Glossar

Aerodynamik ist die Lehre von der „Kraft der Luft“ (griechisch aer = Luft, dynamis = Kraft) und beschreibt das Verhalten von Körpern (wie zum Beispiel Rotorblättern) in der Luft. Neben Flugkörpern gehört auch die Nutzung der Windenergie – z.B. zum Segeln oder zur Stromerzeugung – zu den Bereichen der Aerodynamik.

Das Wissensgebiet der Aeroelastik umfasst die physikalischen Vorgänge, die an umströmten Strukturen entstehen, wenn die aerodynamischen Lasten mit den elastomechanischen Kräften in der Struktur wechselwirken. Die Aeroelastik bei Windenergieanlagen beschreibt insbesondere die Durchbiegung der Rotorblätter unter der Windlast, aber auch bisher wenig beschriebene Phänomene wie Flattern.

Ein Anemometer ist ein Messgerät zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit. Es gibt verschiedene Bauarten, die zum Einsatz kommen. Meistens werden klassische Schalenanemometer sowie Ultraschallanemometer genutzt.

Der Anstellwinkel einer Windkraftanlage beschreibt den Winkel, in dem die Rotorblätter im Verhältnis zum Wind stehen. Der Anstellwinkel wird also beeinflusst vom Pitchwinkel, von der Drehzahl der Rotorblätter und der Windgeschwindigkeit. Er wird angepasst, um die Leistung und Effizienz der Anlage zu regeln. Ein flacher Anstellwinkel wird bei niedrigen Windgeschwindigkeiten verwendet, um ausreichend Auftrieb zu erzeugen. Bei höheren Windgeschwindigkeiten wird der Anstellwinkel höher eingestellt, um die Blätter aus dem Wind zu drehen. Dadurch entsteht weniger Auftrieb der in eine Drehung der Rotorblätter umgesetzt werden kann und die WEA verliert an Leistung, bzw. hält die Leistung konstant bei ansteigender Windgeschwindigkeit.

Ein Beschleunigungssensor erfasst die auf den Sensor wirkende Beschleunigung. Durch eine Auswertung der Beschleunigung kann die Bewegung des Sensors errechnet werden. Durch eine Kombination von mehreren Sensoren kann somit die exakte Lage und Bewegung eines Körpers im Raum erfasst werden.

Wenn eine Windböe auf ein Rotorblatt trifft, biegt sich das Rotorblatt und wird somit stark belastet. Wenn sich durch eine besondere Struktur im Rotorblatt das Rotorblatt bei der Durchbiegung auch noch zusätzlich axial verdreht (tordiert), spricht man von der Biegetorsionskopplung. Bei der axialen Verdrehung wird das Blatt aus dem Wind gedreht und somit die aerodynamischen Lasten reduziert. Dieses Prinzip hat den Vorteil, dass die auf die Windenergieanlage bei einer Windböe wirkenden Lastspitzen reduziert werden und die Windenergieanlage deshalb weniger „stabil“ konstruiert werden muss. Das spart Material und Kosten.

Condition Monitoring (dt.: Zustandsüberwachung) beschreibt die kontinuierliche Überwachung einer Maschine (hier Windenergieanlage). Dazu werden insbesondere mechanische Bauteile wie Lager umfangreich mit Sensoren ausgestattet, um jederzeit eine Aussage über deren Zustand treffen zu können. Durch die stetige Überwachung können Wartungsarbeiten im Rahmen von Predictive Maintenance besser geplant und Ausfallzeiten minimiert werden, da Komponenten noch vor dem Totalversagen getauscht werden können.

DMS (Dehnmessstreifen) sind direkt auf das zu prüfende Material aufgeklebte Sensoren, die Dehnung und Stauchung des Trägers erfassen. Der DMS besteht aus einem Widerstandsdraht, der bei der Dehnung des Trägers gelängt wird. Durch die Längung verändert der Widerstandsdraht seinen elektrischen Widerstand. Durch diese messbare Änderung lässt sich die Durchbiegung exakt bestimmen.

