Funktionsweise einer Windenergieanlage

Im Wesentlichen besteht eine Windenergieanlage aus vier Teilen: Fundament, Turm, Gondel und Rotor. Bei Wind wird der Rotor, bestehend aus Rotorblättern und Nabe, in Bewegung gesetzt. Über eine Welle ist der Rotor mit dem Generator verbunden. In der Regel ist ein Getriebe dazwischen geschaltet, das die langsamen Umdrehungen des Rotors in eine für den Generator geeignete Drehzahl übersetzt. Im Generator erfolgt die Umwandlung der Bewegungsenergie in elektrische Energie.

Der Rotor

Der Rotor besteht aus Rotorblättern und Rotornabe. Moderne Rotorblätter sind aerodynamisch geformt wie Flugzeugflügel. Ihr gewölbtes Profil erzeugt im Windstrom eine Auftriebskraft. Dadurch setzen sich die Rotoren in Bewegung. Dabei wird ein Teil der Bewegungsenergie des Windes über eine Welle auf das Getriebe übertragen.

Windenergieanlagen im Windpark Jänschwalde in der Lausitz haben beispielsweise einen Rotordurchmesser von 90 Metern. Die bei der Rotation der Blätter vom Wind überstrichene Fläche beträgt 6.361 Quadratmeter, was in etwa der Größe eines Fußballfeldes entspricht.

Die Gondel

Die Gondel, auch Maschinenhaus genannt, ist das Herzstück der Anlage. In ihm befindet sich neben dem Getriebe und dem Generator auch die automatische Steuerung der Windenergieanlage, zum Beispiel, um sie stets in Windrichtung zu drehen und die an der Nabe drehbaren Rotorblätter in einen günstigen Winkel in den Wind zu stellen.  

Der Generator ist indirekt durch eine Hauptachse mit dem Rotor verbunden. Ein Getriebe zwischen Rotor und Generator sorgt dafür, dass sie niedrige Rotordrehzahl von rund 6 bis 16 Umdrehungen pro Minute (U/min) auf die höhere Drehzahl von 1.500 U/min des Generators umgewandelt wird. Die Energie, die aus der Bewegung des Rotors entsteht, treibt den Generator an, der den Strom erzeugt. Das funktioniert wie beim Fahrraddynamo, nur in gigantischem Maßstab.  

Der so produzierte Strom wird durch einen Transformator auf Mittelspannung gebracht und dann über eine Sammelleitung zum Umspannwerk transportiert. Hier erfolgt nach Umspannung die Einspeisung in das Hochspannungsnetz.

Der Turm und das Fundament

Bei vielen modernen Windenergieanlagen ist der Turm über 100 Meter hoch. Am Fuß haben die Stahlrohre einen Durchmesser von etwa vier bis sechs Metern, nach oben hin verjüngt sich der Turm. Im Inneren befinden sich eine Leiter und meist auch ein Fahrstuhl für das Wartungspersonal. An der Innenseite des Turms verläuft ein Kabel, mit dem der erzeugte Strom zum Transformator transportiert wird.

Abb.: Funktionsweise einer Windenergieanlage

Der Turm wird auf einem fest im Boden verankerten Fundament errichtet. Bei Offshore-Anlagen werden besondere Ansprüche an das Fundament gestellt, da sie im tiefen Meereswasser verankert werden. Da sich die deutschen Offshore-Windparks außerhalb des Wattenmeeres befinden, müssen die Windräder in bis zu 50 Meter tiefem Wasser errichtet werden.

 Abb.: Je nach Bodenbeschaffenheit und Typ des Windrades kommen unterschiedliche Fundamente zum Einsatz

Die Windgeschwindigkeit

Bei wenig Wind oder Windstille befinden sich die Windenergieanlagen betriebsbereit in Wartestellung. Wenn der Wind eine ausreichende Geschwindigkeit von rund vier Metern pro Sekunde (3 Beaufort) erreicht, nimmt die Anlage automatisch die Erzeugung auf. Bei 12 bis 14 Metern pro Sekunde (6 bis 7 Beaufort) erreicht die Windenergieanlage ihre volle Leistung. Bei starkem Wind, wenn die Windgeschwindigkeit etwa 25 Meter pro Sekunde (10 Beaufort) übersteigt, ist die mechanische Belastung so hoch, dass die Windenergieanlage sich automatisch abschaltet, um unnötigen Verschleiß zu vermeiden.

Fast komplett recyclebar

Eine Windenergieanlage hat eine Lebensdauer von etwa 20 bis 25 Jahren. Die Anlage kann dann komplett demontiert werden. Das verwendete Material ist nahezu vollständig wieder verwertbar, da Stahl, Kupfer und andere Metalle direkt recycelt werden können. Der Standort der Windenergieanlage wird in den ursprünglichen Zustand zurückgeführt. Positiv fällt auch die Energiebilanz einer Windenergieanlage aus: Demnach reichen einer Windturbine an Land zwischen drei Monaten und einem Jahr, um die Energie für Produktion, Aufstellung und Abbau wieder „zurückzugeben“. Untersuchungen für Offshore-Anlagen der Multimegawattklasse haben gezeigt, dass diese bereits innerhalb von vier bis sechs Monate eine positive Energiebilanz aufweisen (Quelle: BWE).