Wie funktioniert Windenergieanlage

Leistungsfähige Windenergieanlagen an Land und auf den Meeren tragen weltweit zur Deckung des Bedarfs an elektrischer Energie bei. Windenergieanlagen wandeln Wind in elektrische Energie um.

In Deutschland werden derzeit mehr als 20000 Windenergieanlagen (WEA) betrieben. Diese verfügen zusammen über eine Leistung von gut 27000 Megawatt (MW), das sind fast 17 % der in Deutschland aktuell installierten Kapazität zur Bereitstellung elektrischer Energie. Zu dem gesamten Volumen der jährlich tatsächlich verfügbaren elektrischen Energie tragen die WEA allerdings nur mit knapp 6 % bei. Ursache dafür ist der unstetige Wind. Trotz einer sehr hohen technischen Anlagenverfügbarkeit von mehr als 95 % entspricht der durchschnittliche jährliche Energiebeitrag einer WEA standortabhängig rechnerisch im Mittel noch nicht einmal 2000 Stunden im Vollast-Betrieb, also etwa 20 % des möglichen Volumens mit Schwankungen von Jahr zu Jahr. Günstigere Windverhältnisse herrschen in Europa in Schottland sowie in Teilen von Irland und Norwegen, so dass dort ein höherer Ertrag der WEA erreicht werden kann.

Elektrische Energie aus umgewandelter Windenergie ist nach dem Gesetz über erneuerbare Energien (EEG) von den Betreibern von Energienetzen abzunehmen und mit gesetzlich vorgegebenen Preisen zu vergüten. Die dadurch entstehenden Kosten fließen in die Kalkulation der Netzbetreiber und Versorger ein und werden an deren Kunden weitergegeben. WEA werden als Einzelanlagen oder als Windparks mit mehr als 2 WEA errichtet. Einzelanlagen werden häufig im Zusammenhang mit landwirtschaftlichen Betrieben errichtet, Windparks meistens als Projekte von Investorengemeinschaften. Die Errichtung von WEA ist in Deutschland genehmigungspflichtig. Weltmarktführer für die Errichtung von WEA ist das dänische Unternehmen Vestas mit einem Anteil von knapp 15 % an der jährlich weltweit installierten elektrischen Leistung der WEA; Marktführer in Deutschland ist mit einem Anteil von knapp 60 % an der installierten Leistung die deutsche Firma Enercon.

Aufbau und Wirkungsweise einer Windenergieanlage

Eine WEA besteht aus den Haupt-Komponenten Rotor, Maschinenhaus und Turm mit Fundament. Meistens hat der Rotor 3 Flügel, die jeweils bis zu etwa 50 m lang sind. Der Rotor wird vertikal drehbar am Maschinenhaus befestigt, das sich horizontal drehbar auf dem bis zu gut 100 Meter hohen Turm befindet. Im Maschinenhaus, auch als Gondel bezeichnet, ist der Generator eingebaut, der vom Rotor direkt oder über ein Getriebe angetrieben wird. Der Rotor wird durch den Wind gedreht, die Drehbewegung wird im Generator in elektrische Energie umgewandelt.

Der deutsche Marktführer hat aktuell WEA mit einer Nennleistung von 330 kW bis 7,5 MW im Angebot. Die Nennleistung der WEA wird bei einer Windgeschwindigkeit von etwa 12 bis 15 Meter pro Sekunde (m/s) erreicht; die Rotordrehzahl beträgt je nach Größe und Bauart etwa 4 bis 45 Umdrehungen je Minute. Bei Windgeschwindigkeiten über etwa 20 m/s wird die Drehgeschwindigkeit, je nach Bauart, begrenzt, bei noch stärkerem Wind wird die Anlage aus Sicherheitsgründen abgeschaltet. Auf wechselnde Windrichtungen reagiert die WEA automatisch mit einer Nachführung der Einheit von Rotor und Maschinenhaus.

Für die Verbindung einer WEA mit dem öffentlichen Energienetz sind netzseitige Anforderungen bezüglich Frequenz und Spannung zu erfüllen. Dies bedeutet für eine getriebelose WEA, die Wechselspannung mit je nach Rotordrehzahl schwankender Frequenz erzeugt, dass die Wechselspannung zunächst mit einem Gleichrichter in Gleichspannung umgewandelt wird, anschließend mit einem Wechselrichter wieder in eine Wechselspannung mit 400 Volt (V) und einer konstanten Frequenz von 50 Hertz (Hz). Energie aus Windparks wird auf einer höheren Spannungsebene in das öffentliche Netz eingespeist, daher ist für Windparks noch eine Umformerstation erforderlich, die eine Transformation der 400 V auf die netzseitig bestehende Spannung von 20 kV oder 110 kV vornimmt.

Windenergieanlagen im küstennahen Seegebiet

Wegen der besseren Windverhältnisse und des hohen Flächenbedarfs werden Windparks zunehmend auch zur Errichtung im küstennahen Bereich von Nord- und Ostsee geplant. Dies verursacht zusätzliche Kosten für Bau, Betrieb, Unterhaltung sowie Schutz und Sicherheit der Anlagen. Wegen der Standsicherheit sind besondere Fundamente erforderlich, für die Errichtung werden besondere Bauschiffe benötigt, für Wartung und Reparatur sind Service-Schiffe, eventuell auch eine bemannte Station je Windpark erforderlich. Der elektrische Anschluss erfolgt über geeignete Seekabel zu einer landseitigen Station. Im Vergleich zu WEA, die an Land betrieben werden, sieht das EEG für Anlagen mit einem Abstand von mindestens 3 Seemeilen seewärts von der Küstenlinie, die im EEG als Offshore-Anlagen bezeichnet werden, eine höhere Einspeisevergütung an die Betreiber der WEA vor.

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