Bei einer Effizienzsteigerung wird versucht, mehr Nutzen aus der eingesetzten Energie zu gewinnen (siehe Energieeffizienz). Bei gleichem Energieeintrag (hier: gleiche Windstärke) wird versucht, mehr elektrische Energie zu produzieren. Dies kann durch aerodynamische (z.B. bessere Rotorblätter), mechanische (z.B. weniger Reibung im Getriebe), regelungstechnische (z.B. clevere Nutzung von Windböen oder Turbulenzen), betriebstechnische (z.B. weniger Ausfallzeiten durch Wartung) und anderen Maßnahmen erreicht werden. Für Windenergieanlagen heißt Effizienzsteigerung, dass mehr Strom erzeugt werden kann, ohne dass die Windenergieanlagen größer werden müssen. Um dem wachsenden Energiebedarf gerecht zu werden, müssen die Anlagen immer effizienter werden, denn nur so lässt sich eine regenerative Energieversorgung langfristig umsetzen.

Der Begriff Effizienz bezieht sich auf das Verhältnis zwischen Nutzen und Aufwand. Energieeffizienz setzt den Nutzen in das Verhältnis zur eingesetzten Energie. Bei einer Windenergieanlage ist die eingesetzte Energie die Energie des Windes (kinetische Energie bewegter Luft), und der Nutzen ist der produzierte Strom (elektrische Energie). Da bei der Umwandlung der Energien immer Verluste entstehen, ist die elektrische Energie geringer als die aufgewendete kinetische Energie. Je mehr elektrische Energie bei gleichem Wind produziert wird, desto höher ist die Effizienz.

Emission (vom lateinischen emittere = herausschicken) ist ein anderes Wort für Ausstoß. Damit sind meist die Emissionen von Teilchen, Stoffen, Lärm oder Strahlung (z.B. Licht) in die Umwelt gemeint. Schadstoffausstöße, die vom Menschen verursacht werden, nennt man anthropogene Emissionen. Beim Betrieb von Windenergieanlagen wird Schall emittiert, der hauptsächlich durch Luftverwirbelungen an den Rotorblättern entsteht.

Erneuerbare Energien, manchmal auch regenerative Energien genannt, sind Energiequellen, die im menschlichen Zeithorizont unerschöpflich zur Verfügung stehen oder schnell nachwachsen. Dazu gehören die Windenergie, Solarenergie, Bioenergie, Wasserkraft, Geothermie und Umweltwärme.

Dabei handelt es sich um Sensoren, bei der die Messgröße optisch übertragen wird. Eine Lichtquelle (meist Laser oder LED) wird mit einem Lichtwellenleiter (z.B. Glasfaser) und einem Detektor verbunden. Die optischen Eigenschaften des Lichtwellenleiters werden durch die gewünschte Messgröße verändert (z.B. Polarisierbarkeit, Fluoreszenz, Aborption). Wenn nun der Lichtwellenleiter durch die Messgröße beeinflusst wird, wird das Licht in Polarität, Phase oder Intensität beeinflusst. Faseroptische Sensoren können mit diesem Prinzip unterschiedlichste Messgrößen erfassen, wie zum Beispiel Dehnung, Vibration oder Temperatur.

Der 2013 gegründete Forschungsverbund Windenergie bündelt das Know-how von rund 600 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, um wegweisende Impulse für die Energieversorgung der Zukunft zu geben. Die drei Partner Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), ForWind – Zentrum für Windenergieforschung der Universitäten Oldenburg, Hannover und Bremen – und das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme (Fraunhofer IWES) sind durch ihre personelle Stärke und Vernetzung mit Industrie, Politik und Forschung in der Lage, langfristige und strategisch wichtige Großprojekte erfolgreich zu bearbeiten. Mit dieser breiten Kompetenzbasis wird die deutsche Windenergieindustrie dabei unterstützt, ihre Technologieführerschaft auch im internationalen Wettbewerb zu behaupten. Das gemeinschaftliche Auftreten im Forschungsverbund besitzt internationale Ausstrahlung und erschließt Synergien für anstehende Großprojekte in der Windindustrie, die ihre Prozesse zunehmend professionalisiert.

