Auftrieb wie beim Flugzeug

Der Wind weht fast überall auf der Welt und besitzt eine immense Energie. Windräder setzen diese Energie in Strom um. Anders als bei Solarzellen folgt diese Umwandlung dabei einem sehr einfachen physikalischen Prinzip:

Die Rotorblätter der Anlage setzen den Wind in eine Drehbewegung um, ein Generator wandelt die so entstandene mechanische Energie anschließend in elektrische Energie um.  

Das Auftriebsprinzip zur Stromerzeugung 

Die Funktionsweise von Windrädern lässt sich mit dem Auftriebsprinzip von Flugzeugen vergleichen: Bei einem klassischen Windrad sind drei lange Rotorblätter in gleichmäßigen Abständen an der sogenannten Nabe befestigt, dem rundlich-spitz zulaufenden Mittelteil des Windrades. Diese Rotorblätter sind ähnlich gewölbt wie die Flügel eines Flugzeugs, wodurch der Wind an einer Seite der Rotorblätter einen längeren Weg zurücklegt. Dadurch entsteht ein Unterdruck – die resultierende Auftriebskraft wirkt senkrecht zur Windrichtung, triebt die Rotorblätter in Drehrichtung an und setzt sie in Bewegung.

Durch die Bewegung der Rotorblätter dreht sich folglich die Nabe in der Mitte des Windrads. Hinter dieser befindet sich die sogenannte Gondel, in welcher ein mit der Nabe verbundener Generator steht. Wenn die Nabe sich dreht, wandelt der Generator die entstandene mechanische Energie in Strom um. Die gesamte Gondel ist außerdem drehbar und richtet sich dank einer an einen Windmesser angeschlossenen Steuerungselektronik immer nach der aktuellen Windrichtung aus. Die komplette Vorrichtung sitzt hoch oben in der Luft auf einem Mast, wo die Windgeschwindigkeiten höher sind als am Boden. 

Warum Windräder so riesig sind 

Diese Masten sind beeindruckend hoch – ein durchschnittliches Onshore-Windrad ragt etwa zwischen 90 und 130 Meter in die Höhe. Auch die Rotorblätter sind gewaltig – ein einzelnes Blatt ist etwa 45 Meter lang, deren Rotordurchmesser liegt dementsprechend bei 90 Metern. Onshore-Windräder erreichen damit im Schnitt eine Gesamthöhe von etwa 150 Metern. Zum Vergleich: Dies ist fast so hoch wie der Kölner Dom und sogar höher als die Pyramiden von Gizeh. Offshore-Windräder sind sogar noch größer: Sie erreichen Rotordurchmesser von über 200 Metern und Nabenhöhen von mehr als 170 Metern.  

Der Grund für die hohe Bauweise dieser Masten: Der Stromertrag eines Windrads steigt pro Meter Höhe um etwa ein Prozent, da auch die Windgeschwindigkeit mit dem Abstand zum Boden zunimmt. Und je schneller sich ein Windrad dreht, desto höher ist auch dessen Stromproduktion. Zudem verwirbelt Wind beim Kontakt mit Hindernissen, wie beispielsweise Wäldern oder Bergen, und verliert so an Geschwindigkeit und Energie. In hohen Höhen gibt es dementsprechend konstanteren und stärkeren Wind und somit mehr Windkraftenergie.  

Maximal 56 Prozent Wirkungsgrad 

Auch längere Rotorblätter steigern den Wirkungsgrad und somit den Stromertrag der Windräder, da längere Rotoren eine größere Fläche abdecken und dadurch mehr Windenergie „einfangen“. Allerdings haben diese Größen- und Höhen-Optimierungen ein Limit, denn Windräder können dem Wind rein rechnerisch maximal 59 Prozent seiner Leistung entziehen, wie der Physiker Albert Betz im frühen 20. Jahrhundert festgestellt hat. Moderne Windkraftanlagen erreichen heute bereits Wirkungsgrade von durchschnittlich 45 Prozent.  

Doch während sich der Wirkungsgrad von Windrädern kaum noch verbessern lässt, kann ein windreicher Standort den Stromertrag um ein zehn- vielleicht sogar hundertfaches steigern.