Definition: Was ist Windenergie?
Windenergie bezeichnet die Nutzung der Bewegungsenergie strömender Luft. Moderne Windenergieanlagen wandeln diese Energie über Rotorblätter, eine Welle und einen Generator in elektrischen Strom um. Windenergie gehört zu den erneuerbaren Energiequellen und benötigt während des Betriebs keine Verbrennung fossiler Brennstoffe.
Sie ist ein zentraler Bestandteil einer klimafreundlichen Stromversorgung. Gleichzeitig benötigt sie geeignete Standorte, Stromnetze und Flächen und kann Auswirkungen auf Landschaft, Tiere und Anwohner haben. Eine nachhaltige Nutzung verbindet daher Energieerzeugung mit sorgfältiger Planung und Naturschutz.
Entstehung von Wind
Wind entsteht hauptsächlich durch unterschiedliche Erwärmung der Erdoberfläche durch die Sonne. Dadurch bilden sich Unterschiede in Temperatur und Luftdruck.
Luft bewegt sich zwischen Gebieten unterschiedlichen Drucks und erzeugt Wind.
Sonnenenergie als Ursprung
Windenergie ist damit indirekt eine Form der Sonnenenergie.
Die Sonne treibt atmosphärische Zirkulationen an, die wiederum Luftbewegungen erzeugen.
Windgeschwindigkeit
Die verfügbare Windenergie hängt sehr stark von der Windgeschwindigkeit ab.
Schon relativ kleine Unterschiede können die mögliche Stromproduktion deutlich verändern.
Energiegehalt
Mit steigender Windgeschwindigkeit nimmt die im Luftstrom enthaltene Leistung stark zu.
Deshalb sind windreiche Standorte für die Stromerzeugung besonders wertvoll.
Aufbau einer Windenergieanlage
Eine typische Windenergieanlage besteht aus Fundament, Turm, Gondel, Rotor und elektrischen Komponenten.
Die einzelnen Bauteile müssen über viele Jahre wechselnden Windlasten standhalten.
Rotor
Der Rotor besteht meist aus mehreren langen Rotorblättern, die sich durch die Luftströmung drehen.
Er nimmt einen Teil der kinetischen Energie des Windes auf.
Rotorblätter
Rotorblätter besitzen ein aerodynamisches Profil, das dem Prinzip von Tragflächen ähnelt.
Die Luftströmung erzeugt Kräfte, die den Rotor in Drehung versetzen.
Faserverbundwerkstoffe
Rotorblätter bestehen häufig aus glas- oder kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen.
Diese Materialien verbinden geringes Gewicht mit hoher Festigkeit.
Gondel
Die Gondel befindet sich auf dem Turm und enthält zentrale technische Komponenten.
Dazu gehören Generator, Lager, Steuerung und je nach Anlagenkonzept ein Getriebe.
Generator
Der Generator wandelt die mechanische Rotationsenergie in elektrischen Strom um.
Die erzeugte elektrische Energie wird anschließend an das Stromnetz angepasst.
Getriebe
Bei bestimmten Windenergieanlagen erhöht ein Getriebe die relativ niedrige Drehzahl des Rotors auf eine für den Generator geeignete Drehzahl.
Andere Anlagen arbeiten ohne klassisches Getriebe.
Direktantrieb
Direkt angetriebene Generatoren können auf ein großes Getriebe verzichten.
Dafür benötigen sie andere Generatorbauformen und teilweise größere Materialmengen.
Turm
Der Turm bringt den Rotor in größere Höhe, wo der Wind häufig stärker und gleichmäßiger weht.
Türme können aus Stahl, Beton oder Kombinationen verschiedener Materialien bestehen.
Nabenhöhe
Die Nabenhöhe bezeichnet die Höhe der Rotorachse über dem Boden.
Größere Nabenhöhen ermöglichen die Nutzung höherer und oft gleichmäßigerer Windgeschwindigkeiten.
Rotorfläche
Die Fläche, die vom Rotor überstrichen wird, bestimmt, wie viel Wind eingefangen werden kann.