Die IEC 61400 ist die wichtigste Norm der International Electrotechnical Commission für Windenergieanlagen. Diese Norm beinhaltet technische Anforderungen an die Konstruktion und soll sicherstellen, dass die Anlagen sachgerecht entwickelt und betrieben werden, ohne Schäden an Mensch und Maschine zu verursachen. Die IEC 61400 beinhaltet unter anderem auch Anforderungen, wie die Windverhältnisse vor Ort ermittelt werden, und ist somit auch relevant für die Windmessung an meteorologischen Messmasten.

Die Leistungskurve beschreibt die charakteristische Eigenschaft einer Wind­energieanlage und die elektrische Leistung, die bei der jeweiligen Wind­geschwindigkeit erzeugt wird. Unterhalb der Anlaufwindgeschwindigkeit (üblicherweise im Bereich von 3 m/s bzw. 11 km/h) befindet sich die Anlage im Stillstand. Die Rotorblätter sind aber nicht blockiert und taumeln im Wind. Wenn die Anlaufwindgeschwindigkeit erreicht wird, fangen die Rotorblätter an sich zu drehen – die Anlage befindet sich dann im Teillastbereich.

Umso stärker der Wind weht, desto mehr Strom wird produziert. Wenn die Nennwind­geschwindigkeit (üblicherweise im Bereich von 10–15 m/s bzw. 40–50 km/h) erreicht wird, erzeugt die Anlage ihre maximale Leistung – sie befindet sich dann im Volllastbereich. Wenn der Wind noch stärker wird, werden die Rotorblätter mit dem Pitch-System aus dem Wind gedreht und die Leistung bleibt konstant. Wenn bei schweren Stürmen die Abschaltwindgeschwindigkeit (üblicherweise bei 25 m/s bzw. 90 km/h) erreicht wird, werden die Rotorblätter komplett aus dem Wind gedreht und die Anlage steht still, um Schäden zu vermeiden.

Engl.: Light Detection And Ranging ist ein laserbasiertes, optisches Verfahren zur Messung von Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Turbulenz. Der ausgestrahlte Laserstrahl wird an Partikeln in der Luft reflektiert, die Frequenzverschiebung des ausgestrahlten und empfangenen Laserstrahls gibt Aufschluss über die Bewegung der Luft an dieser Stelle (sog. Doppler-Effekt). Der Laserstrahl wird sehr schnell an verschiedene Punkte gesendet, damit zu jedem Zeitpunkt eine genaue Aussage getroffen werden kann, welche Windgeschwindigkeit und -richtung vor der Windenergieanlage herrscht.

Mit den meteorologischen Messmasten wird das Wettergeschehen auf Basis von physikalischen und chemischen Datenerhebungen erfasst. Die wichtigsten Größen, die auf den bis zu 150 Meter hohen Masten im Forschungspark Windenergie in Krummendeich erfasst werden, sind Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, und Niederschlag.

In der Mikrometeorologie werden kurzlebige und kleinräumige Phänomene der Meteorologie, wie Turbulenzen und Windfelder, untersucht. Ein wichtiger Aspekt sind auch die Bewegungen in der Grenzschicht, wie Wärmeaustausch zwischen  Boden und den verschiedenen Luftschichten, sowie die Durchmischung der Luftschichten durch bodennahe Turbulenzen. Neben Anemometern und Temperatursensoren ist eines der wichtigsten Instrumente zur Erfassung der Turbulenzen das LiDAR.

Die Nabenhöhe bezieht sich auf die Höhe der Nabe (Mittelpunkt des Rotors) über der Erdoberfläche. Grob gesagt, beschreibt die Nabenhöhe die Größe einer Windenergieanlage ohne die Rotorblätter. Da die Windgeschwindigkeit, und damit der Energieertrag, mit der Höhe zunehmen, werden Windenergieanlagen immer höher gebaut – soweit das aus technischer und wirtschaftlicher Sicht sinnvoll ist.

