5 Fakten über Windkraftanlagen

Daher weht der Wind!

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Die Windenergie spielt eine tragende Rolle beim Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland. An Land und auf See liefert sie mittlerweile einen Anteil von rund 16 Prozent der gesamten Stromerzeugung und ca. die Hälfte aus allen erneuerbaren Energien in Deutschland. In vielen Regionen sind Windkraftanlagen Teil der Landschaft geworden und auch auf hoher See liefern riesige Offshore Parks stetig neue Energie. Doch wie genau funktionieren diese Anlagen eigentlich und was können wir noch in der Zukunft erwarten? Wir beantworten die 5 wichtigsten Fragen:

1. Warum besitzen moderne Windkraftanlagen immer drei Flügel?

Generell stellen 3 Rotorblätter das technisch-wirtschaftliche Optimum dar. Das hat verschiedene Gründe: Rotorblätter sind aufgrund ihrer Komplexität und Größe sehr teure Komponenten. Aus Kostengründen wird daher versucht, so wenige wie möglich zu nutzen. Bei einer Windkraftanlage mit 3 Blättern läuft der Rotor quasi rund und die Schwingungsbelastungen auf die gesamte Anlage sind relativ gering. Zudem müssten Zweiflügler mit etwas höherer Drehzahl laufen, um den optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, was zu höherer Schallemissionen und mehr Verschleiß führen würde. 2-Flügler würden optisch sehr unruhig laufen und in etwa aussehen, wie ein „Verkehrspolizist“, der ständig die Arme hoch und seitlich ausstreckt.

Bild: Jan Liersch

2. Warum drehen sich die Rotoren immer im Uhrzeigersinn?

Überall auf der Welt drehen sich die Rotoren von Windkraftanlagen im Uhrzeigersinn. Dies hat weder einen technischen, noch eine physikalischen Grund, sondern ist nur eine „gewachsene“ Vereinbarung der Windindustrie, auch wenn es dafür keine offizielle Norm gibt. Würde man nun auch linksdrehende Windkraftanlagen bauen wollen, bräuchte man auch „spiegelverkehrte“ Rotorblätter. Das wäre zwar technisch in der Herstellung kein Problem, würde aber extrem störend wirken, wenn im Gesamtbild einige Rotoren rechts drehen würden und andere links herum.

3. Was passiert, wenn sich die Windrichtung ändert?

Moderne Windkraftanlagen messen auf der so genannten Gondel kontinuierlich die Windrichtung. Verändert sich diese um mehr als z.B. 10°, reagiert die Anlage darauf, indem sie sich mit den so genannten Azimutantrieben wieder in den Wind dreht. Diese Nachführmanöver benötigen jedoch zusätzliche Antriebsenergie und der Windrotor erfährt zusätzliche Kräfte. Das führt zu einem erhöhten Verschleiß. Daher werden Windräder nicht ständig in den Wind nachgeführt, sondern warten eine gewisse Weile, bis eine neue Windrichtung eingestellt wird.

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4. Warum sind die Rotorblätter verhältnismäßig schmal? Würden größere Rotorblätter nicht mehr Windenergie nutzen können?

