Für den Wirkungsgrad eines Windrades gelten strenge, physikalische Grenzen. Sie stecken den Rahmen ab, innerhalb dessen Ingenieure moderne Windkraftanlagen mit möglichst hoher Stromausbeute konstruieren.

Die Energie des Windes, die für die Umwandlung in Rotationsenergie zur Verfügung steht, steigt mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit. Die physikalische Ursache dafür ist, dass die kinetische Energie der Luft mit dem Quadrat der Windgeschwindigkeit und die Masse der bewegten Luft linear mit der Windgeschwindigkeit anwächst.

Aufgrund dieser Beziehung wächst bei doppelter Windgeschwindigkeit das Energieangebot an die Rotoren der Anlage um das Achtfache. Deshalb ist es wichtig, Windenergieanlagen an Orten mit möglichst hohen Windgeschwindigkeiten aufzustellen. In Deutschland sind das insbesondere die Nordsee- und Teile der Ostseeküsteküste sowie hohe Lagen der Mittelgebirge oder größere Ebenen mit hohem Windaufkommen. Ein großes Potential für die Nutzung der Windenergie kann mit Anlagen im Offshore-Bereich erschlossen werden.

Da moderne Windkraftanlagen fast alle nur drei Rotorblätter haben, benötigen sie zum Anlaufen eine Windgeschwindigkeit von mindestens vier bis fünf Meter pro Sekunde. Dadurch wird der Raum für mögliche Standorte von Windenergieranlagen nach unten begrenzt.

Um die kinetische Energie des Windes so effektiv wie möglich in Rotationsenergie umzusetzen, wird für die Windkraftanlage ein maximaler Wirkungsgrad angestrebt. Für ihn gilt das so genannte Betz'sche Gesetz. Danach hängt der Wirkungsgrad nur vom Verhältnis der beiden Windgeschwindigkeiten vor und hinter dem Rotor ab. Er ist maximal, wenn die austretende Windgeschwindigkeit nur noch Zweidrittel der eintretenden beträgt. Die mathematische Funktion, die das Verhältnis von entnommener Windleistung zu angebotener Leistung beschreibt, hat ihr Maximum bei einem Wert von \(\frac{16}{27}\). Das entspricht einem maximalen Wirkungsgrad von etwa. 59,3 Prozent.

Wirkungsgrade: Theorie und Praxis

Doch der theoretische Wirkungsgrad von 59 Prozent wird in der Praxis nicht erreicht. Die heutigen drei-blättrigen Rotoren erzielen aber durchaus Werte bis zu 50 Prozent. Die Anlagenteile, mit denen die kinetische Windenergie in elektrischen Strom umgewandelt wird, führen dann weiter zu Effizienzverlusten. Das beginnt mit der Ausrichtung der Rotoren nach Windrichtung und -stärke und setzt sich fort über das Getriebe, mit dem die Windflügel den elektrischen Generator antreiben und deren beider Wirkungsgrade, bis hin zum Transformator, der die Verbindung zum Netz herstellt. In der Praxis führt dies zu Gesamtwerten im Wirkungsgrad von etwas über 30 Prozent.

Forschung und Entwicklung

Forschung und Entwicklung der Windenergie wird weit überwiegend durch die öffentliche Forschungsförderung von Bund und Ländern (Hochschulen) finanziert. Die strategische Zielsetzung ist insbesondere auf die Kostenreduktion und die Steigerung des Ertrages ausgerichtet. Hinzu kommt eine verstärkte Automatisierung bei der Herstellung und Errichtung der Anlagen, um die kosten zu senken. Ein besonderer Schwerpunkt hierbei sind die künftigen Windkraftanlagen im Offshore-Bereich. Stichworte hierfür sind Tragestrukturen, Reduktion des Anlagengewichtes, Gründungskonzepte für die besondere Art des Bodens für die Fundamente, Reduktion von Strukturbelastungen sowie neue Konzepte zur Montage und Logistik.