Eine Windenergieanlage entnimmt die Energie des Windes und wandelt diese in Strom um. Die Luftströmung hinter einer Windenergieanlage (im Nachlauf) ist somit geringer, das heißt die Windgeschwindigkeit nimmt ab.  Eine Anordnung von Windenergieanlagen in der Nachlaufströmung wird normalerweise vermieden, da dort die höhere Turbulenz und die geringere Windgeschwindigkeit für einen geringeren Energieertrag sorgen. Ziel ist es, durch Forschung und Experimente Windenergieanlagen so zu regeln, dass trotz einer höheren Turbulenz möglichst viel Energie in der Nachlaufströmung erzeugt werden kann.

Piezoelektrizität ist einen physikalischen Effekt, bei dem elektrische Ladung entsteht, wenn ein bestimmtes Material Krafteinwirkung erfährt (⭢ Piezofeuerzeug). Piezoelektrische Sensoren können mit diesem Effekt sehr kleine Verformungen, wie beispielsweise Schwingungen, wahrnehmen. Dieser Effekt ist aber auch umkehrbar, das heißt ein piezoelektrischer Sensor der elektrisch angeregt wird, agiert als Aktuator und sendet Schwingungen aus (sog. Lambwellen).

In piezoelektrischen Sensornetz sind viele dieser Sensoren über einen größeren Bereich im Rotorblatt gleichmäßig verteilt. Einer der Sensoren (der Aktuator) sendet Lambwellen aus, und alle anderen Sensoren empfangen diese Schwingungen. Wenn Fehler in der Struktur sind (z.B. ein Riss) werden die Schwingungen nicht unverändert übertragen. Diese Störung wird erkannt, wenn die empfangene Schwingung der einzelnen Sensoren ausgewertet wird. Piezoelektrische Sensornetze sind damit ein Werkzeug des Structural Health Monitorings und dienen dazu, Fehler im Rotorblatt sofort zu erkennen und lokalisieren zu können.

Bei der Power-to-X-Technologie (auch P2X) wird die elektrische Energie aus erneuerbaren Energiequellen wie Windenergieanlagen (Power) in eine andere, bessere speicher- und transportierbare Energieform (X) umgewandelt. Üblicherweise wird mittels Elektrolyse die elektrische Energie in ein Brenngas wie Wasserstoff oder Methan umgewandelt (Power-to-Gas). Da Gas deutlich besser gespeichert werden kann als Strom, kann in Zeiten der Überproduktion (Sonne scheint, starker Wind weht, wenig Abnahme) der überschüssige Strom in Gas umgewandelt und gespeichert werden.

Das Gas kann in Zeiten von Stromdefiziten (keine Sonne, kein Wind) entweder in Gaskraftwerken verbrannt werden, um wieder Strom zu erzeugen, oder in den Sektoren Wärme (Gasheizung) oder Verkehr (Wasserstofffahrzeug) verwendet werden. Die Hauptherausforderung bei der Power-to-X-Technologie liegt in der Effizienz. Sowohl die Elektrolyse als auch die Verbrennung ist physikalisch nur mit sehr viel Verlusten durchführbar. Eine Nutzung ist deshalb momentan ökonomisch schwierig und nur bei hohem Energieüberfluss sinnvoll.

Predictive Maintenance (dt. prädiktive Wartung) optimiert Wartungszeitpunkte mit Hilfe von Informationen aus Sensormessungen des Condition Monitorings. Mit diesen Informationen kann die Zeit bis zu dem Auftreten eines Fehlers vorhergesagt werden und damit die verbleibende Zeit bis zur nächsten notwendigen Wartung. Predictive Maintenance führt damit dazu, dass einerseits unnötige kurze Wartungsintervalle verhindert werden, andererseits immer ein sicherer, fehlerfreier Betrieb gewährleistet wird.

