Aus Wind mach Strom

Seit Jahrtausenden nutzt der Mensch die Kraft des Windes: Vor mehr als 4000 Jahren wurden die ersten Windmühlen errichtet, um mithilfe der Windkraft Getreide zu mahlen. Seit dem Altertum wird Windenergie zudem zur Fortbewegung z.B. mit Segelschiffen genutzt. Den Wind als Energiequelle zu nutzen, ist also keinesfalls neu. In der heutigen Zeit, aufgrund geringer werdender Ressourcen an Erdöl und Erdgas, bekommt Windenergie aber eine völlig neue Bedeutung, da der Wind als unerschöpflich nutzbare Energiequelle betrachtet werden kann.

Energie kann nach dem physikalischen Energieerhaltungssatz weder erzeugt noch verbraucht oder zerstört werden. Sie kann jedoch in verschiedene Formen umgewandelt werden, was auch bei Windkraftanlagen genutzt wird: Die Bewegungsenergie (kinetische Energie) des Windes kann vom Rotor einer Windkraftanlage in Rotationsenergie umgesetzt werden, diese wiederum wird durch den angeschlossenen Generator in elektrische Energie umgewandelt.

Die Leistungsfähigkeit (Wirkungsgrad) einer Windkraftanlage wird folglich an der Menge der elektrischen Energie gemessen, die aus der kinetischen Energie des Windes umgewandelt werden konnte. Je mehr kinetische Energie dem Wind von einer Windkraftanlage entzogen wird, umso stärker wird der Wind abgebremst. Wenn man versuchen würde, die gesamte Energie aus dem Wind zu gewinnen, dann hätte die Luft hinter dem Rotor die Geschwindigkeit null, d.h. sie würde die Windkraftanlage nicht verlassen, was praktisch nicht möglich ist, da die Luft hinter der Anlage abgeführt werden muss und hierfür einen Teil ihrer Bewegungsenergie benötigt. Man kann also nur einen bestimmten Anteil der kinetischen Energie in Rotationsenergie umwandeln, nämlich maximal 59,3 % (Gesetz von Betz). Die besten heutigen drei-blättrigen Rotoren erzielen bereits Werte von ca. 50 %.

Offenkundig ist die Windgeschwindigkeit von entscheidender Bedeutung für die Energieausbeute einer Windkraftanlage. Denn die Energie des Windes, die für die Umwandlung in Rotationsenergie zur Verfügung steht, steigt mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit. Aufgrund dieser Beziehung wächst bei doppelter Windgeschwindigkeit das Energieangebot an die Rotoren um das Achtfache! Deshalb ist es wichtig, Windenergieanlagen an Orten mit möglichst hohen Windgeschwindigkeiten aufzustellen. In Deutschland sind das insbesondere die Nordsee- und Teile der Ostseeküste sowie höhere Berglagen. Immer mehr Bedeutung gewinnen Windturbinen auf See, sogenannte Offshore-Anlagen. Ab einer mittleren jährlichen Windgeschwindigkeit von 4-5 m/s kann eine gute Leistung erzielt werden und die Windkraft ist geeignet, wirtschaftlich Elektrizität bereitzustellen.

Am heutigen Samstag sind die Windräder dank Tief THOMAS in Deutschland ganz schön am "rotieren": Bei Böen zwischen 50 und 70, lokal auch um die 80 km/h (Bft 7-9) wird sicherlich die ein oder andere Kilowattstunde an Strom erzeugt (morgen in der Mitte und im Süden im Übrigen noch einmal, dann durch die kurze Stippvisite von Tief UWE). Noch höhere Windgeschwindigkeiten sind heute nicht nur auf exponierten Berggipfeln, sondern auch auf der Nordsee zu erwarten. Gute Aussichten also für Offshore-Anlagen? Nicht unbedingt: Ab ca. 90 km/h (Bft 10) werden die meisten Windkraftanlagen abgeschaltet, bzw. stellen sich die Rotorblätter automatisch waagrecht zum Wind um eventuelle Schäden zu vermeiden. "Viel hilft viel" trifft hier also nicht zu ?

Dipl.-Met. Magdalena Bertelmann
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 09.02.2019