Definition: Was ist Windkraft?
Windkraft bezeichnet die technische Nutzung der Bewegungsenergie des Windes. Im modernen Energiesystem wird damit meist die Stromerzeugung durch Windenergieanlagen beschrieben. Die Rotorblätter einer Anlage nehmen einen Teil der kinetischen Energie der Luft auf und übertragen sie über eine Welle auf einen Generator.
Windkraft gehört zu den erneuerbaren Energieformen, da Wind durch natürliche atmosphärische Prozesse ständig neu entsteht. Sie spielt eine wichtige Rolle bei der Verringerung fossiler Stromerzeugung, benötigt jedoch geeignete Standorte, Stromnetze und eine sorgfältige Abstimmung mit Natur- und Landschaftsschutz.
Entstehung von Wind
Wind entsteht vor allem durch räumlich unterschiedliche Erwärmung der Erdoberfläche. Dadurch bilden sich Temperatur- und Luftdruckunterschiede.
Luft strömt von Bereichen höheren zu Bereichen niedrigeren Drucks und erzeugt so Wind.
Sonnenenergie als Antrieb
Die Sonnenstrahlung ist die wichtigste Energiequelle für atmosphärische Luftbewegungen.
Windkraft ist deshalb indirekt eine Form der Nutzung von Sonnenenergie.
Kinetische Energie
Bewegte Luft besitzt kinetische Energie. Eine Windkraftanlage kann einen Teil dieser Energie aufnehmen.
Die technisch nutzbare Leistung hängt vor allem von Windgeschwindigkeit, Luftdichte und Rotorfläche ab.
Windgeschwindigkeit
Die im Wind enthaltene Leistung steigt sehr stark mit der Geschwindigkeit der Luftströmung.
Deshalb können vergleichsweise kleine Unterschiede in der Windgeschwindigkeit große Auswirkungen auf den Jahresertrag haben.
Rotor
Der Rotor einer Windkraftanlage besteht meist aus mehreren Rotorblättern, die um eine horizontale Achse rotieren.
Ihre Form ist aerodynamisch optimiert, um möglichst viel Energie aus der Luftströmung aufzunehmen.
Auftrieb
Moderne Rotorblätter arbeiten überwiegend nach dem Auftriebsprinzip.
Die Luftströmung erzeugt Kräfte ähnlich wie an einer Flugzeugtragfläche und setzt den Rotor in Bewegung.
Rotorblätter
Rotorblätter müssen gleichzeitig leicht, steif und belastbar sein. Sie bestehen daher häufig aus faserverstärkten Kunststoffen.
Mit zunehmender Blattlänge wächst die überstrichene Rotorfläche erheblich.
Große Rotoren
Große Rotoren können auch bei moderaten Windgeschwindigkeiten hohe Energiemengen erfassen.
Dadurch eignen sich moderne Anlagen für mehr Standorte als ältere Generationen.
Generator
Der Generator wandelt die mechanische Drehbewegung in elektrische Energie um.
Die erzeugte Spannung und Frequenz werden durch Leistungselektronik an das Stromnetz angepasst.
Elektrische Umwandlung
Generator und Leistungselektronik arbeiten mit hohen Wirkungsgraden.
Ein Teil der Energie geht dennoch durch Reibung und elektrische Verluste verloren.
Getriebe
Bei vielen Windkraftanlagen wird die niedrige Rotordrehzahl durch ein Getriebe auf eine höhere Drehzahl für den Generator übersetzt.
Andere Anlagen kommen ohne klassisches Getriebe aus.
Direktantrieb
Direktantriebssysteme koppeln den Rotor unmittelbar an einen entsprechend ausgelegten Generator.
Sie reduzieren bestimmte mechanische Bauteile, stellen aber andere Anforderungen an Konstruktion und Material.
Turm
Der Turm trägt Gondel und Rotor in großer Höhe. Dort ist der Wind häufig stärker und weniger durch Gebäude oder Vegetation gebremst.
Türme bestehen meist aus Stahl, Beton oder hybriden Bauweisen.
Nabenhöhe
Die Nabenhöhe bezeichnet die Höhe der Rotorachse über dem Boden.
Größere Nabenhöhen erschließen oft gleichmäßigere Windverhältnisse.
Leistung
Die elektrische Nennleistung gibt an, welche maximale Leistung eine Windkraftanlage unter bestimmten Betriebsbedingungen bereitstellen kann.
Der tatsächliche Ertrag hängt jedoch von den Windverhältnissen über das gesamte Jahr ab.
Jahresenergieertrag
Für die energetische Bewertung eines Standorts ist der Jahresertrag oft aussagekräftiger als die reine Nennleistung.
