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Was ist Windenergie und wie funktioniert sie?

Windenergie ist die Nutzung der kinetischen Energie von Luftströmungen zur Erzeugung elektrischer Energie. Die kinetische Energie der Luftmassen wird durch die Sonneneinstrahlung und die daraus resultierenden Temperaturunterschiede erzeugt. Windenergie gehört zu den erneuerbaren Energien und wird genutzt, um mithilfe von Windrädern (auch Windmühlen genannt) Strom zu erzeugen. Laut Umweltbundesamt ist die Windenergie die tragende Säule der Energiewende.

Wie wird Wind in Strom umgewandelt?

Windenergie wird auf folgende Weise erzeugt: Die Sonneneinstrahlung erwärmt die Luft in der Atmosphäre an verschiedenen Stellen unterschiedlich stark. Wenn an einer Stelle warme Luft aufsteigt und in anderen Regionen beispielsweise keine Luft erwärmt wurde, entstehen Druckunterschiede, die wiederum zu ausgleichenden Luftströmungen führen, die wir als Wind verstehen.

Seit jeher wird die Bewegungsenergie des Windes „eingefangen“ und mithilfe von Windrädern in mechanische Energie oder seit dem 19. Jahrhundert in elektrische Energie umgewandelt. Zur Stromerzeugung wird Wind durch die Rotorblätter einer Windmühle in Rotationsenergie umgewandelt, die einen elektrischen Generator im Inneren der Windkraftanlage antreibt.

Die Stromerzeugung hängt von der Windstärke, d. h. der Geschwindigkeit des Windes ab. Die Position der Windkraftanlage ist also entscheidend.[1]

Welche Arten von Windenergie gibt es?

Die vorherrschende Art der Windenergienutzung sind Windturbinen, die drei Rotorblätter haben. Windenergieanlagen unterscheiden sich nach ihrem Standort: Sie können an Land (Onshore) oder auf See (Offshore) stehen. Die Turbinen werden an für die Windenergie geeigneten Standorten – auf dem Wasser oder an Land – errichtet.

Windenergie an Land

Die meisten Windkraftanlagen werden an windigen Onshore-Standorten (z. B. in Küstennähe oder in den Bergen) gebaut, da die Windenergie an Land eine der kostengünstigsten Möglichkeiten zur Stromerzeugung ist. Der Vorteil von Onshore-Windturbinen ist, dass Bau und Wartung viel einfacher sind, da die Turbinen besser zugänglich erbaut wurden.[2]

Die Offshore-Windenergie

Während Windkraftanlagen an Land seit etwas mehr als 25 Jahren genutzt werden, entwickelt sich die Offshore-Windenergie erst seit 10 Jahren: Der erste Offshore-Windpark (eine Gruppe von zahlreichen Windkraftanlagen) wurde 2009 in der Nordsee in Betrieb genommen. Der Vorteil von Offshore-Windparks besteht darin, dass jenseits der Küste durch die höheren Windgeschwindigkeiten eine bessere Windausbeute erzielt wird, da die Winde ungehindert von Hügeln, Bergen oder anderen Barrieren auf die Windenergieanlagen treffen.

Die Instandhaltung und der Bau werden jedoch durch den manchmal sehr hohen Wellengang erschwert, und auch der Materialverschleiß ist im Wasser wesentlich höher.[3]

Wie wird Windenergie gespeichert?

Im Zuge der Energiewende werden in Deutschland Energiespeicher benötigt, weil immer mehr Strom aus schwankenden Energiequellen wie Wind und Sonne geliefert wird. Der Wind weht nicht immer dann, wenn Strom gebraucht wird. Aber wenn der Wind stark bläst, wird oft zu viel Strom erzeugt. Gerade diese fluktuierenden Quellen produzieren Strom, der nicht der tatsächlichen Nachfrage entspricht. Dadurch stehen Windkraftanlagen oft still, denn in Kraftwerken muss genau so viel Energie erzeugt werden, wie gerade benötigt wird. So können sie ihr Potenzial nicht voll ausschöpfen.

Darüber hinaus werden die Betreiber von Windparks für jede Kilowattstunde entschädigt, die aufgrund einer Abschaltung nicht ins Netz eingespeist werden kann. Diese Gebühren werden vom Netzbetreiber bezahlt, der sie wiederum an den Verbraucher weitergibt. Was liegt also näher, als Strom aus erneuerbaren Energien zu speichern? Die Stromspeicherung ist die Lösung für das Problem der schwankenden Versorgungssicherheit, da schwankende Einspeisungen besser ausgeglichen werden können. Elektrische Energie kann noch nicht in ausreichendem Maße direkt gespeichert werden, daher wird sie durch Umwandlung in eine andere Energieform gespeichert.

Allerdings sind diese Technologien bei der Rückwandlung in elektrische Energie mit Verlusten verbunden. Viele sehen die Zukunft der Stromspeicherung in der Power-to-Gas-Technologie. Hier wird der Strom in einem Elektrolyseprozess in Wasserstoff und Methan umgewandelt. So könnte der brennbare Wasserstoff in das Erdgasnetz eingespeist und bei hohem Strombedarf (der beispielsweise bei Windstille nicht gedeckt werden kann) in Gaskraftwerken verbrannt und umgewandelt werden wieder in elektrische Energie. Obwohl diese Technologie hohe Speicherkapazitäten ermöglicht, ist die Umrüstung mit massiven Effizienzverlusten verbunden.

Bei Batteriespeichern, vorzugsweise in Lithium-Ionen-Batterien, wird elektrische Energie in einem chemischen Prozess unter Stoffumwandlung gespeichert. Klar ist: Die richtige Speichertechnik kann verhindern, dass Windkraftanlagen bei Netzüberlastung abschalten.


[1] www.interconnector.de/wissen/windenergie/

[2-3] www.enercity.de/magazin/unsere-welt/so-funktioniert-eine-windkraftanlage

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