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Lernzirkel Windenergie, 11. Klasse, Station 1 

Station 1: Die Entstehung und die Leistung des Windes 

Aufgabe 1 

Aufgabe 2 

Aufgabe 3 

Aufgabe 4 

Aufgabe 5 

Aufgabe 6 

� Aufgabe 3: 

Versuchen Sie die Fragen auf dem Arbeitsblatt mit Hilfe der Seiten 

www.wind-energie.de/de/technik/windentstehung/entstehung/ (oder auch 

andere Seiten möglich) zu lösen. Immer nur eine Antwort ist richtig. (Eine 

Auswertung nach Punkten ist anschließend in der Lösung zu finden) 

Welche lokalen bzw. regionalen Einflussfaktoren auf den Wind kennen Sie? 

Schreiben Sie diese auf Ihr Arbeitsblatt und erläutern Sie in Stichpunkten 

und Skizzen, wie der Wind jeweils beeinflusst wird bzw. entsteht. 

Sie können sich selbst eine Formel für die Leistung des Windes und die 

Leistung, die eine Windenergieanlage dem Wind entnehmen kann, 

herleiten. Gehen Sie dazu nach den Hinweisen vor. 

Um welchen Faktor nimmt die Leistung des Windes zu, wenn sich die 

Windgeschwindigkeit verdoppelt? Was hat dies für Bedeutung für die 

Erzeugung von Strom aus dem Wind? Was hat dies für allgemeine 

Auswirkungen auf die Menschen, Umwelt etc.? Schreiben Sie Stichpunkte 

auf das Arbeitsblatt. 

Warum stehen bei Sturm trotz des hohen Energiegehalts der Luft die 

Windräder oft still? Schreiben Sie Stichpunkte auf das Arbeitsblatt. 

Informationen bietet auch folgende Homepage: www.windinformation.de . 

Wie groß ist die elektrische Leistung folgender Windenergieanlage? Zu 

welchem Prozentsatz ist diese Anlage bei der angegebenen 

Windgeschwindigkeit ausgelastet? 

Hinweis: Als Nennleistung bezeichnet man die maximal mögliche 

elektrische Leistungsabgabe einer Anlage. 

Flügelradius: r = 37m 

Windgeschwindigkeit: v = 8 m/s 

Dichte der Luft: ρLuft = 1,293 kg/m 3 

Wirkungsgrad: η = 0,45 (bei v = 8 m/s) 

Nennleistung: PNenn = 2 MW 

1


Hinweise zu Aufgabe 3: 

1. Stellen Sie eine allgemeine Gleichung für die Leistung auf, in der die Abhängigkeit der 

Leistung von der Energie ausgedrückt wird. 

2. Die Energie, durch die eine Windenergieanlage angetrieben wird, ist die kinetische 

Energie der Luft. 

3. Die Luftmasse, die durch eine Windenergieanlage strömt, hat eine bestimmte Dichte und 

ein entsprechendes Volumen. 

4. Folgende geometrische Annahmen und Symbole kann man nun verwenden. 

5. Jetzt haben Sie eine Gleichung für die Leistung des Windes, die auf eine Kreisfläche 

einwirkt! 

6. Die Leistung der Luft kann nicht vollständig in mechanische Leistung umgesetzt werden, 

sondern ist durch einen Wirkungsgrad begrenzt. 

7. Sie haben es geschafft und können mit der erhaltenen Formel Berechnungen für 

Windenergieanlagen anstellen! 

2


Hilfe zu Aufgabe 2: 

Hilfen 

Wodurch wird der Wind lokal beeinflusst? 

Wie können Winde auf kleinräumiger Ebene entstehen? 


zu 1.: 

zu 2.: 

zu 3.: 

E 

P = 

t 

E Luft 

= 

m 

ρ = 

V 

1 

2 

zu 4.: V = A ⋅ l 

⋅ m ⋅ v 


2 

Betrachten Sie dazu die Gleichung für die Leistung der Luft, die durch eine Kreisfläche fließt: 

1 3 

2 

PLuft = ⋅ v ⋅ ρ ⋅π 

⋅ r 

2 


Pel . 

= 

1 3 

⋅ v 

2 

2 

⋅ ρ ⋅π 

⋅ r ⋅η 

Als Auslastungsgrad a bezeichnet man das Verhältnis von tatsächlicher produzierter 

elektrischer Leistung und der Nennleistung. Um eine Angabe in Prozent zu erhalten, muss 

man noch mit 100 multiplizieren. 

3


Lösung zu Aufgabe 1: 

Lösungen und ergänzende Informationen 

Jede richtige Antwort erhält einen Punkt, jede falsche null Punkte. 

10 Punkte: Sie sind ein Windexperte! 

9-8 Punkte: Gratulation! Sie haben das meiste verstanden und richtig gelöst. Gehen Sie die 

falschen Fragen noch einmal durch. 

7-5 Punkte: Ihr Wissen ist zum Teil auf dem aktuellen Stand. Überdenken Sie alle falschen 

Antworten noch einmal gründlich. 

0-5 Punkte: Schon durch Raten hätte man mehr Punkte erzielen können. Bitte noch einmal 

alle Fragen sorgfältig von vorne lösen. 

1. Welche Gebiete absorbieren mehr Strahlungsenergie der Sonne? 

� die Äquatorgebiete 

□ die Polgebiete 

□ die gesamte Erdoberfläche gleich 

2. Die Sonne erwärmt dadurch □ die gesamte Erdoberfläche gleich. 

□ die Pole mehr als den Äquator. 

