbau keinen Sinn.

Falls Dich das Thema Regenerative Energien interessiert und Du Dir einen Überblick über Alternativen zu Windkraft verschaffen möchtest, lies meinen Artikel „Regenerative Energien – Die Lösung aller Probleme?“. Übrigens: Eine echte Alternative, die auch speicherbar ist, heißt Solarthermie. Lies alles über Solarthermie aus der Wüste in meinem Artikel.