Eine Anlage kann nur dann viel Strom erzeugen, wenn über längere Zeit ausreichend Wind vorhanden ist.
Volllaststunden
Volllaststunden sind eine rechnerische Größe, die den Jahresertrag mit der Nennleistung vergleicht.
Sie ermöglichen einen einfachen Vergleich unterschiedlicher Standorte und Anlagen.
Standortqualität
Hohe Volllaststunden weisen auf günstige Windverhältnisse und eine hohe Auslastung hin.
Offshore-Anlagen erreichen häufig höhere Werte als viele Anlagen an Land.
Onshore-Windkraft
Onshore-Windkraft bezeichnet Anlagen an Land. Sie werden in offenen Landschaften, landwirtschaftlich genutzten Gebieten und teilweise in Waldregionen errichtet.
Planung und Genehmigung berücksichtigen Windangebot, Netzanschluss und Umweltbelange.
Landwirtschaftliche Nutzung
Zwischen den Anlagen kann landwirtschaftliche Nutzung häufig fortgeführt werden.
Die dauerhaft direkt beanspruchte Fläche ist daher deutlich kleiner als die gesamte Fläche eines Windparks.
Offshore-Windkraft
Offshore-Anlagen stehen im Meer und nutzen dort häufig stärkere und gleichmäßigere Winde.
Dadurch können hohe Jahreserträge erzielt werden.
Technische Herausforderungen
Salzwasser, Wellen, Korrosion und schwierige Wartungsbedingungen erhöhen den technischen Aufwand.
Auch Bau und Netzanschluss sind deutlich komplexer als bei vielen Anlagen an Land.
Windparks
Mehrere Windkraftanlagen werden häufig zu einem Windpark zusammengefasst.
Dadurch können gemeinsame Wege, Umspannwerke und Netzanschlüsse genutzt werden.
Nachlaufeffekt
Hinter einem Rotor ist die Luftströmung langsamer und turbulenter.
Windparks werden deshalb so geplant, dass sich Anlagen möglichst wenig gegenseitig beeinträchtigen.
Standortwahl
Ein geeigneter Standort benötigt ausreichende Windgeschwindigkeit und muss zugleich technische, rechtliche und ökologische Anforderungen erfüllen.
Abstände zu Siedlungen, Schutzgebieten und empfindlichen Tierarten sind wichtige Planungsfaktoren.
Windmessung
Vor der Errichtung können Winddaten über Messmasten, Fernerkundung und langjährige Wettermodelle ausgewertet werden.
Dadurch lässt sich der erwartete Energieertrag abschätzen.
Windkraft und Stromnetz
Windstrom wird über lokale und überregionale Stromnetze zu Verbrauchern transportiert.
Bei starkem Ausbau können zusätzliche Leitungen und Umspannwerke notwendig werden.
Netzengpässe
Steht in einer Region mehr Strom zur Verfügung, als das Netz aufnehmen kann, müssen Erzeugungsanlagen zeitweise reduziert werden.
Netzausbau und flexible Nachfrage können solche Engpässe verringern.
Fluktuierende Erzeugung
Windkraft liefert Strom abhängig vom Wetter. Die Leistung kann sich innerhalb von Stunden deutlich verändern.
Ein modernes Stromsystem muss diese Schwankungen ausgleichen.
Windprognosen
Meteorologische Modelle können die Stromproduktion viele Stunden im Voraus abschätzen.
Diese Prognosen erleichtern die Einsatzplanung anderer Kraftwerke und Speicher.
Windkraft und Solarstrom
Wind- und Solarenergie ergänzen sich teilweise. Windstrom wird häufig auch nachts und in der kalten Jahreszeit erzeugt.
Solarstrom erreicht dagegen besonders im Sommer und zur Tageszeit hohe Werte.
Gemischte Erzeugung
Ein breiter Mix erneuerbarer Energiequellen reduziert die Abhängigkeit von einzelnen Wetterbedingungen.
Vollständig vermeiden lassen sich Erzeugungsschwankungen dadurch jedoch nicht.
Stromspeicher
Speicher können überschüssigen Windstrom aufnehmen und zu einem späteren Zeitpunkt wieder bereitstellen.
Batterien eignen sich besonders für kurzfristige Schwankungen.
Langzeitspeicherung
Für längere Zeiträume können Pumpspeicher, Wasserstoff oder andere Speicherformen eingesetzt werden.
Welche Technik sinnvoll ist, hängt von Dauer und Energiemenge ab.
Windkraft und Wasserstoff
Windstrom kann durch Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff verwendet werden.
