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Wie entsteht Windenergie?

Bei der Energieerzeugung spielen die Windenergieanlagen zur Stromgewinnung eine immer wichtigere Rolle. Doch wie funktionieren diese Anlagen eigentlich?

Windkraft erzeugt keine Treibstoffkosten oder CO2-Emissionen und ist die am schnellsten wachsende Energiequelle. In den letzten 20 Jahren hat sich die Windkraft von einer Technologie, die wenig Investoren anzog, zu einer technischen Innovation entwickelt, die in der gesamten EU auf breites Anlegerinteresse stößt.

Von Wind zu Strom

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Onshore Windfarm in Zeewolde, Niederlande. Foto: Jorrit Lousberg

Wind wird durch Windenergieanlagen in Strom umgewandelt. Die Windenergieanlagen werden häufig als Gruppe an Land (onshore) oder vor der Küste (offshore) installiert. Windenergieanlagen an Land sind in der Regel höher als Anlagen auf See, da hier oft größere Turbulenzen aufgrund der geografischen Gegebenheiten, wie zum Beispiel Waldgebieten oder Erhebungen, auftreten. Eine Windenergieanlage besteht aus einem Fundament, einem Turm, einem Rotor (Nabe und Rotorblätter) und einer Gondel, in der das Getriebe und der Generator untergebracht sind.

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Illustration der Funktion einer Windturbine, Grafik: Vattenfall

Der Wind streift an den Rotorblättern entlang und erzeugt damit Auftriebskräfte, welche die Rotorblätter und damit Nabe und Hauptwelle antreiben. Die leichten Rotorblätter bestehen in der Regel aus extrem strapazierfähigem Kunststoff, der durch Glasfasern verstärkt wird und sind zudem mit einem Blitzschutzsystem ausgestattet. Zwischen dem Rotor und dem Generator ist in den meisten Anlagen ein Getriebe installiert, welches die Drehung des langsam laufenden Rotors auf eine für den Generator geeignete Geschwindigkeit beschleunigt. Der Generator wandelt die Bewegungsenergie in elektrischen Strom um.

In den Wind gedreht

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Modell einer Windenergieanlage, Grafik: Vattenfall

Je nach Turbinenkonzept sorgt ein Voll- oder Teilumrichter zuvor dafür, dass der erzeugte Strom an die Netzfrequenz angepasst wird. Bei getriebelosen Anlagen kommen Generatoren zum Einsatz, welche einen wesentlich größeren Durchmesser haben als Generatoren von Windenergieanlagen, in denen ein Getriebe verbaut ist. Spezielle Motoren sorgen automatisch dafür, dass die Anlage in den Wind gedreht wird, sobald die verbaute Messeinheit eine längerfristige Richtungsänderung des Windes erkannt hat. So kann der Wind aus verschiedenen Richtungen zur Energieerzeugung optimal genutzt werden.

Die typische Leistung heute gängiger Windenergieanlagen liegt bei etwa 2 bis 5 Megawatt (MW) für Onshore-Anlagen und bis zu 8,4 MW für Offshore-Anlagen der neusten Generation, wie beispielsweise für den geplanten Vattenfall Offshore-Windpark Horns Rev 3.

Windenergieanlagen im Windpark

Ein großer Windpark kann aus hunderten Windenergieanlagen bestehen, die über ein Übertragungssystem (Leitungen) verbunden sind. Je nach Standort und vorherrschender Windstärke besteht zwischen den einzelnen Windenergieanlagen eines Windparks eine Distanz von vier bis zehn Rotordurchmessern. Auf diese Weise können Effizienzverluste minimiert werden, die entstehen, wenn Anlagen sich im Windpark gegenseitig abschatten. Aktuell baut Vattenfall den Offshore-Windpark Sandbank, welcher auf einer Fläche von über 50 Quadratkilometern aus 72 Windenergieanlagen der 4-MW-Klasse besteht.

Starker Wind gewünscht

Bei Gewitter oder Windstille, stellen die Turbinen auf einen Standby-Modus um. Kann keine Windenergie erzeugt werden, kommen andere Energiearten für die Stromversorgung zum Einsatz. Sobald jedoch eine Windgeschwindigkeit von mindestens 14 Kilometer pro Stunde (km/h) erreicht wird, setzt sich die Turbine automatisch in Gang. Bei welcher Windgeschwindigkeit die Turbine Nennleistung erzeugt, ist von der modellspezifischen Leistungskennlinie abhängig. Entsprechend ist eine sorgfältige Auswahl des für den jeweiligen Standort am besten geeigneten Turbinentyps von entscheidender Bedeutung. In der Regel wird die volle Auslastung der Turbine jedoch bei Windgeschwindigkeiten von 12 bis 14 Metern pro Sekunde, (43 bis 50 km/h) erreicht. Steigt die Windgeschwindigkeit nach Erreichen der Nennleistung weiter an, wird die aus der Auftriebskraft resultierende Rotorleistung durch aerodynamische Maßnahmen begrenzt, um diese vorgegebene Nennleistung nicht zu übersteigen. Dies könnte zu Überlastungen und Materialschäden führen. Eine Möglichkeit ist dabei die sogenannte Pitch-Regelung, bei der die Vorderkante der Rotorblätter in den Wind gedreht wird (Fahnenstellung), um so die Auftriebskräfte zu verringern. Steigt die Windgeschwindigkeit auf über 90 Stundenkilometern an, schaltet sich die Turbine ab, um unnötige Abnutzung zu verhindern.

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Experte René Kaufmann

Nach meinem Maschinenbaustudium in Aachen und der abschließenden Diplomarbeit im Bereich faserverstärkter Kunststoffe bei Airbus in Bremen im Jahr 2009, war ich zunächst für einen Windenergieanlagenhersteller tätig. Im Jahr 2012 zog es mich nach Hamburg und bin seitdem bei der Vattenfall Windkraft GmbH als Project Manager Wind Turbines angestellt. Von Beginn an begleite ich den Bau des Offshore Windparks Sandbank durch alle Planungs- und Realisierungsphasen und bin aktuell für die Qualitätsüberwachung der Komponenten der Windenergieanlagen zuständig. Besonders gut gefällt mir die Zusammenarbeit in einem jungen, motivierten, internationalem Team und die Mitwirkung an Themen hoher gesellschaftlicher und politischer Aufmerksamkeit.

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