Technik, Bau und Betrieb

Eine Windenergieanlage besteht aus einem Turm mit Generator und Rotorblättern. Trifft Wind auf den Rotor, formt dieser die Strömungsenergie des Windes in Bewegungsenergie um und die Rotorblätter drehen sich. Anschließend wird die Energie an den Generator übertragen, der sie in elektrische Energie umwandelt.

Das Deutsche Institut für Bautechnik (DIBt) unterteilt Deutschland den Windverhältnissen entsprechend in vier Windzonen: Windzone I (Schwachwindstandorte), Windzone II (typische Binnenlandstandorte), Windzone III (küstennahe Standorte) und Windzone IV (Küstenlinie). Während sich in den ersten Jahren der Windenergienutzung die Entwicklung vor allem in den windstarken Windzonen III und IV konzentrierte, wird der Ausbau seit einigen Jahren auch in den Windzonen I und II intensiv vorangetrieben. Mit den neuesten Anlagentechnologien und Nabenhöhen von bis zu 199 Metern kann auch an Schwachwindstandorten wirtschaftlich sinnvoll Windenergie erzeugt werden. 

Das hängt natürlich von der Größe der Anlage und den Windverhältnissen ab. Moderne Windenergieanlagen haben eine installierte Leistung von 6 MW. Nach einer Abschätzung des Bundesverbands Windenergie kann bei den in Bayern üblichen Windverhältnissen für moderne Anlagen mit ca. 2.000 Volllaststunden gerechnet werden. Daraus ergibt sich ein durchschnittlicher Jahresertrag von 12.000 MWh, Strom für ca. 3.700 Durchschnitts-Haushalte (gemittelter Jahresstromverbrauch von 3.200 kWh). 

Die Durchschnittswerte der bestehenden Windenergieanlagen in Bayern liegen bei 2,3 MW installierter Leistung und 1.500 Volllaststunden, was einem Jahresertrag von 3.450 MWh und damit Strom für ca. 1.100 Durchschnittshaushalte entspricht. 

Der Frage, wie viel Strom bei einer einzigen Umdrehung eines modernen Windrads erzeugt wird, ist der WDR in der "Sendung mit der Maus" nachgegangen(Link öffnet in einem neuen Fenster). Die gezeigte Anlage kann bei mittleren Windgeschwindigkeiten mit einer Umdrehung ungefähr 8 kWh Strom erzeugen. Das reicht zum Beispiel aus, um einen Kühlschrank fast 20 Tage lang zu betreiben, oder ein Smartphone über eineinhalb Jahre hinweg immer wieder aufzuladen.

Die beiden Kraftwerksarten lassen sich nur bedingt vergleichen, da Kernkraftwerke im Normalfall rund um die Uhr zur Verfügung stehen (sogenannte Grundlastkraftwerke), während Windenergieanlagen je nach Windlage unterschiedlich viel Strom erzeugen.
Eine rechnerische Abschätzung lässt sich über die bereitgestellte Strommenge vornehmen:
Die bayerischen Kernkraftwerke hatten eine Nettoleistung von ca. 1.300 MW (je Anlage). Bei einer Verfügbarkeit von rund 90 % ergibt sich eine Strommenge von mehr als 10.000 GWh für eine Anlage jährlich.
Moderne Windenergieanlagen haben eine installierte Leistung von 6 MW. Für diese Anlagen können in Bayern ca. 2.000 Volllaststunden angesetzt werden. Dies bedeutet, im Jahr werden 12.000 MWh Strom erzeugt. Demnach benötigt man etwa 850 moderne Windenergieanlagen, um so viel Strom zu erzeugen wie ein Kernkraftwerk. Setzt man die Durchschnittswerte der bestehenden Windenergieanlagen in Bayern (2,3 MW installierte Leistung, 1.500 Volllaststunden) an, benötigt man etwa 2.900 Windenergieanlagen als Ersatz für ein Kernkraftwerk

Hohe Standards für Bau und Betrieb und optimierte Wartungsintervalle gewährleisten eine technische Verfügbarkeit der Anlagen von 98 % und eine Betriebsphase von bis zu 30 Jahren. Windenergieanlagen werden vom Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) typengeprüft und genehmigt. Es gibt eine unabhängige Bauüberwachung während des Baus sowie eine erneute Abnahme aller sicherheitsrelevanten Komponenten bei Inbetriebnahme. Wartungsverträge mit dem Anlagenhersteller und ein eigenes Betriebsführungsteam ermöglichen laufende Kontrollen und die Optimierung im Betrieb. Alle zwei bis vier Jahre finden zusätzliche Sicherheitsprüfungen und ordnungsgemäße Wartungen in der Betriebsphase statt.

Windenergieanlagen werden regelmäßig durch den Anlagenhersteller gewartet. Zusätzlich werden die Sicherheitseinrichtungen (z. B. Befahranlage, Abseilgeräte) geprüft. Darüber hinaus gibt es jährliche Inspektionen durch die Betriebsführung. Eine 24/7-Überwachung erfolgt durch den Hersteller und die Betriebsführung. Bei Störungen der Anlage wird kurzfristig ein Serviceeinsatz zur Fehlerbehebung durchgeführt.

Das Risiko, dass eine Windenergieanlage in Brand gerät, liegt statistisch bei 0,01 bis 0,04 %. Für jede genehmigte Windenergieanlage muss ein Brandschutzkonzept erarbeitet werden. Technisch werden moderne Sicherheitsvorkehrungen umgesetzt wie Blitzschutz, Rauchmelder, Lichtbogendetektoren, Temperatursensoren und Schaltanlagenschutzrelais. Im Konzept finden auch örtliche Gegebenheiten Eingang, z. B. zu Rettungswegen und Löschwasserbereitstellung. Aufgrund der hohen Sicherheitsstandards beträgt die Haftpflicht-Versicherungsprämie nur rund 60 Euro pro Jahr und Anlage.