Längere Rotorblätter vergrößern diese Fläche erheblich.
Moderne Anlagen
Größere Rotoren ermöglichen auch an Standorten mit mittleren Windgeschwindigkeiten höhere Erträge.
Dadurch hat sich das Spektrum geeigneter Standorte erweitert.
Leistung einer Windenergieanlage
Die Nennleistung beschreibt die maximale elektrische Leistung, für die eine Anlage ausgelegt ist.
Im realen Betrieb wird diese Leistung nur bei geeigneten Windgeschwindigkeiten erreicht.
Volllaststunden
Volllaststunden dienen dazu, den Jahresertrag mit der Nennleistung einer Anlage zu vergleichen.
Windreiche Standorte erreichen im Allgemeinen höhere Werte.
Leistungskennlinie
Windenergieanlagen beginnen erst ab einer bestimmten Mindestwindgeschwindigkeit Strom zu erzeugen.
Mit zunehmendem Wind steigt die Leistung bis zur Nennleistung an.
Abschaltgeschwindigkeit
Bei extrem starkem Wind werden Anlagen aus Sicherheitsgründen abgeschaltet.
Dadurch werden Rotor und Struktur vor zu hohen Belastungen geschützt.
Windnachführung
Die Gondel einer modernen Anlage kann um den Turm gedreht werden, damit der Rotor zum Wind ausgerichtet bleibt.
Sensoren erfassen dafür Windrichtung und Windgeschwindigkeit.
Pitch-Regelung
Rotorblätter können um ihre Längsachse gedreht werden.
Dadurch lässt sich die aufgenommene Leistung steuern und bei starkem Wind begrenzen.
Windparks
Mehrere Windenergieanlagen werden häufig räumlich zu einem Windpark zusammengefasst.
Dadurch können gemeinsame Netzanbindungen und Infrastruktur genutzt werden.
Abstände
Windenergieanlagen beeinflussen die Luftströmung hinter dem Rotor.
Ausreichende Abstände reduzieren gegenseitige Abschattung und Turbulenzen.
Nachlaufeffekt
Hinter einer Windenergieanlage ist die Windgeschwindigkeit zunächst geringer und die Strömung turbulenter.
Dieser Bereich wird als Nachlauf bezeichnet.
Parkplanung
Die Anordnung von Anlagen wird so optimiert, dass Nachlaufverluste möglichst gering bleiben.
Windrichtung und Gelände spielen dabei eine wichtige Rolle.
Windenergie an Land
Windenergieanlagen an Land werden als Onshore-Windenergie bezeichnet.
Sie können in offenen Landschaften, landwirtschaftlich genutzten Gebieten und teilweise in Wäldern errichtet werden.
Standortwahl
Gute Standorte verbinden ausreichendes Windangebot mit Netznähe und möglichst geringen Konflikten mit Natur und Bevölkerung.
Planungsprozesse müssen zahlreiche Anforderungen berücksichtigen.
Offshore-Windenergie
Offshore-Windenergieanlagen werden im Meer errichtet. Dort weht der Wind häufig stärker und gleichmäßiger als an Land.
Dadurch können hohe Stromerträge erzielt werden.
Meeresbedingungen
Salzwasser, Wellen und Stürme stellen hohe Anforderungen an Bauweise und Wartung.
Offshore-Anlagen sind deshalb technisch aufwendiger als viele Anlagen an Land.
Fundamente im Meer
Offshore-Windenergieanlagen können auf festen Fundamenten stehen oder schwimmend verankert sein.
Welche Technik eingesetzt wird, hängt vor allem von der Wassertiefe ab.
Schwimmende Windenergie
Schwimmende Plattformen ermöglichen Windenergienutzung auch in tieferen Meeresgebieten.
Sie benötigen spezielle Verankerungen und flexible Stromkabel.
Netzanbindung
Windenergieanlagen müssen mit dem Stromnetz verbunden werden. Bei großen Windparks können zusätzliche Umspannwerke und Leitungen notwendig sein.
Offshore-Anlagen benötigen Seekabel bis zum Festland.