Dieser kann in Industrie, Energiespeicherung oder bestimmten Verkehrsbereichen genutzt werden.
Effizienz
Die Umwandlung von Strom in Wasserstoff verursacht Energieverluste.
Direkte elektrische Nutzung ist daher meist effizienter, wenn sie technisch möglich ist.
Windkraft und Klimaschutz
Windkraft erzeugt Strom ohne direkte Verbrennung fossiler Brennstoffe. Während des Betriebs entstehen daher keine direkten Kohlendioxidemissionen aus Brennstoffen.
Emissionen entstehen vor allem bei Herstellung, Errichtung, Wartung und Rückbau.
Lebenszyklusemissionen
Über die gesamte Lebensdauer betrachtet sind die Treibhausgasemissionen pro erzeugter Strommenge vergleichsweise gering.
Die Energie für Herstellung und Bau wird während des Betriebs in relativ kurzer Zeit wieder erzeugt.
Materialbedarf
Windkraftanlagen benötigen Stahl, Beton, Kupfer, Kunststoffe und elektronische Komponenten.
Je nach Generatorbauweise können auch weitere Metalle eingesetzt werden.
Rohstoffbedarf
Der Ausbau der Windkraft erhöht den Bedarf an bestimmten Materialien.
Recycling und materialeffiziente Konstruktion werden daher immer wichtiger.
Recycling
Stahl, Kupfer und andere Metalle einer Windkraftanlage können in hohem Maß wiederverwertet werden.
Auch Beton kann nach Aufbereitung als mineralischer Recyclingbaustoff genutzt werden.
Rotorblätter
Eine besondere Herausforderung sind faserverstärkte Rotorblätter.
Die feste Verbindung aus Fasern und Kunstharz erschwert hochwertiges Recycling.
Verbundmaterialien
Rotorblätter zeigen einen typischen Zielkonflikt moderner Verbundmaterialien. Während des Betriebs ermöglichen sie geringes Gewicht und hohe Festigkeit.
Am Ende der Nutzung sind ihre Bestandteile jedoch schwer voneinander zu trennen.
Neue Recyclingverfahren
Mechanische, thermische und chemische Verfahren sollen die Rückgewinnung von Fasern und anderen Bestandteilen verbessern.
Auch recyclinggerechtere Blattkonzepte werden entwickelt.
Windkraft und Landschaft
Windkraftanlagen sind aufgrund ihrer Höhe weithin sichtbar und verändern das Erscheinungsbild einer Landschaft.
Diese Wirkung kann gesellschaftlich unterschiedlich bewertet werden.
Bündelung
Die Konzentration von Anlagen auf geeignete Flächen kann eine ungeordnete Verteilung reduzieren.
Raumplanung dient dabei der Abstimmung verschiedener Interessen.
Schall
Windkraftanlagen erzeugen vor allem aerodynamische Geräusche an den Rotorblättern sowie mechanische Geräusche einzelner Komponenten.
Die Schallbelastung nimmt mit zunehmender Entfernung ab.
Schallschutz
Genehmigungsverfahren berücksichtigen zulässige Immissionswerte für benachbarte Wohngebiete.
Moderne Rotorprofile und Betriebsmodi können Schallemissionen reduzieren.
Schattenwurf
Bei tief stehender Sonne kann der rotierende Rotor zeitweise periodische Schatten erzeugen.
Die mögliche Belastung lässt sich im Voraus berechnen.
Abschaltautomatik
Bei Überschreitung festgelegter Zeiträume kann eine Anlage automatisch vorübergehend abgeschaltet werden.
Damit wird störender Schattenwurf begrenzt.
Windkraft und Vögel
Vögel können mit Rotoren kollidieren. Das Risiko ist jedoch stark von Art, Standort und Flugverhalten abhängig.
Bestimmte Greif- und Großvögel benötigen besondere Aufmerksamkeit.
Vogelschutz
Eine sorgfältige Standortwahl und Abstände zu sensiblen Brutgebieten können Risiken reduzieren.
Bei bestimmten Konflikten sind zeitweise Abschaltungen möglich.
Fledermäuse
Auch Fledermäuse können an Windkraftanlagen verunglücken. Das Risiko ist während bestimmter Jahreszeiten und Wetterlagen besonders hoch.
Viele Arten sind bei warmem und windarmem Wetter besonders aktiv.
Abschaltzeiten
Windkraftanlagen können bei für Fledermäuse besonders riskanten Bedingungen zeitweise abgeschaltet werden.
Automatisierte Steuerungen können die Abschaltungen an lokale Aktivitätsdaten anpassen.