Die Lebensdauer einer modernen Windenergieanlage beträgt bis zu 30 Jahre.

Nach Ablauf der Betriebszeit wird jede Windenergieanlage inklusive des Fundaments zurückgebaut. Entsprechende Rückbauverpflichtungen und finanzielle Sicherheiten sind in den Pachtverträgen sowie im Genehmigungsbescheid geregelt. Dabei wird die Fläche in den ursprünglichen Zustand zurückversetzt und Großteile der Anlagen werden wiederverwendet. Das Fundament wird beim Rückbau beispielsweise mit Hilfe eines Hydraulikmeißels aufgebrochen und entsorgt. Kabel und Trafohäuschen werden ebenfalls entfernt. Der Boden wird anschließend in den vorherigen Zustand zurückversetzt.

Es besteht am Ende ihrer Betriebszeit die Möglichkeit, alte Windenergieanlagen durch moderne und leistungsstärkere Anlagen am gleichen Standort zu ersetzen. Dieses Vorgehen nennt man Repowering. Damit lassen sich etablierte Windenergiestandorte langfristig nutzen. Meist sind dann mit weniger Anlagen deutlich höhere Erträge möglich.

Teilweise gibt es Zweitmärkte im Ausland, in denen die Windenergieanlagen wieder aufgebaut werden. Ist dies nicht möglich, werden die Materialien recycelt. Für fast alle in einer Windkraftanlage verwendeten Materialien existieren geeignete Entsorgungswege, wodurch derzeit eine Recyclingquote von 80 bis 90 Prozent erreicht werden kann. Eine Ausnahme bildet die Rotorblattentsorgung. Hierbei besteht weiter Optimierungsbedarf nach einer ökonomisch und ökologisch noch sinnvolleren Verwertung.

Weitere Informationen zum Abrieb der Rotorblätter finden Sie hier(Link öffnet in einem neuen Fenster).

Die Genehmigungsbehörde setzt im Rahmen des BImSchG-Verfahrens die Höhe einer Rückbaubürgschaft fest, die bei aktuellen Projekten bei etwa 200.000 Euro pro Windenergieanlage liegt. Den Abbruchkosten stehen dabei Erlösmöglichkeiten durch den Verkauf und die Weiterverarbeitung der recyclingfähigen Baustoffe (etwa 90 Prozent) gegenüber.

Manchmal stehen Windenergieanlagen still, obwohl Wind weht. In diesen Fällen wurden sie vorübergehend abgeschaltet. Die Gründe dafür können sehr unterschiedlich sein.

Sicherheitsmaßnahmen bei sehr starkem Wind:
Bei sehr starkem Wind (Sturm) muss die Anlage aus Schutz vor Beschädigung abgestellt werden.

Natur- und Anwohnerschutz:
Abhängig von Standort und Jahreszeit kann eine Abschaltung aus Naturschutzgründen erfolgen: Manche Anlagen unterliegen im Betrieb gewissen Naturschutzauflagen. Zum Beispiel müssen sie zu bestimmten Tages- oder Brutzeiten abgeschaltet werden, um windkraftsensible Arten (Vögel, Fledermäuse) zu schützen. Auch während des Vogelzuges kann eine Abschaltung angeordnet werden.
Es kann auch vorkommen, dass Anlagen aus Immissionsschutzgründen (Licht, Lärm) stillstehen, um beispielsweise zu verhindern, dass der rotierende Schatten zu lange und zu oft auf naheliegende Wohnhäuser fällt oder dass nachts die Lärmbelästigung zu hoch ist.

Sicherung der Netzstabilität:
Gerade in Norddeutschland kommt es häufig zur vorübergehenden Abschaltung von Windenergieanlagen, wenn in der Region zu viel Strom verfügbar ist. Um das Stromnetz vor Überlast zu schützen, müssen dann Kraftwerke abgeregelt werden, was auch Windenergieanlagen betreffen kann. Zu beachten ist: Eine Abschaltung von Windenergieanlagen ist nur dann erlaubt, wenn das Netz bereits durch Strom aus erneuerbaren Energien belegt ist. Allgemein bieten erneuerbare Energien-Anlagen den Vorteil, dass sie sich sehr einfach und schnell (binnen Minuten) abregeln lassen, während das Herunterfahren von Atom- und Braunkohlekraftwerken sehr langsam (Stunden bis Tage) erfolgt.

Arbeiten an der Windenergieanlage:
Selbstverständlich können auch Wartungsarbeiten, technische Defekte oder Bauarbeiten (auch am Netzanschluss eines Windparks) dazu führen, dass Windenergieanlagen vorübergehend stillstehen, bis die Arbeiten erledigt sind.

Technik: Wie werden Windräder abgeschaltet?
Um Windräder in der Stromproduktion zu drosseln oder abzuschalten, wird in der Regel das „Pitch-System“ angewendet. Hier werden die Rotorblätter aus dem Wind gedreht. Im Regelbetrieb dient dies der Leistungsbegrenzung bis hin zum kompletten Stillstand. In der Regel werden alle Rotorblätter gleichzeitig verstellt. Für das sichere Herunterfahren der Anlage aus allen Zuständen reicht prinzipiell das Verstellen von nur einem Rotorblatt, das in die Fahnenposition (Position in Richtung des Windes) gebracht wird.