Prescriptive Maintenance (dt. präskriptive Wartung) verändert einen Regelungsalgorithmus, um auf Informationen aus Sensormessungen des Condition Monitorings zu reagieren, die auf entstehende Schädigungen hinweisen. Durch diese adaptiven Steuereingriffe wird ein sicherer, effizienter Betrieb auch bei kleinen Schädigungen bis zu der nächsten geplanten Wartung garantiert und Ausfälle verhindert.  Im Gegensatz zur Predictive Maintenance bleibt der Wartungszeitplan unverändert. Das ist wichtig, wenn eine Wartung nicht jederzeit durchgeführt werden kann – wie zum Beispiel im Winter in einem Offshore-Windpark.

Mit dem Begriff Schallimmission wird die Einwirkung von Lärm auf die Umwelt oder den Menschen beschrieben.

Um die fossilen Brennstoffe zu ersetzen, muss Strom aus erneuerbaren Energien in allen drei Sektoren (Elektrizität, Wärme, Transport) genutzt werden. Diese sogenannte Sektorenkopplung ist ein vielversprechender Lösungsweg für eine umfassende Dekarbonisierung des Energieverbrauchs. Somit könnte der von erneuerbaren Energieträgern generierte Strom auch für den Transport (z.B. Elektroautos) und für Wärme (z.B. Wärmepumpe) genutzt werden.

Rotorblätter von Windenergieanlagen wurden in den vergangenen Jahren immer größer. Der Vorteil der höheren Energiegewinnung hat jedoch zur Folge, dass sie stark schwankenden und unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt sind. Intelligente Rotorblätter (Smart Blades) sollen die Anlagen trotz ihrer Größe leichter und haltbarer machen.

Smart Blades können ihre Geometrie bezüglich Lastreduktion und Ertragssteigerung an die lokalen Windeinwirkungen anpassen können. Sie arbeiten mit aktiven oder passiven Technologien. Beim passiven Ansatz verdreht sich beispielsweise ein Rotorblatt bei starkem Wind und bietet so dem Wind weniger Angriffsfläche. Als eine der aktiven Lösungen können bewegliche Vorflügel am Rotorblatt die Effizienz von Windenergieanlagen unter stark schwankenden turbulenten Windbedingungen verbessern. Außerdem können sich die Hinterkanten eines Rotorblattes verändern und so direkt auf Böen reagieren und Schwingungen ausgleichen.

Structural Health Monitoring ist eine Methode, um bestimmte Bauteile der Windenergieanlage (meist in den Rotorblättern) auf ihre „strukturelle Gesundheit“ zu überwachen, sodass Risse oder andere Schäden in der Struktur sofort erkannt und lokalisiert werden. Hierfür wird unter anderem ein piezoelektrisches Sensornetz verwendet.

Als Treibhausgase werden Gase bezeichnet, die sich in der Atmosphäre auf die Energiebilanz der Erde auswirken. Das Kyoto-Protokoll nennt sechs Treibhausgase: Kohlendioxid (CO₂), Methan (CH₄), und Distickstoffmonoxid (N₂O) sowie die fluorierten Treibhausgase (F-Gase): wasserstoffhaltige Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW), perfluorierte Kohlenwasserstoffe (FKW), und Schwefelhexafluorid (SF₆). Seit 2015 wird auch Stickstofftrifluorid (NF₃) einbezogen.

In Deutschland entfallen 88,0 Prozent der Freisetzung von Treibhausgasen auf Kohlendioxid, 6,1 Prozent auf Methan, 4,1 Prozent auf Lachgas und rund 1,7 Prozent auf die F-Gase (Stand: 2018). Die steigende Konzentration der Treibhausgase in der Atmosphäre verhindern eine Reflektion der Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfläche, und sorgen somit für einen Anstieg der Temperatur in der Atmosphäre.

Turbulenz nennt man die Verwirbelung von Strömung durch Hindernisse. Turbulenzen entstehen, wenn gleichförmige (laminare) Strömung auf Geländestrukturen oder zum Beispiel Rotorblätter treffen. Durch die Rotorblätter entsteht hinter einer Windenergieanlage eine turbulente Strömung, die erst in einem gewissen Abstand sich wieder einer gleichmäßigen Strömung annähert.

