Die Kraft des Windes

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.

Die Zukunft der Windkraft braucht keine Flügel: t.co/XMyLbaAuI9 pic.twitter.com/6XXQD4Ggrq
— WIRED Germany (@WIRED_Germany) 18. Mai 2015

Am heutigen Global Wind Day, einem weltweiten Aktionstag der
Windenergie, der seit 2007 jedes Jahr am 15. Juni stattfindet, bietet
es sich also an, diese Form der erneuerbaren Energien etwas genauer
zu beleuchten.

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, diese wiederum wird durch den angeschlossenen Generator in
elektrische Energie umgewandelt.

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 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.

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Entwicklung der Windenergie in Deutschland seit 1990 (blau: erzeugte elektrische Energiemenge pro Jahr, rot: installierte Leistung)

In den letzten 20 Jahren ist die Windenergie die am schnellsten
wachsende Energiequelle der Welt geworden. Heute hat sie einen Anteil
von über acht Prozent an der deutschen Stromversorgung. Bei der
Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien nimmt die Windkraft mit
einem Anteil von 35 % den ersten Platz ein und weitere Projekte zum
Ausbau der Windenergienutzung sind in Planung. Ob der ambitionierte
Fahrplan der Bundesregierung, bis 2050 80 % des Stromverbrauchs aus
erneuerbaren Energien zu gewinnen, eingehalten werden kann, bleibt
abzuwarten.

Dipl.-Met. Magdalena Bertelmann
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 15.06.2015

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