Was ist Windenergie?
Windenergie ist eine Form der Erneuerbaren Energie, die durch die Nutzung von Windkraft erzeugt wird. In einem Windkraftwerk, auch als Windkraftanlage bezeichnet, wird aus dem Primärenergieträger strömende Luft (Wind) als Sekundärenergieträger elektrischer Strom gewonnen. Es wird somit kinetische Energie der Luft (Windenergie) in elektrische Energie umgewandelt, die dann in das Stromnetz eingespeist wird. Windenergie ist eine wichtige und zunehmende Art der Erneuerbaren Energie, die zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen beiträgt und der Bekämpfung des Klimawandels dient. Laut Umweltbundesamt ist Windenergie die tragende Säule der Energiewende.
In diesem Artikel wollen wir uns eingehend mit der Windenergie beschäftigen, ihre Funktionsweise verstehen und die Entwicklungen im Ausbau näher betrachten.
Geschichte der Windenergie
Setzt die Seeeeeegel!“ Diesen Ausruf kennen wir alle aus Piratenfilmen, in denen die Piraten versuchen, mit ihren Segeln Ihre Schiffe fortzubewegen – und ihnen gelingt es.
Die Geschichte der Windenergie: Bereits in der Antike nutzte man die Kraft des Windes, vor allem in der Seefahrt. Später adaptierten die Menschen die Idee der Segel nicht nur für Schiffe, sondern fingen auch in den ersten Windmühlen die Energie des Windes ein. Ab dem 12. Jahrhundert tauchten Windmühlen in ganz Europa auf, und Wind konnte für mechanische Arbeiten genutzt werden. Damit konnte man zum Beispiel Getreide mahlen, sägen, hämmern oder sogar Wasser pumpen. Im 19. Jahrhundert erlebten Windmühlen ihre Blütezeit. Allerdings wurde mit dem Beginn der Industrialisierung der enorme Bedarf an Energie durch Kohle gedeckt, und es setzte ein weltweites „Sterben der Windmühlen“ ein.
Warum ist Windenergie in der heutigen Zeit so bedeutsam? Der Ausbau der Windenergie ist essenziell, um das Ziel der Energiewende zu erreichen – die Umstellung der Energieversorgung auf erneuerbare Ressourcen, nicht nur im Stromsektor, sondern auch in den Bereichen Wärme und Verkehr. Die Klimaziele lassen sich nur realisieren, wenn die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern wie Kohle und Gas abnimmt, da bei ihrer Verbrennung große Mengen klimaschädliches Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangen.
Wie funktioniert Windenergie?
Die Sonne wärmt die Luft in der Atmosphäre unterschiedlich auf. Wo es warm ist, steigt die Luft hoch, wo nicht, bleibt sie unten. Das erzeugt Wind, den wir spüren. Die natürliche Kraft des Windes wird genutzt, um die Rotoren von Windrädern anzutreiben. Diese Rotoren erzeugen bei Ihrer Drehung elektrische Energie. Der Prozess ist beeindruckend effizient und umweltfreundlich, da er ohne den Einsatz fossiler Brennstoffe auskommt.
Dabei gibt es wiederum zwei verschiedene Windenergieanlagen bzw. Windparks, sog. “Offshore” und “Onshore” Windkraftanlagen. Unterschieden werden Windkraftanlagen nach ihrem Standort: Sie können an Land (Onshore) oder auf dem Meer (Offshore) angesiedelt sein. Die Anlagen werden – egal ob auf Wasser oder an Land – an geeigneten Windenergiestandorten gebaut. So kann in beiden Fällen Erneuerbare Energie mittels Windenergie gewonnen werden.
Was ist Offshore Windenergie?
Offshore Windparks sind eine innovative Weiterentwicklung der Windenergie, bei der Windräder auf dem offenen Meer installiert werden. Der Vorteil von Offshore-Windanlagen ist, dass auf dem offenen Meer, bessere Windbedingungen herrschen und damit bessere Bedingungen für die Gewinnung der Windenergie. Dort können die Winde ungehindert, ohne Hügel, Bergen oder sonstige Barrieren direkt auf die Windräder treffen. Auch weht der Wind wesentlich stetiger. Allerdings sind Wartung und Bau durch den teils hohen Wellengang erschwert. Zudem ist der Materialverschleiß aufgrund des Wasserkontakts deutlich höher.
