Wie aus Wind Strom wird

Eine Windenergieanlage entzieht der vorbeiströmenden Luft einen Teil ihrer Bewegungsenergie. Die Rotorblätter funktionieren dabei ähnlich wie Flugzeugflügel. Die Luft strömt an der gewölbten Seite schneller vorbei als an der flachen. Dadurch entsteht ein Auftrieb, der den Rotor in Drehung versetzt. Über eine Welle, bei manchen Bauarten zusätzlich über ein Getriebe, wird diese Drehung auf den Generator übertragen. Der Generator erzeugt daraus elektrischen Strom.

Warum die Windgeschwindigkeit so wichtig ist

Die im Wind enthaltene Leistung wächst mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit. Weht der Wind doppelt so schnell, steckt achtmal so viel Leistung darin. Schon kleine Unterschiede in der mittleren Windgeschwindigkeit eines Standorts wirken sich deshalb stark auf den Jahresertrag aus. Aus diesem Grund werden Windverhältnisse vor jedem Projekt sorgfältig gemessen oder berechnet. Auch deshalb sind die Anlagen über die Jahre immer höher geworden.

Die Betz-Grenze

Eine Windenergieanlage kann dem Wind nie seine gesamte Energie entziehen. Sonst stünde die Luft hinter dem Rotor still und könnte nicht mehr abfließen. Der Physiker Albert Betz hat 1926 hergeleitet, dass höchstens 16/27, also rund 59 Prozent, der Windleistung nutzbar sind. Moderne Anlagen kommen dieser theoretischen Grenze unter günstigen Bedingungen schon recht nahe.

Anlaufen, Volllast, Abschalten

Eine Windenergieanlage arbeitet nicht bei jeder Windgeschwindigkeit gleich:

• Bei sehr schwachem Wind steht sie still oder dreht im Leerlauf.
• Ab der Einschaltgeschwindigkeit (bei vielen Anlagen um 3 Meter pro Sekunde) beginnt sie, Strom zu erzeugen. Die Leistung steigt mit dem Wind stark an.
• Ab der Nennwindgeschwindigkeit erreicht sie ihre maximale Leistung, die Nennleistung. Bei noch stärkerem Wind werden die Rotorblätter so verstellt, dass die Leistung konstant bleibt.
• Bei Sturm wird die Anlage zum Schutz abgeregelt oder abgeschaltet. Je nach Hersteller geschieht das abrupt oder schrittweise.

Die genauen Werte stehen in der Leistungskurve des jeweiligen Anlagentyps.

Was bedeuten „Volllaststunden“?

Weil der Wind ständig wechselt, läuft eine Anlage nur selten mit voller Leistung. Um Anlagen und Standorte vergleichbar zu machen, rechnet man den Jahresertrag in sogenannte Volllaststunden um. Gemeint ist die Zahl der Stunden, die die Anlage mit Nennleistung laufen müsste, um denselben Jahresertrag zu erzeugen.

Rechenbeispiel: Eine Anlage mit 5 Megawatt Nennleistung, die an ihrem Standort auf 2.000 Volllaststunden kommt, erzeugt 5.000 kW × 2.000 h = 10 Millionen Kilowattstunden im Jahr. Bei einem angenommenen Verbrauch von 3.500 Kilowattstunden pro Haushalt entspricht das rechnerisch dem Jahresverbrauch von rund 2.850 Haushalten. Das Beispiel dient nur zur Veranschaulichung. Der tatsächliche Ertrag eines Standorts wird vor dem Bau mit unabhängigen Windgutachten ermittelt.

Volllaststunden sind übrigens nicht dasselbe wie Betriebsstunden. Eine Anlage dreht sich und erzeugt Strom an deutlich mehr Stunden im Jahr, meist aber mit Teillast.

Wie schnell ist die Energie für den Bau wieder eingespielt?

Herstellung, Transport, Bau und Rückbau einer Anlage verbrauchen Energie. Nach einer Studie im Auftrag des Umweltbundesamts hat eine Windenergieanlage an Land in Deutschland diese Energie je nach Standort bereits nach wenigen Monaten Betrieb wieder erzeugt. Mehr dazu im Beitrag über Klimabilanz und Recycling.