Was ist Windkraft?

Seit der Antike nutzen Menschen Windenergie für mechanische Zwecke und verwenden einfache Windmühlen, um Wasser zu fördern. Heutzutage basiert die Windenergieerzeugung auf Windkraftanlagen, die Energie aus dem Wind gewinnen. Windkraftanlagen arbeiten sowohl in kleiner (Einzelhaus) als auch in großer (Windpark) Größenordnung und können an Land oder auf hoher See, z. B. in Seen oder auf dem Meer, errichtet werden.

Neben der Solarenergie gilt die Windkraft als das größte Potenzial für die Steigerung des weltweiten Wachstums der erneuerbaren Kapazitäten: Im Jahr 2023 waren die fünf wichtigsten Märkte für neue Windkraftanlagen China, die USA, die Europäische Union, Indien und Brasilien.¹ Innovationen zur Weiterentwicklung der Offshore-Windanlagen, zur Senkung der Produktionskosten und zur Verbesserung der Effizienz der Stromerzeugung durch Windturbinen werden umgesetzt, um das Wachstum der Branche zu fördern.

Die erste mechanische Nutzung von Windkraft geht auf das Jahr 200 v. Chr. zurück, als die Menschen im Nahen Osten Windmühlen zum Mahlen von Getreide und in China zum Pumpen von Wasser verwendeten. Später, bereits im 12. Jahrhundert, wurden Windmühlen für industrielle Zwecke genutzt, etwa zur Entwässerung von Seen und Gewässern in Europa.

Im 19. Jahrhundert wurde die Windenergie zu einer Quelle der Stromerzeugung. Dem britischen Elektroingenieur James Blyth wird der Bau der ersten Windkraftanlage im Jahr 1887 zugeschrieben. Ihm folgten die Windenergiepioniere Charles Brush und Dane Poul la Cour, die Windenergie nutzten, um einzelne Gebäude mit Strom zu versorgen.²

Erst im späten 20. Jahrhundert entwickelte sich die kommerzielle Windkrafterzeugung zu einer praktikablen Energieoption. Die ersten Windparks im Versorgungsbereich (Projekte mit einer Gruppe von Windkraftanlagen) wurden in den 1980er Jahren in den USA installiert. Die Branche ist seit dem Jahr 2000 rasant gewachsen und die weltweit installierte Winderzeugungskapazität in den letzten zwei Jahrzehnten um das 98-fache gestiegen.³ Heute produzieren Windturbinen weltweit mehr als 2.100 Terawattstunden (TWh) Strom pro Jahr.⁴

Moderne Windkraftanlagen haben propellerartige Blätter (oder Rotorblätter), die einen Rotor drehen, wenn sie von der Kraft des Windes angetrieben werden. Der Rotor bringt einen Generator in Gang, der sich in einem boxähnlichen Behälter im Herzen der Turbine, der so genannten Gondel, befindet. Durch das Drehen des Rotors entsteht sauberer Strom, der in das Stromnetz eingespeist werden oder einzelne Haushalte mit Strom versorgen kann. Dieser Prozess kann auch so beschrieben werden, dass kinetische Energie in Rotationsenergie und dann in elektrische Energie umgewandelt wird.

Am häufigsten kommen Windkraftanlagen mit horizontaler Achse (HAWTs) vor, die einem Ventilator mit drei Flügeln ähneln. Es gibt aber auch Windkraftanlagen mit vertikaler Achse (VAWTs), deren Flügel sich wie die Messer in einem Mixer drehen.

Wie viel elektrische Energie aus dem Wind erzeugt wird, hängt von der Größe der Anlage und der Rotorblattlänge ab. Windkraftanlagen können eine Höhe von mehr als 215 Metern und die Rotorblätter einen Umfang von über 160 Metern erreichen. Diese riesigen Turbinen erzeugen bis zu 9,5 Megawatt Strom. Die meisten Windkraftanlagen sind jedoch etwa 80 Meter hoch und die Rotorblätter haben eine Länge von 40 Metern. Sie erzeugen bis zu 1,8 Megawatt Strom⁵.

Es gibt drei Hauptanwendungsbereiche bei der Windkraft: An Land, dezentral und Offshore.