Was ist Onshore Windenergie?
Onshore Windparks hingegen sind Windenergieanlagen, die nicht auf dem offenen Meer, sondern auf dem Festland verankert sind. Hier werden Windräder auf dem Land errichtet, um die dortigen Windressourcen zu nutzen. Der Vorteil von Onshore Windanlagen ist, dass der Bau und die Wartung wesentlich einfacher sind, da die Anlagen leichter zu erreichen sind.
Wie funktioniert ein Windrad?
Eine Windkraftanlage besteht in der Regel aus drei Hauptkomponenten: Der ”Turm” ist der erste Teil der aufgestellt wird. Er ist groß und sperrig und wiegt meist mehrere hundert Tonnen. Die Höhe variiert dabei je nach Umgebung. Die ”Gondel” ist das Herzstück der Windenergieanlage. Hier ist der Generator sowie das Getriebe untergebracht. Hier befinden sich auch die Messinstrumente, wie die Windfahne und das Anemometer, welche die Windstärke und -richtung ermitteln. Die ”Rotorblätter” sind an der Rotornabe angebracht und nehmen die Bewegungsenergie des Windes auf und übersetzen dies in eine Drehbewegung. Moderne Windkraftanlagen haben normalerweise drei Rotoren.
Um Strom zu erzeugen wird der Wind von den Rotorblättern eines Windrades in Rotationsenergie umgewandelt, die einen Stromgenerator im Innern der Windkraftanlage antreibt. Der Generator erzeugt dann den Strom, der zur Versorgung von Haushalten und Unternehmen verwendet wird.
Die Funktionsweise einer Windkraftanlage möchten wir Ihnen im Folgenden ein einzelnen Schritten näher erläutern.
1. Anströmung der Rotorblätter
Der Prozess beginnt mit der Anströmung der Rotorblätter durch den Wind. Diese aerodynamisch gestalteten Blätter sind so positioniert, dass sie den Wind einfangen und in eine Rotation versetzen können. Hier kommt der sogenannte Anstellwinkel ins Spiel, der den Winkel zwischen der Anströmrichtung und der Längsachse der Rotorblätter definiert.
2. Rotation der Nabe
Die Rotorblätter sind mit einer Nabe verbunden, die sich in der Mitte des Rotors befindet. Die Rotation der Blätter setzt die Nabe in Bewegung. Dieser Schritt ist von entscheidender Bedeutung, da er die kinetische Energie des Windes in mechanische Energie umwandelt.
3. Mechanische Energie in der Gondel
Die Nabe ist mit der Gondel verbunden, einem Gehäuse, das den Generator und weitere Komponenten beherbergt. Die mechanische Energie wird über die Welle der Nabe in die Gondel übertragen. Hier findet eine erste Transformation statt – von der Rotation der Rotorblätter zu einer konzentrierten mechanischen Energie.
4. Generator wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um
In der Gondel befindet sich der Generator. Dieser wandelt die mechanische Energie in elektrische Energie um, indem er eine rotierende Bewegung erzeugt, die durch Elektromagneten im Generator entsteht. Dabei wird das Prinzip der elektromagnetischen Induktion genutzt, um den Wechselstrom zu erzeugen, der schließlich ins Stromnetz eingespeist wird.
5. Transformator und Einspeisung ins Stromnetz
Der erzeugte Wechselstrom durchläuft einen Transformator, der die Spannung auf das gewünschte Niveau für die Einspeisung ins Stromnetz anhebt. Durch diese letzte Stufe wird die elektrische Energie in das Netz eingespeist und steht somit für den Verbrauch zur Verfügung.
Wie viel Strom produziert ein Windrad?