Netzausbau
Windreiche Regionen liegen nicht immer dort, wo besonders viel Strom verbraucht wird.
Netzausbau ermöglicht den Transport zwischen Erzeugungs- und Verbrauchsgebieten.
Schwankende Stromerzeugung
Windenergie ist wetterabhängig. Die Stromproduktion verändert sich mit der Windgeschwindigkeit.
Sie lässt sich deshalb nicht vollständig nach dem momentanen Strombedarf steuern.
Prognosen
Wettermodelle ermöglichen relativ genaue Vorhersagen der Windstromproduktion.
Diese Prognosen helfen Netzbetreibern bei der Planung des Stromsystems.
Windenergie und Solarenergie
Wind- und Solarstrom können sich zeitlich teilweise ergänzen. Windenergie liefert häufig auch nachts und im Winter Strom.
Photovoltaik erzeugt dagegen besonders an sonnigen Tagen hohe Leistungen.
Erzeugungsmix
Eine Kombination verschiedener erneuerbarer Energiequellen reduziert die Abhängigkeit von einem einzelnen Wetterfaktor.
Stromnetze und Speicher ergänzen diesen Ausgleich.
Dunkelflaute
Als Dunkelflaute werden Phasen bezeichnet, in denen gleichzeitig wenig Wind weht und wenig Solarstrom erzeugt wird.
Solche Perioden stellen besondere Anforderungen an ein erneuerbares Stromsystem.
Ausgleichsmöglichkeiten
Stromspeicher, flexible Nachfrage, Netzaustausch und regelbare Kraftwerke können solche Phasen überbrücken.
Langfristig können auch chemische Energiespeicher eine Rolle spielen.
Windenergie und Stromspeicher
Speicher können überschüssigen Windstrom aufnehmen und später wieder bereitstellen.
Unterschiedliche Speichertechnologien eignen sich für unterschiedliche Zeiträume.
Batteriespeicher
Batterien reagieren sehr schnell und eignen sich besonders für kurzfristige Schwankungen.
Für sehr lange Speicherzeiten sind andere Technologien erforderlich.
Windenergie und Wasserstoff
Windstrom kann über Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff genutzt werden.
Dadurch lässt sich elektrische Energie in chemischer Form speichern.
Umwandlungsverluste
Die Herstellung und spätere Nutzung von Wasserstoff verursacht jedoch erhebliche Energieverluste.
Direkte Stromnutzung ist daher möglichst vorzuziehen.
Windenergie und Klimaschutz
Windenergie benötigt im Betrieb keine fossile Verbrennung und verursacht daher keine direkten Kohlendioxidemissionen aus Brennstoffen.
Emissionen entstehen vor allem bei Herstellung, Bau, Wartung und Rückbau.
Lebenszyklus
Über die gesamte Lebensdauer verteilt sind die Treibhausgasemissionen von Windstrom vergleichsweise gering.
Die Anlage erzeugt während ihrer Betriebszeit ein Vielfaches der Energie, die für Herstellung und Errichtung benötigt wurde.
Materialbedarf
Windenergieanlagen benötigen Stahl, Beton, Kupfer, Kunststoffe und weitere Materialien.
Bestimmte Generatorbauformen können zusätzliche Spezialmetalle enthalten.
Ressourceneffizienz
Eine lange Lebensdauer und hohe Stromerträge verbessern das Verhältnis zwischen Materialaufwand und erzeugter Energie.
Recycling spielt zusätzlich eine wichtige Rolle.
Recycling von Windenergieanlagen
Große Teile einer Windenergieanlage bestehen aus Metallen und mineralischen Materialien, die grundsätzlich recycelt werden können.
Besondere Herausforderungen bestehen bei faserverstärkten Rotorblättern.
Rotorblattrecycling
Glas- und Kohlenstofffasern sind fest mit Kunstharzen verbunden.
Mechanische, thermische und chemische Verfahren zur Rückgewinnung werden weiterentwickelt.
Fundamente
Fundamente enthalten große Mengen Beton und Stahl und müssen die Kräfte der Anlage sicher in den Untergrund übertragen.