Die meisten Windkraftanlagen werden an Land installiert, weshalb die Windenergie an Land die häufigste Anwendungsform darstellt. Ein gängiges Beispiel für Windkraft an Land ist ein Windpark im Versorgungsbereich, der oft von einem Versorgungsunternehmen betrieben wird, das den Strom dann verkauft. Das US Department of Energy (DOE) betrachtet die Windenergie an Land in der Versorgung als eine der kostengünstigsten Stromquellen.

Dezentrale Windkraftanlagen erzeugen Strom in kleinerem Maßstab. Sie zeichnen sich in der Regel durch eine oder mehrere kleine Windkraftanlagen aus, die einzelne Häuser, Produktionsstätten, landwirtschaftliche Gebiete oder ländliche Gemeinden vor Ort mit Energie aus Windkraft versorgen. Neben der Erzeugung vor Ort kann bei die dezentrale Windkraft auch an Mikronetze und hybride Energiesysteme angeschlossen werden. Dezentrale Windkraftanlagen generieren in der Regel weniger als 20 Megawatt.

Die Erzeugung von Offshore-Windkraft kann sowohl in Bezug auf den Umfang als auch auf die Anzahl der Turbinen viel größer sein als die Windkraft an Land. Die Rotorblätter einiger Offshore-Windturbinen die Länge eines Fußballfelds erreichen. Die Türme selbst sind eineinhalb Mal so hoch wie das Washington Monument^.6

Die derzeit größte befindet sich in der Irischen See und ist größer als die Insel Manhattan in New York. Offshore-Windkraftanlagen können als fest verankerte Anlagen oder auf schwimmenden Plattformen am Boden des Gewässers befestigt werden. Der erzeugte Strom fließt durch in die Erde vergrabene Unterwasserkabel zurück ans Land.

Als eine der am schnellsten wachsenden Energiequellen hat die Windkraft viele Vorteile.

Die Windenergie hat nicht viele Nachteile und wenn, dann lassen sie sich oft beheben.

In der Windkraftbranche entwickeln sich mehrere Technologien weiter:

Wetter und Klima beeinflussen die Erzeugung erneuerbarer Ressourcen wie Wind- und Sonnenenergie. Angesichts der wachsenden Sorge um Nachhaltigkeit und Klimawandel sind neue Technologien zur präzisen Vorhersage der Windgeschwindigkeit für die Energieerzeugung von Windkraftanlagen von großer Bedeutung. Die heutigen Lösungen für die Bedarfsvorhersage für erneuerbare Energien nutzen fortschrittliche Analysen, das Internet der Dinge (IoT) und Wetterdaten, um äußerst präzise Energieerzeugungsprognosen für Windparks zu erstellen.

Große schwimmende Turbinen, die in tieferen Gewässern platziert werden, haben das Potenzial, die Windkraftkapazität mehr als zu verdoppeln. Die US-Regierung kündigte eine Initiative zum Ausbau der Offshore-Windenergieerzeugung in Amerika an, indem bis 2030 30 Gigawatt an schwimmenden Offshore-Windparks bereitgestellt werden sollen.⁷ Derzeit gibt es vier Arten von schwimmenden Plattformen, die zur Nutzung dieser Offshore-Windressourcen verwendet werden: Zugbeine, Halbtaucherplattformen, Lastkähne und Spierentonnen.

Das aerodynamische Profil von Rotorblättern ist entscheidend für eine effiziente Energieerzeugung. Einige Unternehmen setzen mehrere Technologien ein –Computer Vision, maschinelles Lernen, Edge Computing und IoT – um die Genauigkeit der Fertigung zu gewährleisten. Die Erforschung fortschrittlicher Materialien wie Thermoplasten ermöglicht die Entwicklung von recycelbaren Windturbinenflügeln.⁸

Integration, Analyse und Visualisierung können Betreibern von Windparks ein detailliertes und genaues Verständnis von Assets vermitteln, einschließlich von Lösungen zur Verbesserung der Wartung. Dank dieser Transparenz ist das Situationsbewusstsein in den Bereichen Stromerzeugung, Verfügbarkeit der Windkraftanlagen, Umwandlungsraten der Windenergie und Zustand der Windkraftanlagen besser in Erfahrung zu bringen und so die Leistung zu optimieren.