Die Leistung von Windrädern hängt von vielen Faktoren ab, darunter der Windgeschwindigkeit und der Größe des Rotors. Um effektiv arbeiten zu können, müssen die Windenergieanlagen in einem Gebiet aufgestellt werden, in dem eine konstante Windströmung herrscht. Die tatsächliche Menge an Strom, die ein Windrad produzieren kann, schwankt jedoch je nach Wetterbedingungen und Standort. Offshore-Anlagen produzieren wegen des stärkeren Windes deutlich mehr Strom als Windräder auf dem Festland. Somit ist der Standpunkt der Windkraftanlage ausschlaggebend für eine effiziente Stromerzeugung. In Deutschland kann ein durchschnittliches Windrad mit einer Leistung von 6 MW jährlich ca. 10 Gigawattstunden Strom. Doch wie viele Haushalte kann man mit dem Strom aus einer Windenergieanlage versorgen? 10 Gigawattstunden reichen für die Versorgung von etwa 3.500-4.000 Haushalte im gesamten Jahr.
Windenergie Vor- und Nachteile
Doch wie bei jeder Technologie gibt es sowohl positive als auch herausfordernde Aspekte. Lassen Sie uns einen differenzierten Blick auf die Vor- und Nachteile der Windenergie werfen.
Windenergie Vorteile
Im Folgenden zeigen wir Ihnen die Vorteile der Windenergie auf.
- Umweltfreundlich und nachhaltig: Windenergie erzeugt Strom ohne den Einsatz fossiler Brennstoffe und produziert somit keine klimaschädlichen Emissionen. Die Windkraftanlagen nutzen eine unerschöpfliche Ressource – den Wind – und tragen zur Reduzierung der Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Energieträgern bei.
- Kosteneffizienz und Wettbewerbsfähigkeit: Die Kosten für die Windenergieerzeugung sind in den letzten Jahren erheblich gesunken, was sie zu einer wettbewerbsfähigen Alternative zu konventionellen Energieträgern macht. Die fortschreitende Technologieentwicklung und Skaleneffekte haben dazu beigetragen, die Investitionskosten zu senken, was letztendlich Verbrauchern und Energieunternehmen zugutekommt.
- Arbeitsplatzschaffung und lokale Wertschöpfung: Die Entwicklung und der Betrieb von Windparks schaffen Arbeitsplätze, sowohl in der Produktion von Windkraftanlagen als auch in der Wartung und im Betrieb der Anlagen. Lokale Gemeinden profitieren von der Windenergie durch die Schaffung von Arbeitsplätzen und der Möglichkeit, die Einnahmen aus Windprojekten für lokale Entwicklungsmaßnahmen zu nutzen.
- Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen: Windenergie reduziert die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und schafft eine zuverlässige Energiequelle. Durch die Diversifizierung des Energiemixes können Länder ihre Energieversorgung sicherer gestalten und sich unabhängiger von geopolitischen Einflüssen machen.
Windenergie Nachteile
Nicht zu vernachlässigen sind jedoch die Nachteile der Windenergie.
- Flächenbedarf und Landschaftseingriffe: Der Bau von Windenergieanlagen erfordert eine beträchtliche Fläche, insbesondere in dicht besiedelten Regionen. Dies kann zu Landschaftseingriffen führen und ökologische Lebensräume beeinträchtigen.
- Intermittenz und Energiespeicherung: Die Windenergie ist intermittierend, da sie von den wechselnden Windbedingungen abhängt. Dies kann zu Schwankungen in der Stromerzeugung führen und stellt eine Herausforderung für die Netzstabilität dar. Die effektive Speicherung von Windenergie ist noch nicht in dem Maße entwickelt, um eine durchgängige Stromversorgung zu gewährleisten.
- Lärmbelästigung und Schattenschlag: Der Betrieb von Windrädern kann mit Lärmbelästigung verbunden sein, insbesondere in der Nähe von Wohngebieten. Zudem kann der sogenannte Schattenschlag auftreten, wenn die Rotorblätter sich zwischen der Sonne und einem Wohngebiet bewegen und dabei periodisch Schatten erzeugen. Diese Effekte können als störend empfunden werden.
- Ressourcenverbrauch bei der Herstellung: Die Herstellung von Windkraftanlagen erfordert Rohstoffe wie Metalle und seltene Erden. Der Abbau und die Verarbeitung dieser Materialien können Umweltauswirkungen haben und den ökologischen Fußabdruck der Windenergieindustrie erhöhen.
