Windräder

Der Wind spielt schon länger eine große Rolle in der Energieerzeugung der Menschheit. Schon früh haben wir Windmühlen genutzt, um beispielsweise Getreide zu mahlen. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts wurden dann die ersten Anlagen gebaut, die Wind in Strom umgewandelt haben. Auch bei der Frage um eine nachhaltige Zukunft sind Windräder nicht wegzudenken.

Moderne Windkraftanlagen erzeugen ihre Rotation im Gegensatz zu den alten Windmühlen nicht mehr durch den direkten Winddruck, sondern ähneln eher Flugzeugflügeln: Sie haben geschickt gewölbte Rotorblätter, die Auftrieb erzeugen. Dieser soll jedoch nicht wie bei Flugzeugtragflächen nach oben wirken, sondern eine Rotation hervorrufen. Deshalb sind die Rotoren so ausgerichtet, dass die Auftriebskraft seitlich an ihnen zieht und sie so zum Drehen bringt.

Blattform und Anstellwinkel

In der Mitte des Windrades sind die Blätter dicker als außen. Dies hat den einfachen Grund, dass die teilweise über 100 Meter langen Rotorblätter durch die Hebelwirkung außen deutlich mehr Kraft erzeugen als innen. Damit das Material nicht so stark belastet wird und eine gleichmäßige Rotation entsteht, darf also außen nicht so viel Auftriebskraft erzeugt werden wie innen.

Moderne Windräder besitzen noch weitere ingenieurstechnische Tricks. Sie können beispielsweise ihre Rotorblätter selbst drehen, um den Anstellwinkel zu verändern und so mehr oder weniger Auftrieb zu erzeugen. Dadurch können sie sich an die aktuellen Windverhältnisse anpassen. Wenn der Wind an einem Standort generell nicht optimal ist, können noch andere Hilfsmittel eigesetzt werden.

Stall Strips und Vortex-Generatoren

Wenn der Wind an einem Ort zu stark ist, können an den Rotorblättern sogenannte „Stall Strips“ eingesetzt werden. Das sind dünne Metallstreifen, die sich längs der Vorderkante der Rotoren befinden und die Drehleistung kontrollieren. Eine Windkraftanlage ist immer nur auf eine bestimmte Drehgeschwindigkeit ausgelegt. Wenn sie erreicht wird, muss die Auftriebskraft reduziert werden, damit die Anlage nicht kaputt geht. Die Stall Strips sorgen in so einem Fall für einen kontrollierten, frühen Strömungsabriss, wodurch die Drehgeschwindigkeit wieder abnimmt.

Bei eher schlechten Windverhältnissen kommen „Vortex-Generatoren“ zum Einsatz. Dabei handelt es sich um kleine Plättchen, die senkrecht zur Windrichtung auf dem Rotorblatt stehen. Sie erzeugen kleine Verwirbelungen, die die Auftriebskraft erhöhen. Solche Anpassungen dienen jedoch eher als Nachjustierung und werden weniger standardmäßig eingesetzt.

59 Prozent Leistung – mehr geht nicht

Der Wirkungsgrad eines Windrades hat übrigens eine physikalische Obergrenze. Würde man es schaffen, die komplette kinetische Energie des Windes auf die Rotoren zu übertragen, stünde die Luft direkt hinter dem Windrad still. Dadurch könnte keine weitere nachströmen, um die Bewegung weiter anzutreiben.

Der deutsche Physiker Albert Betz hat Anfang des 20. Jahrhunderts errechnet, dass eine Windkraftanlage maximale Leistung erzeugt, wenn die Windgeschwindigkeit hinter dem Rotor noch ein Drittel der Anfangsgeschwindigkeit hat. Bei einer idealen Leistungsaufnahme besitzen die Rotoren dann einen Leistungsbeiwert von rund 0,59. Perfekte Windräder können also maximal 59 Prozent der Windenergie aufnehmen.

Der reale Beiwert hängt unter anderem von der Anzahl an Rotorblättern und deren Drehgeschwindigkeit ab. Die heute üblichen Dreiblattrotoren kommen auf einen Wirkungsgrad von ungefähr 50 Prozent. Diesen erreichen sie, wenn ihre Drehgeschwindigkeit das Sechs- bis Siebenfache der Windgeschwindigkeit beträgt.