Beim Rückbau können Beton und Metalle aufbereitet werden.
Flächenwiederherstellung
Nach dem Ende der Nutzung können Standorte zurückgebaut und Flächen teilweise wieder anderen Nutzungen zugeführt werden.
Der Umfang hängt von Genehmigungen und örtlichen Bedingungen ab.
Flächenbedarf
Windparks benötigen große Abstände zwischen einzelnen Anlagen, doch nicht die gesamte dazwischenliegende Fläche wird dauerhaft versiegelt.
Landwirtschaft kann zwischen Anlagen häufig fortgeführt werden.
Direkte Flächeninanspruchnahme
Fundamente, Wege und technische Einrichtungen beanspruchen nur einen Teil der Gesamtfläche eines Windparks.
Dennoch können Erschließungswege und Bauarbeiten Lebensräume beeinflussen.
Windenergie im Wald
Windenergieanlagen können unter bestimmten Bedingungen auch in Waldgebieten errichtet werden.
Dafür müssen Flächen für Fundament, Kranstellplatz und Wege freigemacht werden.
Waldökologische Auswirkungen
Rodungen und Erschließung können Waldinnenklima und Lebensräume verändern.
Standortwahl und Ausgleichsmaßnahmen sind deshalb besonders wichtig.
Vogelschutz
Vögel können mit Windenergieanlagen kollidieren. Das Risiko unterscheidet sich stark nach Art, Standort und Landschaft.
Besonders sensible Brut- oder Zuggebiete benötigen sorgfältige Planung.
Standortplanung
Abstände zu wichtigen Brutplätzen und die Berücksichtigung von Flugkorridoren können Risiken reduzieren.
Monitoring liefert zusätzliche Informationen über lokale Konflikte.
Fledermäuse
Auch Fledermäuse können an Windenergieanlagen verunglücken. Viele Arten sind besonders in warmen, windarmen Nächten aktiv.
Die Aktivität verändert sich im Jahresverlauf.
Abschaltalgorithmen
Anlagen können bei bestimmten Wetterbedingungen und zu besonders empfindlichen Zeiten zeitweise abgeschaltet werden.
Dadurch lassen sich Fledermausverluste deutlich reduzieren.
Schall
Windenergieanlagen erzeugen mechanische und aerodynamische Geräusche. Moderne Anlagen werden so geplant, dass vorgeschriebene Schallwerte eingehalten werden.
Die wahrgenommene Lautstärke hängt von Entfernung, Wind und Umgebung ab.
Aerodynamischer Schall
Ein großer Teil der Geräusche entsteht an den Rotorblättern durch die Bewegung durch die Luft.
Optimierte Blattprofile können Schallemissionen reduzieren.
Schattenwurf
Bei tief stehender Sonne können Rotorblätter periodische Schatten auf Gebäude werfen.
Dieser Effekt ist räumlich und zeitlich begrenzt.
Abschaltautomatik
Moderne Anlagen können berechnen, wann kritischer Schattenwurf auftreten würde, und gegebenenfalls zeitweise abgeschaltet werden.
Dadurch lassen sich Belastungen begrenzen.
Landschaftsbild
Windenergieanlagen sind aufgrund ihrer Höhe weithin sichtbar und verändern das Landschaftsbild.
Die Wahrnehmung dieser Veränderung ist teilweise subjektiv.
Planerische Bündelung
Die Konzentration von Anlagen in geeigneten Gebieten kann eine ungeordnete Verteilung vermeiden.
Gleichzeitig müssen andere Schutzgüter berücksichtigt werden.
Windenergie und Naturschutz
Windenergie unterstützt Klimaschutz, kann lokal aber Konflikte mit Arten- und Lebensraumschutz verursachen.
Beide Ziele müssen deshalb bereits in der Planung miteinander verbunden werden.
Raumplanung
Geeignete Flächen können unter Berücksichtigung von Windangebot, Siedlungen, Schutzgebieten und Tierarten ausgewählt werden.
Eine vorausschauende Planung reduziert spätere Konflikte.