Der Begriff „Größe“ wird bei Rotorblättern synonym für deren Länge verwendet und diese ist in den letzten Jahrzehnten ständig gewachsen. Bei den typischen Windkraftanlagen von 1983 zum Beispiel waren die Rotorblätter nicht einmal 10m lang. Heutige Prototypen kommen auf ca. 100m. Die Blatttiefe, d.h. wie „schmal“ das Rotorblatt von Vorderkannte zu Hinterkante ist, wird transportbedingt begrenzt durch die Höhe von Brückendurchfahren auf ca. 4,2m. Ausnahmen gibt es nur, wenn das Rotorblatt bei jeder Brücke in flache Position gedreht werden kann. Dies wird zwar in Einzelfällen gemacht, erhöht jedoch den Zeitaufwand für den Transport enorm.
Wieviel Energie ein Blattabschnitt nun aus dem Wind erntet, hängt neben der Blattfläche im Ringschnitt auch von der Umgangsgeschwindigkeit (Fahrtwind aus Drehgeschwindigkeit) ab. Am Außenradius, der Blattspitze, die sich mit bis zu 300 km/h dreht, ist nur eine kleine Fläche bzw. Blatttiefe notwendig um optimal Leistung aus dem Wind zu entnehmen, weswegen die Blätter nach außen hin schmaler werden. Im Innenbereich, der sich (bei gleicher Drehzahl) mit langsamerer Geschwindigkeit dreht, ist eine größere Blatttiefe nötig. Besäßen Windkraftanlagen Rotorblätter mit einer größeren Blatt-Tiefe, gäbe es zudem Probleme bei Stürmen. Hier würden enorme Kräfte auch im Stillstand auftreten, die nur durch deutlich erhöhten Materialaufwand bei der Standfestigkeit der gesamten Anlage ausgeglichen werden könnten, was wiederum auch höhere Kosten bedeuten würde.

5. Geht der Trend weiter zu immer größeren Anlagen oder ist ab einer gewissen Höhe das Verhältnis Kosten/Nutzen nicht mehr gegeben?

Schon jetzt sind Aufbau und Transport von Windkraftanlagen aufgrund der großen Dimensionen der einzelnen Komponenten –vor allem Turmsegmente und Rotorblatt- sehr aufwändig, zeitintensiv und teuer. Dieser Aufwand würde sich bei noch größeren Anlagen weiter intensivieren. Dennoch geht der Trend weiter zu immer größeren Anlagen. Dies begründet sich in der besseren Ausnutzung der Fläche, also mehr Leistung und Energieertrag je km², und der günstigeren Wartung je Anlage, da weniger große Windkraftanlagen weniger Aufwand als viel Kleine. Der Energieertrag ist in großen Höhen besser, da hier auch mehr Windgeschwindigkeit zu erwarten ist. Es handelt sich also immer um ein technisch-wirtschaftliches Optimum zwischen Kosten und Ertrag.

Insgesamt geht der Trend dahin, die Windkraftanlagen dem Standort immer besser anzupassen. Das Leistungswachstum z.B. für Offshore-Anlagen (Windkraftanlagen auf See) geht weiter stark voran, während an Land eher der Rotordurchmesser größer wird, um auch bei vergleichsweise kleinen Windgeschwindigkeiten guten Energieertrag zu haben. Auch für Anwohner sind große Windkraftanlagen „schöner“ als viele kleine, da sie sich langsamer drehen und die Landschaft nicht so stark verändert wird. Das heißt, die Akzeptanz in der Bevölkerung steigt.
Ein weiterer Trend geht auch dahin, „kleine Lücken“ zu füllen und in Standorte mit extremen Wetterbedingungen zu gehen. Dort wird man auf mittlere Anlagengrößen zurückgreifen für die man auf mehr Erfahrungen zurückgreifen kann. Vor allem bei Offshore-Anlagen ist der Transport und Aufbau von Windkraftanlagen so teuer, dass sich das nur bei sehr großen Anlagen rentiert. Hier sind wenige große Windkraftanlagen deutlich sinnvoller als viele kleine. Der Zeitaufwand für die Wartung Offshore wird vor allem durch den aufwändigen Zugang bestimmt.
Zusammenfassend lässt sich jedoch sagen, dass die Durchschnittsgröße der Anlagen in den nächsten Jahren immer größer wird. Schon jetzt steht in Bremerhaven die größte Windkraftanlage der Welt mit einem Rekord-Rotordurchmesser von 180m an der Nabe. Doch auch dieser Rekord wird vermutlich nicht lange Bestand haben.
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Autor: Jan Liersch, Geschäftsführer der Key Wind Energy GmbH in Berlin

 

 

 

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