Der prozentuale Wert des Wirkungsgrads einer Windkraftanlage beschreibt, wie viel Potenzial während des Prozesses der Energiegewinnung verloren geht oder wie viel Energie im Nachhinein dafür verbraucht wird, Entsorgungsprobleme zu lösen oder Brenn- und Hilfsstoffe zu produzieren und zu kaufen. Die ursprüngliche Relevanz dieses Maßes beruht also eigentlich auf Anlagen, die teure und nicht erneuerbare Rohstoffe zur Energiegewinnung benötigen. Kurzum: Der Wirkungsgrad ist primär für nicht erneuerbaren Energien, wie Kohle, Erdgas und Atomkraft wichtig.
Für die Windenergie ist der Wirkungsgrad jedoch eher zweitrangig. Es werden keine begrenzten und teuren Rohstoffe für die Energiegewinnung benötigt.
So setzt sich der Wirkungsgrad zusammen
Der Wirkungsgrad bei Windturbinen ist eher aus einer technischen Perspektive heraus zu verstehen, welche die aerodynamische Wirksamkeit der Schaufeln betrachtet. Also wie groß ist die tatsächlich gewonnene Energiemenge im Verhältnis zum Ausmaß und der Tiefe der Rotorblätter und der insgesamt entnommenen kinetischen Kraft des Windes. Denn auch eine Windkraftanlage kann nicht die vollständige kinetische Energie des Windes in elektrischen Strom umwandeln. Wie bei jeder Energieumwandlung kommt es zu Verlusten. Unter anderem durch die Umwandlung der Windenergie in mechanische Rotationsenergie durch die Rotorblätter. Oder die Übertragung von der Welle auf Getriebe und Generator. Auch aerodynamische Verluste durch Reibung und Verwirbelungen am Rotorblatt verringern den Wirkungsgrad. Ganze 10% Leistungseinbuße entstehen durch die Reibung in den Lagern und dem Getriebe sowie im Generator selbst und die elektrischen Verlusten in Umrichtern und Kabeln.
Verluste bei der Umwandlung von Windenergie:
- 41% der Windleistung nicht entnehmbar (Betz-Wert)
- 5% aerodynamische Verluste
- 4% mechanische Verluste (Reibung in Lager, Welle und Getriebe)
- 5% elektrische Verluste in Generator, Umrichter, Transformator und Kabel
- 45% der Windleistung werden durchschnittlich ins Netz eingespeist
Es gibt in der Windkraft außerdem einen theoretischen Schwellenwert, der die rein physikalische Grenze der maximal möglichen Leistungsentnahme aus dem Wind markiert. Dieser wird auch als Betz-Grenzwert bezeichnet und liegt bei 59,3%. Dieser Wert ist nach dem Physiker Albert Betz benannt, der ihn 1920 kalkuliert hat. Die Berechnung beruht auf der einfachen Annahme, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Windes verringert werden muss, um ihm Leistung zu entnehmen, die dann in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Wird die Geschwindigkeit nicht durch die Rotorblätter verringert, kann keine Windleistung entnommen werden. Wird der Wind hingegen zu stark „gebremst“ verringert sich der sogenannte Luftdurchsatz (m). Er beschreibt die Menge an Luft, die in einer bestimmten Zeit durch die „Rotorebene“ strömt, jene Fläche, welche die Rotorblätter in dieser Zeit in ihrer Rotation überstreichen. Dieser Massenstrom wird durch die Multiplikation von Rotorfläche, Luftdichte und Windgeschwindigkeit zum Quadrat kalkuliert.
Diese Formel ergibt eine theoretisch optimale Summe der Blatttiefe aller Blätter, welche nun auf die Anzahl der Blätter z aufgeteilt werden muss.
Allerdings werden in modernen Kalkulationen weitere Faktoren berücksichtigt, welche der Betz-Grenzwert nicht berücksichtigte. So ging Betz etwa davon aus, dass die Luftströmung auch nach dem Passieren der Rotorebene eine rein axiale Richtung behält, was in der Realität aber nicht der Fall ist. Die Strömung hinter dem Windrad ist grundsätzlich drallbehaftet, wodurch eine Drehbewegung der abströmenden Luftsäule zu weiteren Verlusten der Windleistung führt. Diese Drallverluste variieren je nach Schnelllaufzahl und sind bei langsamen Laufzahlen höher, bei Schnellläufern geringer.
Auch die sog. Tip-Verluste, die an den Blattspitzen entstehen, werden hierbei nicht berücksichtigt, müssen bei der Dimensionierung moderner Anlagen aber mit einberechnet werden.
Leistung moderner Offshore Windkraft & Windparks
Bei der Frage nach der Leistung moderner Windkraftanlagen hängt die Antwort stark von Standort und Bauart der Windkraftanlage ab. Die leistungsstärksten Anlagen finden sich im Offshore-Bereich, denn auf offenem Meer, sowie in Küstennähe ist der Wirkungsgrad besser und es sind größere Nabenhöhen und Rotordurchmesser zulässig.