Als Windenergie wird die Nutzung der Kraft Windes als umwelt- und klimafreundliche Quelle zur Stromerzeugung bezeichnet. Die Windenergie gilt neben der Solarenergie aufgrund ihrer weitflächigen Verfügbarkeit und der niedrigen Stromgestehungskosten als die wichtigste Säule einer weltweiten Energiewende. Es wird zwischen Windenergie an Land (Onshore) und Windenergie auf See (Offshore) unterschieden.

Eine Windenergieanlage Windenergieanlagen (WEA) wandelt durch aerodynamische Effekte die Energie des Windes in elektrische Energie um. Die Bauform mit horizontaler Achse und drei Rotorblättern hat sich weitgehend durchgesetzt – sowohl an Land als auch auf See. Eine Windenergieanlage besteht aus folgenden Komponenten:

Rotorblatt
Das Rotorblatt ist das entscheidendste Bauteil einer Windenergieanlage. Wenn der Wind auf das Profil des Rotorblatts trifft, entsteht Auftrieb und das Blatt bewegt sich (vgl. Flugzeugflügel). Die meisten Windenergieanlagen haben drei Rotorblätter.

Nabe
An der Nabe sind die Rotorblätter montiert. Die Nabe verbindet die Rotorblätter mit dem Rest der Maschine und überträgt die Leistung der Rotorblätter auf die Rotorwelle.

Pitch-System
Mit einem Pitch-System (Blattwinkelverstellung) werden die Rotorblätter auf der Nabe gedreht. Durch die Veränderung des Winkels zur Windrichtung verändert sich auch die Leistung der Windenergieanlage. Wenn die Rotorblätter aus dem Wind gedreht werden, bleibt die Windenergieanlage stehen. Mit dem Pitch-System ist es möglich, die Windenergieanlage zu starten, zu stoppen und in ihrer Leistung zu regeln.

Hauptlager
Als Hauptlager bezeichnet man das Lager, welches die Rotorwelle zwischen Nabe und Generator lagert.

Azimutlager
Das Azimutlager lagert die Gondel auf dem Turm und sogt mit einem Antrieb dafür, dass die Gondel mit dem Rotor in Windrichtung ausgerichtet wird.

Generator
Das wichtigste elektrische Bauteil, der Generator, wandelt die Energie der drehenden Rotorwelle in elektrischen Strom um.

Umrichter / Transformator
Die elektrischen Bauteile Umrichter und Transformator wandeln den im Generator erzeugten Strom so um, dass er in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann.

Gondel
Die Gondel befindet sich am oberen Ende des Turms, hier sind alle Maschinen die zum Betrieb der Windenergieanlage erforderlich sind, untergebracht.

Turm
Der Turm einer Windenergieanlage kann verschiedene Formen haben und wird aus unterschiedlichen Materialen hergestellt. Die meisten modernen Windenergieanlagen haben entweder einen aus Stahl oder aus Beton gefertigten Turm. Auch Mischformen sind möglich.

Fundament
Dieser unterirdische Teil der Windenergieanlage verankert sie im Boden und sorgt für Stabilität. Je nach Bodenqualität gibt es verschiedene Bauformen, zum Beispiel Pfahlfundamente oder Flachfundamente.

Windenergieanlagen (WEA) benötigen eine bestimmte Anlaufwindgeschwindigkeit (üblicherweise im Bereich von 3 m/s), damit sich der Rotor drehen kann. Ab dieser Windgeschwindigkeit befindet sich die WEA im Teillastbereich. Als Nennwindgeschwindigkeit (üblicherweise im Bereich von 10 – 15 m/s) bezeichnet man die Windgeschwindigkeit bei der die Windenergieanlage ihre maximale Leistung erzeugen kann (Volllast). Steigt die Windgeschwindigkeit weiter, werden die Rotorblätter langsam immer weiter aus dem Wind gedreht (siehe Pitch-System), sodass die WEA trotz ansteigender Windgeschwindigkeit konstant weiter die maximale Leistung erzeugt. Ab der Abschaltwindgeschwindigkeit (üblicherweise im Bereich von 25 m/s) werden die Rotorblätter ganz aus dem Wind gedreht und die WEA bleibt stehen, um Schäden zu vermeiden.