Windkraft im Wald
Windkraftanlagen können auch auf geeigneten Waldstandorten errichtet werden. Für Fundament, Kranflächen und Zufahrtswege müssen Bereiche freigestellt werden.
Dadurch können Waldstrukturen und Lebensräume verändert werden.
Waldschutz
Besonders wertvolle alte oder naturnahe Wälder sind aus ökologischer Sicht konfliktträchtiger als stark vorbelastete oder strukturarme Standorte.
Eine differenzierte Standortwahl ist daher wesentlich.
Flächenversiegelung
Fundament, Wege und technische Flächen verursachen lokale Bodenversiegelung oder Verdichtung.
Die gesamte Windparkfläche ist jedoch nicht vollständig versiegelt.
Rückbau
Nach Ende der Nutzung können Anlagen und Fundamente entsprechend den jeweiligen Vorgaben zurückgebaut werden.
Flächen können anschließend rekultiviert oder neu genutzt werden.
Repowering
Repowering bezeichnet den Ersatz älterer Windkraftanlagen durch modernere und leistungsfähigere Anlagen.
Dadurch kann an bestehenden Standorten häufig mehr Strom erzeugt werden.
Weniger Anlagen, mehr Leistung
Moderne Anlagen besitzen größere Rotoren und höhere Nabenhöhen.
Dadurch kann eine geringere Zahl neuer Anlagen einen größeren Energieertrag liefern als zahlreiche alte Anlagen.
Windkraft und Landwirtschaft
Landwirtschaftliche Flächen können zwischen Windkraftanlagen meist weiter genutzt werden.
Dadurch ist eine parallele Nutzung derselben Landschaft für Nahrungsmittel- und Energieproduktion möglich.
Wege und Fundamente
Direkte Flächenverluste entstehen vor allem durch Fundamente, Zufahrten und technische Einrichtungen.
Eine flächensparende Planung reduziert diese Eingriffe.
Windkraft und Akzeptanz
Der Ausbau von Windkraft kann lokale Konflikte verursachen, insbesondere bei Fragen zu Landschaftsbild, Schall und Standortwahl.
Transparente Planungsverfahren sind daher wichtig.
Beteiligung
Kommunale oder gemeinschaftliche Beteiligungsmodelle können regionale Wertschöpfung ermöglichen.
Dies kann die Akzeptanz von Projekten unterstützen.
Bürgerwindparks
Bei Bürgerwindprojekten können lokale Einwohner, Genossenschaften oder Gemeinden wirtschaftlich beteiligt sein.
Dadurch verbleibt ein Teil der Einnahmen in der Region.
Regionale Wertschöpfung
Pachteinnahmen, kommunale Einnahmen und lokale Dienstleistungen können wirtschaftliche Effekte erzeugen.
Die genaue Verteilung hängt vom jeweiligen Projektmodell ab.
Windkraft und Versorgungssicherheit
Windkraft kann große Mengen Strom erzeugen, steht aber nicht jederzeit in gleicher Leistung zur Verfügung.
Versorgungssicherheit entsteht daher aus dem Zusammenspiel verschiedener Energiequellen, Netze und Speicher.
Geografischer Ausgleich
Überregionale Netze können Strom zwischen Gebieten mit unterschiedlichen Windbedingungen transportieren.
Dies glättet regionale Schwankungen teilweise.
Windkraft und Energiewende
Windkraft ist eine der zentralen Technologien zur Dekarbonisierung der Stromversorgung. Sie kann fossile Kraftwerke ersetzen und zugleich Strom für neue Anwendungen bereitstellen.
Dazu gehören Elektromobilität, Wärmepumpen und elektrische Industrieprozesse.
Sektorenkopplung
Mit zunehmender Elektrifizierung von Verkehr, Wärme und Industrie steigt der Bedarf an erneuerbarer Stromerzeugung.
Windkraft übernimmt dadurch eine wichtige Rolle weit über den klassischen Stromsektor hinaus.
Zusammenfassung
Windkraft nutzt die Bewegungsenergie der Luft zur Erzeugung elektrischen Stroms. Moderne Anlagen bestehen aus Rotor, Turm, Generator und weiteren technischen Komponenten und können an Land oder auf dem Meer betrieben werden.
Sie erzeugen im Betrieb Strom ohne direkte fossile Kohlendioxidemissionen und sind ein zentraler Bestandteil der Energiewende. Gleichzeitig müssen Auswirkungen auf Landschaft, Vögel, Fledermäuse, Böden und Anwohner berücksichtigt werden. Sorgfältige Standortplanung, technische Schutzmaßnahmen, Repowering und hochwertiges Recycling können dazu beitragen, Klimaschutz und lokale Umweltbelange miteinander zu verbinden.
