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Kurz gesagt: Der Wind erzeugt an den Rotorblättern Auftrieb – wie an einer Flugzeugtragfläche. Der Rotor dreht sich, treibt einen Generator an, und der erzeugt Strom. Ein Umrichter passt ihn an die Netzfrequenz an, ein Transformator an die Netzspannung.
Ein Windrad wird nicht geschoben. Es wird gezogen.
Warum sich der Rotor dreht
Die Rotorblätter haben das Profil eines Flügels: vorne gerundet, hinten spitz, oben stärker gewölbt als unten. Die Luft strömt über die gewölbte Seite schneller, dort sinkt der Druck – es entsteht Auftrieb quer zur Windrichtung.
Dieser Auftrieb zieht das Blatt seitlich, und weil es an der Nabe befestigt ist, dreht sich der Rotor. Deshalb erreichen die Blattspitzen ein Vielfaches der Windgeschwindigkeit.
Das Blatt ist über seine Länge verdreht: Innen bewegt es sich langsam, außen schnell – der Anströmwinkel ist an jeder Stelle ein anderer.
Der Weg zum Strom
Rotor. Dreht sich je nach Anlage mit etwa 5 bis 15 Umdrehungen pro Minute.
Getriebe. Übersetzt die langsame Drehung auf die hohe Drehzahl, die ein klassischer Generator braucht. Getriebelose Anlagen mit langsam laufendem Ringgenerator sparen sich diesen Schritt.
Generator. Wandelt die Drehung in elektrische Energie.
Umrichter. Da der Wind schwankt, schwankt auch die Frequenz. Der Umrichter erzeugt daraus die exakt 50 Hertz des Netzes.
Transformator. Hebt die Spannung auf Netzniveau an.
Wie sich die Anlage ausrichtet
Ein Windmesser auf der Gondel misst Richtung und Geschwindigkeit. Motoren drehen die Gondel in den Wind. Zusätzlich lassen sich die Blätter um ihre Längsachse verstellen – die Pitch-Regelung.
Über diese Verstellung regelt die Anlage ihre Leistung: Bei viel Wind werden die Blätter aus dem Wind gedreht, damit Generator und Struktur nicht überlastet werden.
Wann sie abschaltet
Unter etwa 3 Metern pro Sekunde lohnt sich der Betrieb nicht, die Anlage steht. Ab etwa 25 Metern pro Sekunde – also Sturm – dreht sie die Blätter ganz aus dem Wind und bremst. Nicht aus Schwäche, sondern zum Schutz.
Die physikalische Grenze
Kein Windrad kann die gesamte Energie des Windes entnehmen, sonst würde die Luft dahinter stehenbleiben und nichts könnte nachströmen. Das theoretische Maximum liegt bei rund 59 Prozent, moderne Anlagen erreichen etwa 45 bis 50.
Der Aufbau einer Anlage
Eine Windenergieanlage besteht aus Fundament, Turm, Maschinenhaus und Rotor. Im Maschinenhaus sitzen je nach Bauart Getriebe, Generator, Bremse und Steuerung. Der Turm ist meist aus Stahl oder Beton gefertigt.
Das Fundament muss die Kippkräfte aufnehmen und besteht aus mehreren hundert Kubikmetern Beton mit Bewehrung. Seine Dimensionierung richtet sich nach Baugrund und Anlagengröße. Beim Rückbau wird es je nach Auflage vollständig entfernt.
Für Wartung und Reparatur gibt es einen Aufzug oder eine Leiter im Turm. Arbeiten in großer Höhe unterliegen besonderen Sicherheitsvorschriften. Servicetechniker durchlaufen dafür eigene Ausbildungen.
Getriebe oder Direktantrieb
Klassische Anlagen wandeln die langsame Rotordrehzahl über ein Getriebe in eine hohe Generatordrehzahl um. Getriebe sind wartungsintensiv und eine häufige Ausfallursache. Deshalb setzen viele neuere Anlagen auf getriebelose Konzepte.
Bei Direktantrieben läuft ein großer, langsam drehender Generator ohne Getriebe. Das reduziert Verschleiß, erhöht aber Gewicht und Materialeinsatz. Beide Konzepte werden parallel gebaut.
