Wind als erneuerbare Energie in Windkraftanlagen

Heute hat allein die allein die Bundesrepublik Deutschland im Jahr einen Energieverbrauch von circa 14.000 Petajoule. Das entspricht einer Energie, wie sie bei der Verbrennung von fast 500 Millionen Tonnen Steinkohle freigesetzt wird. Würde man diese Menge in einem Zug transportieren, bräuchte man etwa 6 Millionen Waggons voller Steinkohle. Und das ist nur der Energieverbrauch in einem einzigen Land. Ganz Europa verbraucht in einem Jahr schon fast 4 Milliarden Steinkohleeinheiten. Und die ganze Welt? Fast 15 Milliarden Tonnen, eine unvorstellbar große Zahl. Kaum jemand denkt darüber nach, wie viel Energie er verbraucht, um zum Beispiel einen Film im Fernsehen anzusehen oder sich ein warmes Mittagessen zu kochen. Doch eine ausreichende Energieversorgung könnte schon bald zu den bisher größten Problemen der Menschheit zählen. Bis heute nutzt man als Energiequellen zu etwa 80 Prozent fossile Brennstoffe; Kohle, Öl und Gas. Hinzu kommt die Kernenergie, die wegen eventueller Reaktorunfälle und ihrer radioaktiven Abfälle ökologisch höchst bedenklich erscheint. Bei der Verbrennung der fossilen Energiequellen entsteht neben der Umweltverschmutzung das Problem, dass diese immer weniger werden. Je nach Art und Berechnung kann man davon ausgehen, dass die fossilen Brennstoffe in den nächsten 50–300 Jahren verbraucht sind. Die Zukunft kann nur in den erneuerbaren Energien liegen. Die Sonne liefert uns mehr Energie, als wir benötigen. Seitdem die Erde existiert, steht uns diese Energiequelle zur Verfügung. Ob wir sie als Windenergie, Wasserkraft, Sonnenlicht oder Biomasse nutzen, es ist erneuerbare Energie. Wind kann stark sein, obwohl er doch nur aus Luft besteht. Was ist Wind? Woher kommt er? Wie entsteht er? Grundsätzlich entsteht Wind durch die Wärme der Sonne. Die Strahlung der Sonne erwärmt die Erdoberfläche vom Äquator bis zu den Polen unterschiedlich. Bei starker Sonneneinstrahlung, wie am Äquator, wird die Luft wärmer, der Luftdruck sinkt und die leichtere Luft steigt auf. Um Ausgleich zu schaffen, strömt unten kältere Luft nach. Es entstehen Strömungen, Wind beginnt zu wehen. Steigt die Luft auf, spricht man von einem Tiefdruckgebiet, fällt kühler werdende Luft herab, handelt es sich um ein Hochdruckgebiet. Da die wärmende Energie der Sonne zu den Polen hin stetig abnimmt, existieren weltweit mehrere Zirkulationssysteme. Mithilfe moderner Windkraftanlagen wird die kinetische Energie des Windes in für uns nutzbaren elektrischen Strom umgewandelt. Dieser Umwandlungsprozess erfolgt heute meistens nach den gleichen technischen Prinzipien. Eine Windkraftanlage besteht im Wesentlichen aus einem stabilen Fundament mit einem Turm, einer oben aufgesetzten drehbaren Gondel, die das Getriebe und den Generator enthält, und natürlich dem Rotor mit seinen Flügeln. Dazu kommt die Elektronik, um die erzeugte elektrische Energie ins Stromnetz einspeisen zu können. Sie ist meistens im Fuß der Anlage oder in einem nahestehenden Häuschen untergebracht. Auf dem Turm, meist eine Rohrkonstruktion aus Stahl oder Beton, sitzt auf einem sogenannten Azimutlager die Gondel, die nahezu den kompletten Maschinensatz enthält. Sie ist horizontal drehbar, denn sie muss den wechselnden Windrichtungen folgen können. In ihr wird die Drehgeschwindigkeit des Rotors, mit oder ohne Getriebe, auf den Generator übertragen. Heute dominieren Windkraftanlagen mit drei Flügeln, jedes einzelne dieser Rotorblätter besteht hauptsächlich aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen, CFK. Das Profil ähnelt dem einer Flugzeugtragfläche, das heißt das physikalische Prinzip des Auftriebs wird genutzt. Durch Veränderung der Blatteinstellwinkel lassen sie sich den unterschiedlichen Windverhältnissen optimal anpassen. Die meisten Windkraftanlagen laufen mit konstanter Drehzahl. Um überall einen möglichst günstigen Anströmwinkel zu erhalten, sind die Rotorblätter großer Windkraftanlagen immer verwunden. Zur Umwandlung der Rotationsenergie in Elektrizität benutzt eine gängige Windkraftanlage einen Generator. Eine grundsätzliche Frage besteht darin, ob vor dem Drehstromgenerator ein Getriebe eingebaut wird, oder nicht. Windkraftgeneratoren haben ein besonderes Problem zu bewältigen; sie werden von einer Leistungsquelle, dem Rotor mit stark schwankender mechanischer Leistung, unterschiedliches Drehmoment, angetrieben. Normale Drehstromgeneratoren benötigen ein Getriebe, weil der Rotor zu langsam dreht, sonst wären Blattspitzengeschwindigkeiten erforderlichen, die bei einem Rotordurchmesser von 43 Metern bei weit mehr als der doppelten Schallgeschwindigkeiten lägen. Ein Getriebe erhöht die Drehzahl des Rotors, zum Beispiel bei einer 750-Kilowatt-Anlage typischerweise mit einem Übersetzungsverhältnis von rund 1:50. Wird auf ein Getriebe verzichtet, dann kann ein spezieller, langsam laufender Drehstromgenerator mit einem Vielpolrotor direkt eingebaut werden. Beim Inselbetrieb wird der erzeugte Strom nicht in das öffentliche Netz eingespeist, sondern versorgt ein bestimmtes Areal mit Energie. Beim Verbundbetrieb sind die Windgeneratoren an das öffentliche Stromnetz angeschlossen, hier gleichen andere Energiequellen mögliche Engpässe aus.