Eine Windkraftanlage (WKA) erntet mit ihrem Rotor die Energie des Windes, wandelt sie in elektrische Energie um und speist sie in das Stromnetz ein.
In der Fachliteratur hat sich auch die Bezeichnung Windenergieanlage (WEA) etabliert. Ferner wird Windkraftwerk als Synonym verwendet, manchmal auch Windkraftkonverter (WKK). In der Umgangssprache finden sich auch die Bezeichnungen Windrad oder Windmühle.
Dieser Artikel befasst sich mit leistungsstarken Anlagen, die typischerweise mit Netzanschluss betrieben werden. Kleinanlagen, die im Inselbetrieb wirtschaftlich sein können, werden unter Windgenerator behandelt. Die Betrachtung mehrerer Windkraftanlagen findet sich im Artikel Windpark, weitere Anwendungen sowie energiepolitische Aspekte in den Artikeln Windenergie, Erneuerbare Energie und Energiewende.
Die erste belegte Anlage zur Stromerzeugung errichtete 1887 der Schotte James Blyth, um Akkumulatoren für die Beleuchtung seines Ferienhäuschens aufzuladen.Seine einfache, robuste Konstruktion mit einer vertikalen Achse von zehn Metern Höhe und vier auf einem Kreis von acht Metern Durchmesser angeordneten Segeln hatte eine bescheidene Effizienz. Nahezu zeitgleich orientierte sich Charles F. Brush in Cleveland, Ohio mit einer 20 Meter hohen Anlage an der damals bereits fortgeschrittenen Windmühlentechnik. Während es aber bei Mühlen eher auf das Drehmoment als auf die Drehzahl ankommt, brauchte er eine zweistufige Übersetzung mit Riementrieben, um einen 12-kW-Generator anzutreiben.
Der Däne Poul La Cour kam um die Jahrhundertwende durch systematische Versuche – unter anderem an aerodynamisch geformten Flügelprofilen in Windkanälen – zum Konzept des Schnellläufers, bei dem nur wenige Rotorblätter ausreichen, die Windenergie über die ganze Rotorfläche auszunutzen.
1920 zeigte Albert Betz physikalische Prinzipien auf, die heute noch angewandt werden, um die Energie des Windes optimal zu nutzen: Abbremsung der Strömungsgeschwindigkeit gerade auf ein Drittel der Windgeschwindigkeit, gleichmäßig über die Rotorfläche, realisierbar durch nach außen abnehmende Profiltiefe der Rotorblätter.
Die durch die Luftfahrt vorangetriebene Verbesserung der Profilgeometrien in den 50er und 60er Jahren auf Gleitzahlen weit über 50 erlaubte extreme Schnellläufer mit nur noch einem einzigen Rotorblatt. Rotoren mit mehr als zwei Blättern galten als rückständig.
Während man in Deutschland und den USA zunächst auf Großprojekte wie den zweiflügeligen GROWIAN setzte, die sich jedoch aufgrund großer technischer Probleme als Fehlschläge erwiesen, setzte sich alsbald das Dänische Konzept zahlreicher robuster Anlagen kleiner und mittlerer Leistung durch. Die auch in großen Stückzahlen in die USA exportierten Anlagen hatten eine Asynchronmaschine, ein oder zwei feste Drehzahlen und drei starre Rotorblätter (Stall-Regelung).
Technische Entwicklung seit den 1990er Jahren bis heute
Auf Basis dieser nach heutigen Maßstäben kleinen Anlagen fand in den 1990er und 2000er Jahren die weitere Entwicklung hin zu den modernen Großturbinen statt. Seither ist Dänemark das Land mit dem größten Windkraftanteil an der Stromerzeugung.
Mit dem Stromeinspeisungsgesetz von 1991 begann der Aufschwung der Windenergie auch in Deutschland und setzte sich mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz fort. Diese politischen Rahmenbedingungen trugen dazu bei, dass deutsche Windkraftanlagenhersteller die Technologie- und Weltmarktführerschaft erlangten. Sie entwickelten immer größere Anlagen mit drei verstellbaren Rotorblättern, variabler Drehzahl; einige Hersteller favorisierten einen getriebelosen Antriebsstrang. Vielerorts kam es zu politischen Auseinandersetzungen zwischen Gegnern und Befürwortern der Windenergienutzung.
