Physik der Windenergie

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

Die Energie des Windes, die für die Umwandlung in Rotationsenergie zur Verfügung steht, steigt mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit an. 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 zunimmt. 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 Ostseeküste sowie hohe Lagen der Mittelgebirge oder größere Ebenen mit hohem Windaufkommen. Zusätzlich zur Nutzung der Windenergie an Land kann ein weiteres großes Potenzial für die Windenergie mit Offshore-Windparks 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 Windenergieanlagen begrenzt.

Deutschlandkarte mit verschieden eingefärbten Zonen, die die verschiedenen mittlerer Windgeschwindigkeiten in 40m Höhe anzeigen. Besonders hohe Windgeschwindigkeiten sind an der Nord- und Osteseeküste und in den Gebirgen verzeichnet.
Mittlere Windgeschwindigkeiten in Deutschland

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 sogenannte Betzsche 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 zwei Drittel der eintretenden beträgt. Aus dem Verhältnis von entnommener Windleistung zu angebotener Leistung lässt sich ein maximaler Wirkungsgrad von etwa 59,3 Prozent bestimmen.

Wirkungsgrade: Theorie und Praxis

Der theoretische Wirkungsgrad von 59,3 Prozent wird in der Praxis nicht erreicht, obwohl die heutigen dreiblättrigen Rotoren durchaus Werte bis zu 50 Prozent erreichen. Die Anlagenteile, mit denen die kinetische Windenergie in elektrischen Strom umgewandelt wird, führen dann zu weiteren Effizienzverlusten. Das beginnt mit der Ausrichtung der Rotoren nach Windrichtung und –stärke, setzt sich über das Getriebe fort, 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 beim 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 an Hochschulen finanziert. Nach Angaben der Bundesregierung wurde die Projektförderung im Bereich der Windenergie seit 2012 massiv ausgebaut, um die technologischen Voraussetzungen für die Nutzung der Windenergie auf See und an Land zu verbessern und zur weiteren Kostensenkung der Windstromerzeugung bei Herstellung und Betrieb beizutragen. Hierzu wurden im Jahr 2016 nach Angaben des BMWi 93 neue Projekte mit einem Fördervolumen von 86,24 Euro bewilligt. Das entsprach etwa 16 Prozent des Forschungsetats und nahm damit hinter der Fotovoltaik den zweiten Platz ein. Insgesamt wurden im Jahr 2016 vom BMWi im Bereich Windenergie 322 Forschungs- und Entwicklungsprojekte gefördert.