Windenergie spielt eine zentrale Rolle bei der Reduktion von CO2-Emissionen. Sie bietet eine umweltfreundliche Alternative zu fossilen Brennstoffen. Dazu wandeln Windkraftanlagen Wind in elektrische Energie um. Doch wie funktioniert eigentlich ein Windrad?
Bis 2030 sollen in Deutschland insgesamt 71 Gigawatt Strom durch Windkraftanlagen an Land gewonnen werden. Das sieht das Erneuerbare-Energien-Gesetz vor. Im Jahr 2023 wurden hierzulande 772 neue Windräder mit einer Leistung von 3.824 Megawatt neu installiert und in Betrieb genommen.
All das ist Teil der Bemühungen der Bundesrepublik, bis zum Jahr 2030 mindestens 55 Prozent weniger Treibhausgas zu erzeugen als noch 1990. Bis 2050 soll Deutschland dann CO2-neutral sein.
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Wie funktioniert eigentlich ein Windrad?
Ein Windrad nutzt die Kraft des Windes, um saubere, nachhaltige Energie zu erzeugen. Dafür benötigt es einen Rotor. Dieser besteht unter anderm aus Rotorblättern, die mit Glas- oder Karbonfasern verstärkt sind. Sie bilden das Herzstück der Konstruktion.
Die Rotorblätter sind aerodynamisch geformt, ähnlich wie die Tragflächen eines Flugzeugs. Treffen Wind und Rotorblätter aufeinander, erzeugt die Windströmung einen Auftrieb, der den Rotor kreisen lässt. Diese Bewegungsenergie des Windes verwandelt sich damit in mechanische Rotationsenergie.
Die sich drehenden Rotorblätter sind mit einem Generator in der Gondel verbunden. Dabei handelt es sich um das Maschinenhaus oben auf dem Turm. Der Generator wandelt die mechanische Rotationsenergie nun in elektrische Energie um. Dieser Prozess ist vergleichbar mit einem Fahrrad-Dynamo. Denn auch er erzeugt durch die Bewegung des Fahrrads Strom.
Übrigens: Wenn sich die Rotorblätter eines Windrads drehen, verursachen sie ein Geräusch. Allerdings versuchen Expert:innen diese Schallemissionen kontinuierlich zu verbessern und zu minimieren. Zudem müssen die Windkraftanlagen bestimmte Vorgaben einhalten, um nahe gelegene Wohngebiete nicht zu stören.
Je höher, desto besser: So arbeiten Windräder effizient
Sobald der Wind mit mindestens drei bis 4,5 Metern pro Sekunde weht, beginnen Windkraftanlagen zu arbeiten. Weil die Gondel drehbar ist, können die Rotoren immer optimal im Wind stehen. Zudem sind die Rotorblätter um ihre Längsachse verstellbar. So können sie auch bei wechselnden Windgeschwindigkeiten die Drehzahl konstant halten. Und: Schon ab einer Rotationsgeschwindigkeit von drei Umdrehungen pro Minute arbeitet ein Windrad effizient.
Um besonders viel Strom zu erzeugen, braucht ein Windrad hohe mittlere Windgeschwindigkeiten und große Rotorflächen. Je höher die Windenergieanlage gebaut ist und je länger die Rotorblätter sind, desto besser kann die Anlage den Wind vor Ort ausnutzen. Im Binnenland weht der Wind außerdem weniger stark, deshalb müssen die Anlagen in der Regel höher sein als in küstennahen Regionen. Auch deshalb ist die Wahl des Standorts wichtig.
Wie funktioniert ein Windrad? Onshore versus Offshore
Bei Windkraftanlagen unterscheidet man zwischen sogenannten Onshore- und Offshore-Windrädern. Onshore-Windräder sind an Land installiert und nutzen die Windenergie auf dem Festland, während Offshore-Windräder im Meer stehen. Sie nutzen die stärkeren und konstanteren Windbedingungen auf dem offenen Wasser.
Der Bau einer Onshore-Windkraftanlage lohnt sich erst da, wo die sogenannte Windleistungsdichte hoch genug ist. Sie ist ein Maß dafür, wie viel Leistung der Wind beim Durchströmen des Rotors an einem Standort im Mittel für die Nutzung bereitstellt.
An einem windreichen Standort, zum Beispiel auf einem Hügel oder an der Küste, kann ein modernes Windrad durchschnittlich 15 Millionen Kilowattstunden Strom jährlich erzeugen. Damit könnten bis zu 4.000 Haushalte ein ganzes Jahr lang mit grünem Strom versorgt werden.
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