Der erste Offshore-Windpark der Welt, der 1991 vor Vindeby in Dänemark ans Netz ging, produzierte ca. 0,45 Megawatt Leistung. Deutschlands erster Offshore-Windpark (Alpha Ventus) ging erst 2009 ans Netz und war damals mit 5 Megawatt Turbinen bestückt. 2022 soll die ein erster Prototyp der leistungsstärksten Windturbine der Welt – MySE 16.0-242 aus China – gebaut werden, der bereits 16 Megawatt Leistung erzeugt. Eine Turbine erzeugt somit ca. 35 mal mehr Energie, als der gesamte erste Windpark der Welt. Auch diese Windturbine des chinesischen Unternehmens MingYang Smart Energy ist speziell für den Offshore-Einsatz konzipiert.
Doch nicht nur der Wind, auch die höheren zulässigen Nabenhöhen bzw. Turmhöhen sind entscheidend. Mit jedem Meter Nabenhöhe steigt der jährliche Stromertrag um 0,5 bis 1 Prozent.
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Die größte Windkraftanlage der Welt
Bei der Frage nach der Leistung moderner Windkraftanlagen kommt auch immer schnell die Frage nach den derzeit höchsten und leistungsstärksten Windrädern auf. Die leistungsstärksten Windparks befinden sich zwar meistens Offshore, doch das derzeit höchste Windrad der Welt steht in Deutschland und zwar in der Nähe von Stuttgart, im Ort Gaildorf.
Die Windkraftanlage des Unternehmens Max Bögl misst 246,5 Meter Gesamthöhe und wurde 2017 gebaut. Allein der Turm hat bereits eine Höhe von 178 Metern. Die gesamte Anlage besteht aus vier Türmen, wovon der niedrigste eine Höhe von 155 Metern misst. Sie alle verfügen über einen 3,4-Megawatt-Generator, der von General Electric gebaut wurde. Insgesamt erzeugt die Anlage so ca. 10.500 Megawatt-Stunden Strom pro Jahr. Ein durchschnittlicher deutscher Haushalt verbraucht davon etwa vier pro Jahr. Somit erzeugt die Anlage Strom für etwa 2.600 Haushalte.
V236-15 MW von Vestas holt auf
Doch die Windkraftanlage des Unternehmens Max Bögl in Gaildorf bekommt Konkurrenz. Noch im Jahr 2022 wird einer der weltgrößten Hersteller von Windkraftanlagen, das Unternehmen Vestas aus Dänemark, mit dem Prototypen eines Rekordjägers an den Start gehen.
Die 280 Meter hohe Windkraftanlage ist für den Offshore-Einsatz konzipiert, doch der Prototyp wird zunächst an Land errichtet, und zwar im dänischen Østerild. Mit einer Produktionsleistung von 80 GWh pro Jahr wird V236-15 MW zudem nicht nur die höchste, sondern auch die leistungsstärkste Windkraftanlage der Welt sein. Allein die Maße der Rotorblätter sind bereits gigantisch. Stolze 115,5 Meter misst eine “Klinge”. Somit kann allein eines dieser Windräder Strom für 20.000 europäische Haushalte produzieren, was rund 40.000 Tonnen Kohlendioxid einspart. Zudem hat die Anlage eine deutlich höhere Cut-out Geschwindigkeit als herkömmliche Windkraftanlegen. Statt bei 25 m/s liegt die maximal mögliche Windgeschwindigkeit bis zum Ausschalten des Anlage bei 30 m/s.
Serienmäßig soll der Einsatz übrigens zuerst in Deutschland erfolgen und zwar ab 2024.
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Auch Schipkauer Windpark will den Titel
Doch während V236-15.0 MW von Vestas noch nicht einmal serienmäßig in Betrieb gegangen ist, macht bereits ein weiteres Unternehmen jagt auf den Titel “höchste Windkraftanlage der Welt”.
In Schipkau, einer kleinen Gemeinde in Oberspreewald-Lausitz, soll ebenfalls die größte Windkraftanlage der Welt entstehen und zwar mit einer Turmhöhe von bis zu 300 Metern. Sie soll in einen bereits bestehenden Windpark integriert werden. Die Nabenhöhe soll mindestens um die 240 Meter und ein Rotorblatt gewaltige 120 Meter messen. Es handelt sich dabei um einen sog. Höhenwindturm, den das Unternehmen GICON® sich patentieren lies.
Die Zahlen ermöglichen oft nur im Vergleich eine Vorstellung davon, wie riesig diese zukünftigen Windkraftanlagen sein werden. Um die Vorstellung zu erleichtern: Ein reguläres Windrad, was jeder aus seiner eigenen Umgebung kennt, misst im Durchschnitt etwa 100 Meter Gesamthöhe.
Die 300 Meter Turmhöhe erreicht zunächst aber nur der Windmessturm, der im Vorfeld des Anlagenbaus errichtet wird, um den Bau vorzubereiten. Die Bauarbeiten an der Anlage selbst sollen dann 2023 beginnen. Den Zuschlag für die Windmessungen in 300 Meter Höhe hat 2021 ein Unternehmen der GICON®–Gruppe erhalten. Sie sollen nun nachweisen, dass in derartigen Höhen die Windausbeute tatsächlich um bis zu 40% höher ausfallen kann als bei niedrigeren Windkraftanlagen. Anschließend soll dann Deutschlands erster Höhenwindturm errichtet werden.
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