Die Nennleistung der 1990 in Deutschland neu installierten Windkraftanlagen betrug im Durchschnitt 164 kW. Die mittlere Nennleistung der im Jahr 2000 aufgestellten WKA überschritt erstmalig die Marke von 1 MW, 2009 die Marke von 2 MW. Im Jahr 2011 lag sie bei über 2,2 MW, wobei Anlagen mit einer installierten Leistung von 2,1 bis 2,9 MW mit 54 % aller Anlagen dominierten. Eine weiterer Anstieg der Nennleistung ist aufgrund der Einführung der 3-MW-Klasse durch die meisten Hersteller von Onshore-Windkraftanlagen sowie dem Ausbau der Offshore-Windenergie, wo hauptsächlich Anlagen mit einer Nennleistung zwischen 3,6 und 6 MW zum Einsatz kommen, absehbar.
Eine größere Rotorgröße hatte daran großen Anteil. Noch bis Ende der 1990er Jahre hatten die meisten Rotoren weniger als 50 Meter Durchmesser; ab dann stiegen die Durchmesser deutlich an. Seit dem Jahr 2000 dominieren Anlagen mit einem Rotordurchmesser zwischen 60 und 90 Metern, ab 2003 gehörten etwa 90 % aller neu aufgestellten Windkraftanlagen dieser Rotorklasse an.[2] Seit 2008 kommen oft auch Windkraftanlagen mit Rotordurchmessern über 90 Metern zum Einsatz, was 2012 bereits der Durchschnittswert der in Deutschland neu installierten Anlagen ist. Entsprechend stiegen die durchschnittliche Nabenhöhe und Nennleistung auf 110 m bzw. 2,4 MW, mit deutlichen Unterschieden aufgrund regionaler Windhöffigkeit, für Details siehe . Moderne Schwachwindanlagen weisen mittlerweile Rotordurchmesser bis etwa 120 Meter auf, die Nabenhöhen können dabei bis zu 140 Metern erreichen.
Neben wirtschaftlichen Vorteilen wie sinkenden Stromgestehungskosten verringern sich laut einer Studie der ETH Zürich sowie der EMPA mit steigender Anlagengröße aufgrund von Skaleneffekten und zunehmender Erfahrung der Konstrukteure auch die Umweltauswirkungen der Windkraftanlagen. So fiel in der Vergangenheit mit einer Verdopplung der Installation von Windkraftanlagen der fertigungsbedingte CO2-Ausstoß der Windstromerzeugung um 14 %, wobei die untersuchten Anlagentypen zwischen 9,5 und 29,7 Gramm CO2-Äquivalent pro kWh freisetzten. “Dieser Effekt entsteht durch die Kombination von Anlagengrösse und Lerneffekten”, sagt Hauptautorin Marloes Caduff. “Um eine Windkraftanlage mit doppelter Leistung zu erhalten, ist nicht automatisch doppelt so viel Energieaufwand und Material zu deren Bau nötig.” Als maßgeblicher Einflussfaktor wurde die Erhöhung von Rotordurchmessern und Nabenhöhe ausgemacht.[4][5]
Nicht alle neu installierten Anlagen stehen an neuen Standorten. Teilweise werden alte Anlagen abgebaut und durch leistungsstärkere ersetzt, was als Repowering bezeichnet wird. Innerhalb von Windparks sinkt dabei in der Regel die Anzahl der Anlagen, während zugleich installierte Leistung und Ertrag deutlich gesteigert werden.
Weltweit war Ende 2011 eine Nennleistung von gut 238 GW installiert. Die höchste Leistung wies dabei China mit rund 63 GW auf, danach folgten die USA mit 47 GW, Deutschland mit 29 GW, Spanien mit 21 GW und Indien mit 16 GW.
Quelle:Wikipedia