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Schule > Physik > Thermodynamik > Funktionsweise von Windkraftanlagen

Windkraftwerke sind Anlagen, die elektrische Energie erzeugen. Durch den Wind werden die Rotoren, die in den Windkraftanlagen eingebaut sind, zum Drehen gebracht, dadurch wird elektrischer Strom erzeugt. Windenergie entsteht nicht aus Kohle, Gas, Öl oder Kraftwerken, sondern soll den Verbrauch dieser Energieträger ersetzen oder senken, um die Vorräte zu schonen und zur Entlastung der Umwelt beizutragen.

Der Durchbruch der Windräder ist eigentlich eine Wiederkehr, denn im Laufe seiner Geschichte zählte das Windrad in verschiedenen Erdteilen zu verschiedenen Zeiten zu den wichtigsten Energiequellen. 

Wind entsteht grundsätzlich über zwei verschiedene Mechanismen. Zum einen durch die Thermik der Luftschichten und zum anderen durch Reibung der Erdoberfläche an der umgebenden Atmosphäre, bei der Eigenrotation unseres Planeten. Beide Effekte überlagern sich, so daß Winde von unterschiedlicher Geschwindigkeit und Richtung entstehen. 

Am besten wehen die Winde in einer Höhe von 100 Metern. Weil der Wind unmittelbar über dem Boden von allerlei Hindernissen gebremst wird, baut man die Windturbinen vorteilhaft auf Masten oder Türme. 

Ein Generator im Innern des Windrades ermöglicht es, kinetische Energie, sprich die Bewegungsenergie der Luft, in elektrische Energie, also Strom umzuwandeln Keine Windturbine kann die Windenergie zu 100% nutzen, weil ein Teil der Luft durch die Turbinenlätter auf der Rückseite verdrängt wird. Der theoretisch höchste Wirkungsgrad beträgt 60%. Durch die Weiterleitung der Energie zwischen Propeller, Getriebe und Generator sowie durch die Umwandlung der mechanischen in elektrische Energie gehen 20% der Windenergie verloren, so daß am Ende nur noch rund 40% der Windenergie übrig bleibt.

Im Laufe der Zeit haben sich verschiedene Techniken in der Herstellung von Windrädern entwickeln können. Es gibt 1. die vertikal laufenden Windräder und 2. die horizontal laufenden Windräder. Die vertikalen Windräder stehen senkrecht zum Wind und sind abhängig von der Windrichtung. Die Drehbewegung wird auf Generatoren oder auf Arbeitsmaschinen, wie z.B. Pumpen übertragen. Dagegen sind die horizontal laufenden Windräder unabhängig von der Windrichtung, sie arbeiten auch, wenn der Wind von hinten kommt. Dadurch wird zwar der Bau vereinfacht, weil man nicht die Anlagen in die Windrichtung drehen muß, hat aber den Nachteil, daß die Angriffsfläche hier kleiner ist als bei Windrädern mit senkrechter Drehachse. 

Eine weitere Technik ist der Darrieus-Rotor. Die Form der Rotorenblätter gleichen einem Zwiebelring. Auch dieser Rotor arbeitet unabhängig von der Windrichtung. Er kann den Wind auch schon in geringer Höhe auffangen und muß deshalb nicht auf einem hohen Mast angebracht werden. Diese Art der Windkraftanlage wird heute in Westeuropa nicht mehr genutzt, dient aber immer noch der Energieerzeugung in Entwicklungsländern. 

Die erneuerbaren Energiequellen sind theoretisch unerschöpflich. In der Praxis kann man nach heutigem Stand der Technik nur einen geringen Teil Windkraftanlagen wirtschaftlich nutzen, weil Windenergie nur zeitweilig vorhanden ist. Die Nutzung der Energie ist deshalb an teure Techniken gebunden. Erforderliche Speicher, die die Energie speichert, müssen noch entwickelt werden. Deshalb ist Windenergie nicht geeignet, um ganze Regionen zu sichern. 

Darum muß man sagen, daß man Kernkraftwerke nicht durch sog. Windparks (bestehend aus mehreren hunderten Windkraftanlagen) ersetzen kann. Die Windkraftanlagen könnten einen Anteil von 6 - 8% an der heutigen Kraftwerksleistung der BRD erreichen. Wind hat aber den Nachteil, daß er die Energie nicht ständig liefern kann. Man kann auch aus technischen Gründen die Winkraftanlagen nicht beliebig hoch bauen, und man braucht auch wegen der geringen Dichte des Windes große Flächen. Am 14. August 1987 wurde im südlichen Dithmarschen ein Energie-Park in einer Größe von 20 Hektar, daß sind 14 Fußballfelder, mit mehr als 30 Windkraftanlgen in Betrieb genommen. Die Abstände zwischen den einzelnen Anlagen betrugen 175 Meter. Dies funktionierte aber nicht reibungslos, wie man es gehofft hatte. Die Bewohner klagten über zu viel Lärm und fünf von diesen Anlagen fielen schon aus. Für die Experten ergibt sich durch Tests, daß man die Anlagen nicht so nah beieinander aufbauen kann, obwohl der Abstand schon 175 Meter beträgt. In den letzten Jahren hat sich im In- und Ausland verstärktes Interesse an Windkraftanlagen der Leistungsklasse 1 Megawatt gebildet.

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