Aus Wind mach Strom

Seit Jahrtausenden nutzt der Mensch die Kraft des Windes: Vor mehr
als 4000 Jahren wurden die ersten Windmühlen errichtet, um mithilfe
der Windkraft Getreide zu mahlen. Seit dem Altertum wird Windenergie
zudem zur Fortbewegung z.B. mit Segelschiffen genutzt. Den Wind als
Energiequelle zu nutzen, ist also keinesfalls neu. In der heutigen
Zeit, aufgrund geringer werdender Ressourcen an Erdöl und Erdgas,
bekommt Windenergie aber eine völlig neue Bedeutung, da der Wind als
unerschöpflich nutzbare Energiequelle betrachtet werden kann.

Energie kann nach dem physikalischen Energieerhaltungssatz weder
erzeugt noch verbraucht oder zerstört werden. Sie kann jedoch in
verschiedene Formen umgewandelt werden, was auch bei Windkraftanlagen
genutzt wird: Die Bewegungsenergie (kinetische Energie) des Windes
kann vom Rotor einer Windkraftanlage in Rotationsenergie umgesetzt
werden, und diese wiederum durch den angeschlossenen Generator in
elektrische Energie.

Die Leistungsfähigkeit (Wirkungsgrad) einer Windkraftanlage wird
folglich an der Menge der elektrischen Energie gemessen, die aus der
kinetischen Energie des Windes umgewandelt werden konnte. Je mehr
kinetische Energie dem Wind von einer Windkraftanlage entzogen wird,
umso stärker wird der Wind abgebremst. Wenn man versuchen würde, die
gesamte Energie aus dem Wind zu gewinnen, dann hätte die Luft hinter
dem Rotor die Geschwindigkeit null, d.h. sie würde die
Windkraftanlage nicht verlassen, was praktisch nicht möglich ist, da
die Luft hinter der Anlage abgeführt werden muss und hierfür einen
Teil ihrer Bewegungsenergie benötigt. Man kann also nur einen
bestimmten Anteil der kinetischen Energie in Rotationsenergie
umwandeln, nämlich maximal 59,3 % (Gesetz von Betz). Die besten
heutigen drei-blättrigen Rotoren erzielen bereits Werte von ca. 50 %.


Offenkundig ist die Windgeschwindigkeit von entscheidender Bedeutung
für die Energieausbeute einer Windkraftanlage. Denn die Energie des
Windes, die für die Umwandlung in Rotationsenergie zur Verfügung
steht, steigt mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit.
Aufgrund dieser Beziehung wächst bei doppelter Windgeschwindigkeit
das Energieangebot an die Rotoren also 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 höhere
Berglagen. Immer mehr Bedeutung gewinnen Windturbinen auf See,
sogenannte Offshore-Anlagen. Ab einer mittleren jährlichen
Windgeschwindigkeit von 4-5 m/s kann eine gute Leistung erzielt
werden und die Windkraft ist geeignet, wirtschaftlich Elektrizität
bereitzustellen.

Am heutigen Samstag sind die Windräder dank Tief THOMAS in
Deutschland ganz schön am "rotieren": Bei Böen zwischen 50 und 70,
lokal auch um die 80 km/h (Bft 7-9) wird sicherlich die ein oder
andere Kilowattstunde an Leistung erzeugt (morgen in der Mitte und im
Süden im Übrigen noch einmal, dann durch die kurze Stippvisite von
Tief UWE). Noch höhere Windgeschwindigkeiten sind heute nicht nur auf
exponierten Berggipfeln, sondern auch auf der Nordsee zu erwarten.
Gute Aussichten also für Offshore-Anlagen? Nicht unbedingt: Ab ca.
90 km/h (Bft 10) werden die meisten Windkraftanlagen abgeschaltet
bzw. stellen sich die Rotorblätter automatisch waagrecht zum Wind um
eventuelle Schäden zu vermeiden. Auch um eine Netzüberlastung zu
vermeiden, werden Windkraftanlagen bei Bedarf abgeregelt. "Viel hilft
viel" trifft hier also nicht zu ?

Dipl.-Met. Magdalena Bertelmann
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 09.02.2019

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