Der erzeugte Strom hat zunächst variable Frequenz und wird über einen Umrichter netzkonform aufbereitet. Anschließend transformiert ein Trafo auf die Netzspannung. Erst dann erfolgt die Einspeisung.
Warum Anlagen abgeregelt werden
Bei starkem Wind wird die Leistung durch Verstellen der Rotorblätter begrenzt, um Bauteile zu schützen. Oberhalb einer Grenzgeschwindigkeit schaltet die Anlage ganz ab. Diese Werte stehen in der Anlagenkennlinie.
Abgeregelt wird außerdem bei Netzengpässen, wenn mehr Strom erzeugt als abtransportiert werden kann. Die dabei entgangene Menge wird erfasst und entschädigt. Diese Zahlen veröffentlicht die Bundesnetzagentur.
Weitere Abschaltungen erfolgen aus Naturschutzgründen, etwa in Zeiten hoher Fledermausaktivität, sowie zur Vermeidung von Schattenwurf an Wohnhäusern. Solche Auflagen stehen in der Genehmigung. Sie werden automatisch gesteuert.
Lärm und Schattenwurf
Geräusche entstehen vor allem aerodynamisch an den Blattspitzen und mechanisch im Maschinenhaus. Moderne Blätter haben gezackte Hinterkanten, die den Schall messbar reduzieren. Die Einhaltung der Grenzwerte wird durch Messungen überprüft.
Bewegter Schatten kann bei tiefstehender Sonne an Wohnhäusern auftreten. Genehmigungen begrenzen die zulässige Dauer pro Tag und Jahr. Anlagen schalten dafür zeitgesteuert ab.
Beschwerden nimmt die Genehmigungsbehörde entgegen, die Messungen anordnen kann. Betreiber sind zur Mitwirkung verpflichtet. Diese Verfahren sind dokumentiert.
Wie Erträge berechnet werden
Vor dem Bau wird über Messungen und Modelle ein Windgutachten erstellt, das den erwarteten Jahresertrag schätzt. Es ist Grundlage für Finanzierung und Genehmigung. Abweichungen zwischen Prognose und Realität sind ein bekanntes Thema.
Angegeben wird häufig die Zahl der Volllaststunden, also der rechnerischen Stunden mit voller Leistung. An Land liegt sie deutlich niedriger als auf See. Diese Kennzahl erlaubt Vergleiche zwischen Standorten.
Wartung, Versicherung und Pacht mindern den Ertrag. Über die Lebensdauer machen sie einen erheblichen Anteil aus. In Wirtschaftlichkeitsrechnungen werden sie gesondert ausgewiesen.
Was mit alten Anlagen geschieht
Nach dem Ende der Betriebsdauer werden Anlagen zurückgebaut, wobei Stahl, Kupfer und Beton weitgehend verwertet werden. Schwieriger sind die Rotorblätter aus Verbundwerkstoffen. Für sie werden Verfahren zur stofflichen Verwertung entwickelt.
Ein Teil der Blätter wird derzeit in Zementwerken energetisch und stofflich verwertet. Andere Konzepte sehen Zerkleinerung und Wiederverwendung als Füllstoff vor. Die Verfahren sind Gegenstand aktueller Forschung.
Der Rückbau ist verpflichtend und finanziell abzusichern. Die Sicherheitsleistung wird bei der Genehmigung festgelegt. Damit soll verhindert werden, dass Anlagen stehen bleiben.
Häufige Fragen
Wie viel Strom liefert eine Anlage?
Moderne Anlagen an Land haben meist 4 bis 6 Megawatt Nennleistung. Was tatsächlich zusammenkommt, hängt vom Standort ab.
Warum stehen Windräder manchmal still, obwohl es weht?
Wartung, Netzengpässe oder Abschaltauflagen, etwa zum Schutz von Fledermäusen in bestimmten Nachtstunden.
Wie lange hält eine Anlage?
Die Auslegung liegt bei etwa 20 bis 25 Jahren.
Warum haben manche Anlagen kein Getriebe?
Direktantriebe reduzieren Verschleiß und Wartung.
Warum werden Anlagen abgeregelt?
Wegen Sturm, Netzengpässen oder Naturschutzauflagen.
Was passiert mit alten Rotorblättern?
Sie werden derzeit überwiegend in Zementwerken verwertet.
Quellen
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