Ausbau von Windkraft in Deutschland
Laut Umweltbundesamt stellt die Windenergie das wirtschaftlichste Ausbaupotential unter den erneuerbaren Energien. Auch heute schon hat Windkraft unter allen erneuerbaren Energiequellen den größten Anteil an der Stromversorgung. Windkraft ist die erneuerbare Energiequelle mit der schnellsten Zunahme der Erzeugungskapazitäten: Im Vergleich stellt Windenergie (Onshore) 2018 mit 41 Prozent den größten Anteil des EE-Stroms. Offshore-Windenergie kommt auf 8 Prozent. Insgesamt liefert Windkraft also rund 50 Prozent des EE-Stroms. Die tatsächliche Anzahl der Windkraftanlagen (Onshore und Offshore) hat sich in den letzten 20 Jahren so gut wie vervierfacht.
Die Windenergie bleibt damit die bedeutendste Energieerzeugungsform im Bereich der Erneuerbaren Energien für die Stromerzeugung in Deutschland.
Auch international ist die Windenergie von Bedeutung. International können Windkraftwerke inzwischen Energie billiger herstellen als fossile Kraftwerke. Weltweit sind laut des Global Wind Energy Councils (GEWC) rund 597GW an Leistung installiert. 2018 kam 1 Gigawatt an Leistung hinzu. China hat 2018 mehr als 200GW an installierter Leistung, die USA rund 100 GW und Deutschland etwa 60GW. Alle bis Ende 2018 installierten Windkraftanlagen können etwa sechs Prozent des weltweiten Strombedarfs decken.
Die Bundesregierung und die EU haben sich klare Ziele bis 2030 gesetzt: Die Reduzierung der Treibhausgasemissionen um mindestens 65 % gegenüber 1990. Deutschland will sogar bis 2045 CO2-neutal sein. Zu deren Erreichung trägt die Windkraft wesentlich bei. Die Nutzung der Windkraft zur Stromerzeugung hat zwar in den vergangenen Jahren stark zugenommen, ihr Potenzial ist aber bei weitem nicht ausgeschöpft. Besonders die Offshore-Windenergie zählt zu den Schlüsseltechnologien für eine effiziente Energiewende und hat in der Vergangenheit erhebliche technische und ökonomische Entwicklungen durchlaufen. Eine am 3. Juni 2020 verabschiedete Änderung im „Windenergie-auf-See-Gesetz“ sieht eine deutliche Erhöhung des Ausbauziels bis zum Jahr 2030 vor. Dieses soll von bislang 15 auf 20 GW steigen. Bis zum Jahr 2040 sollen es 40 GW sein.
Fazit
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass Windenergie eine zentrale Rolle in der nachhaltigen Energieversorgung spielt. Die Nutzung der natürlichen Windkraft ermöglicht nicht nur die Erzeugung von sauberer elektrischer Energie, sondern ist auch ein entscheidender Schritt in Richtung Energiewende. Die beeindruckende Effizienz und Umweltfreundlichkeit der Windenergie machen sie zu einer tragenden Säule der nachhaltigen Energieerzeugung. Die stetige Weiterentwicklung von Technologien und der Ausbau von Windparks tragen dazu bei, dass Windenergie eine nachhaltige Zukunftsperspektive bietet. Ein ausgewogener Blick auf die Vor- und Nachteile der Windenergie zeigt, dass diese Energieform entscheidend zur grünen Transformation beitragen kann, aber auch sorgfältig geplant und entwickelt werden muss, um die potenziellen Herausforderungen zu bewältigen.
Häufig gestellte Fragen
Windenergie ist eine Art der erneuerbaren Energie, die durch die Nutzung der natürlichen Kraft des Windes erzeugt wird. Diese Energie wird durch Windturbinen oder Windräder in elektrische Energie umgewandelt, die dann in das Stromnetz eingespeist wird.
Windenergie wird durch den Betrieb von Windturbinen gewonnen. Wenn der Wind die Rotorblätter der Turbinen antreibt, wird die kinetische Energie des Windes in mechanische Energie umgewandelt. Diese mechanische Energie wird dann durch einen Generator in elektrische Energie umgewandelt, die in das Stromnetz fließt.
Windenergie ist wichtig, um den steigenden Energiebedarf zu decken und gleichzeitig den CO2-Ausstoß zu reduzieren. Als saubere und nachhaltige Energiequelle spielt Windenergie eine entscheidende Rolle bei der Umstellung auf Erneuerbare Energien und der Bekämpfung des Klimawandels.