Repowering
Beim Repowering werden ältere Windenergieanlagen durch modernere und leistungsfähigere Anlagen ersetzt.
Dadurch kann an bestehenden Standorten mit weniger oder ähnlich vielen Anlagen mehr Strom erzeugt werden.
Neue Standortbewertung
Auch bei bestehenden Windparks müssen Auswirkungen neuer größerer Anlagen erneut geprüft werden.
Moderne Technik kann gleichzeitig höhere Erträge und verbesserte Schutzmaßnahmen ermöglichen.
Bürgerenergie
Windenergieanlagen können von Energieunternehmen, Kommunen, Genossenschaften oder lokalen Gemeinschaften betrieben werden.
Unterschiedliche Eigentumsmodelle beeinflussen die regionale Wertschöpfung.
Akzeptanz
Transparente Planung und Beteiligungsmöglichkeiten können die gesellschaftliche Akzeptanz von Projekten erhöhen.
Auch finanzielle Beteiligung von Gemeinden kann eine Rolle spielen.
Windenergie und Landwirtschaft
Windenergieanlagen können auf landwirtschaftlich genutzten Flächen errichtet werden, während ein großer Teil der Fläche weiter bewirtschaftet wird.
Landwirtschaft und Energieerzeugung können dadurch räumlich kombiniert werden.
Pachteinnahmen
Flächeneigentümer können Einnahmen aus der Nutzung von Standorten erzielen.
Gleichzeitig sind Wegeführung und Bodenbeanspruchung zu berücksichtigen.
Betriebsdauer
Windenergieanlagen sind für eine langjährige Nutzung ausgelegt. Wartung und technische Überwachung erhalten Sicherheit und Leistung.
Nach Ende der Betriebszeit kann eine Anlage zurückgebaut oder ersetzt werden.
Weiterbetrieb
Ob ältere Anlagen länger betrieben werden können, hängt von technischem Zustand, Wirtschaftlichkeit und rechtlichen Voraussetzungen ab.
Eine längere Nutzung kann den Herstellungsaufwand auf mehr Stromproduktion verteilen.
Windenergie und Versorgungssicherheit
Windenergie kann große Strommengen liefern, steht aber wetterabhängig zur Verfügung.
Versorgungssicherheit entsteht daher durch das Zusammenspiel verschiedener Erzeuger, Netze, Speicher und flexibler Verbraucher.
Geografischer Ausgleich
Windverhältnisse unterscheiden sich zwischen Regionen. Über große Stromnetze können lokale Schwankungen teilweise ausgeglichen werden.
Vollständig verschwinden wetterbedingte Schwankungen dadurch jedoch nicht.
Windenergie und Energiewende
Windenergie gehört zu den zentralen Technologien für den Ersatz fossiler Stromerzeugung.
Sie kann außerdem erneuerbaren Strom für Wärmepumpen, Elektromobilität und industrielle Prozesse bereitstellen.
Sektorenkopplung
Mit zunehmender Elektrifizierung steigt die Bedeutung einer ausreichenden erneuerbaren Stromproduktion.
Windenergie trägt dadurch indirekt auch zur Dekarbonisierung von Wärme, Verkehr und Industrie bei.
Zusammenfassung
Windenergie nutzt die Bewegungsenergie der Luft und wandelt sie mithilfe von Rotoren und Generatoren in elektrischen Strom um. Sie verursacht im Betrieb keine direkten fossilen Kohlendioxidemissionen und ist deshalb ein wichtiger Bestandteil der Energiewende.
Die Stromproduktion schwankt mit dem Wetter und erfordert Netze, Speicher und flexible Verbraucher. Gleichzeitig können Windenergieanlagen Landschaft, Vögel und Fledermäuse beeinflussen. Sorgfältige Standortwahl, Monitoring, zeitweise Abschaltungen und recyclinggerechte Technik helfen, solche Konflikte zu reduzieren. Windenergie verbindet damit großes Klimaschutzpotenzial mit der Aufgabe, lokale Umweltwirkungen möglichst gering zu halten.