� die Äquatorgebiete mehr als die Polgebiete. 

3. Erwärmte Luft � ist leichter als kalte Luft und steigt auf. 

□ ist schwerer als kalte Luft und sinkt ab. 

4. Leichtere, weniger dichte Luft � nimmt mehr Platz 

□ nimmt weniger Platz 

als schwerere, dichtere Luft ein. 

5. Es entsteht in der Höhe ein Luftdruckunterschied mit 

� höherem Druck im Äquatorbereich. 

□ höherem Druck im Polbereich. 

6. Infolgedessen entsteht eine Kraft auf die Höhenluft und treibt diese von 

□ Ost nach West. 

� Süd nach Nord. 

□Nord nach Süd. 

□ West nach Ost. 

8. Die Corioliskraft lenkt die Südwinde auf der Nordhalbkugel 

□ nach links ab. 

� nach rechts ab. 

4


9. Die Corioliskraft ist eine Folge □ der Gravitationskraft des Mondes. 

� der Drehung der Erde. 

□ der Sonnenstrahlung. 

10. Infolgedessen liegt Europa □ in einer Ostwindzone. 

□ in einer Nordwindzone. 

� in einer Westwindzone. 

□ in einer Südwindzone. 

Ergänzende Informationen zu Aufgabe 1: 

Fachteil S. 87 bis 89 


▪ See-Land-Zirkulation 

Seeflächen (Meer und große Seen) werden durch 

ihre unterschiedliche Wärmekapazität und 

Wärmeleitfähigkeit unterschiedlich erwärmt. 

Landflächen erwärmen sich wesentlich schneller 

und kühlen auch schneller wieder ab. Ihre 

Wärmestrahlung geben die jeweiligen Flächen auf 

die überlagernde Luft ab. Dies bedeutet, dass 

durch die unterschiedliche Wärmeabgabe unterschiedliche 

Lufttemperaturen und damit ein 

Druckgradient entsteht. Die Zeichnung rechts 

verdeutlicht diese Zusammenhänge. Tagsüber 

wehen also Winde von der See, nachts Winde 

vom Land. 

See- und Landwind 

▪ Berge 

Berge können zum einen Windhindernisse darstellen. Es ist also nicht sinnvoll, im Leebereich 

(windabgewandte Seite) von Bergen Windenergieanlagen aufzustellen, auf Erhöhungen 

allerdings sehr wohl, wie die Abbildung links 

zeigt. Bei geringen Geländeneigungen kommt 

man in bessere Windbereiche, da die Luft durch 

eine verengte Stelle schneller hindurchströmt. Die 

Länge der Pfeile geben die Windgeschwindig- 

keiten an. 

5


▪ Berg-Tal-Zirkulation 

Diese Strömungssysteme bilden sich am besten bei Hochdruckwetterlagen, ungestört von 

großräumigen Winden, aus. Tagsüber werden beschienene Hänge stark aufgewärmt (besserer 

Einstrahlungswinkel!), wodurch hangaufwärts gerichtete Strömungen entstehen, die von 

ähnlich verursachten Talwinden (talaufwärts) überlagert werden. Nachts kühlen die Hänge 

aus, wodurch die sie umgebende Luft stärker auskühlt, als Luftschichten in gleicher Höhe der 

freien Atmosphäre. Das System kehrt sich um, die kalten Hangwinde fließen im Tal 

zusammen und bilden dort talabwärts gerichtete Bergwinde. 

Berg-, Tal- und Hangwindsysteme 

▪ weitere Phänomene 

Natürlich gibt es noch einige weitere Phänomene, wie z. B. Föhnwinde oder wetterlagenabhängige 

Winde (Blizzards, Tornados etc.). Diese haben aber keinen Einfluss auf den 

verstärkten Bau von Windenergieanlagen, weil sie nicht genutzt werden können, ja eher 

schaden. 

Ergänzende Informationen zu Aufgabe 2: 

Fachteil S. 89 bis 93 


Kinetische Energie 

Energieübertrag des Windes auf eine Windenergieanlage 

Jede bewegte Masse m (egal ob Körper, Flüssigkeit oder Gas) enthält eine Energie E (die so 

genannte kinetische Energie oder Bewegungsenergie) die zur Masse m und zum Quadrat ihrer 

Geschwindigkeit v proportional ist. Die bekannte Formel lautet: 

E Luft 

= 

1 

2 

⋅ m ⋅ v 

2 

Für Windkraftanlagen ist die bewegte Masse m die Luft, die durch die Rotorfläche strömt. 

6


Energie und Leistung 

E 

Die Leistung P ist gleich der Energie E pro Zeiteinheit t: P = Mit der obigen Formel erhält 

t 

1 2 

⋅ m ⋅ v 

man: P 2 

1 2 m 

m 

Luft = oder PLuft = ⋅ v ⋅ . Der Bruch bezeichnet hierbei die pro 

t 

2 t 

t 

Zeiteinheit durch die Windenergieanlage fließende Luftmasse. 

Masse der Luft 

m 

Die Definitionsgleichung der Dichte lautet: ρ = , also Masse m pro Volumen V. Man kann 

V 

nun umstellen und erhält für die Luftmasse: m = ρ ⋅V 

. Die Masse der Luft nimmt also mit 

ihrer Dichte und ihrem Volumen zu. Eingesetzt in unsere Formel für die Energie ergibt sich 

1 2 ρ ⋅V 

also: PLuft = ⋅ v ⋅ 

2 t 

Volumen 

Das Volumen V kann man sich als Zylinder vor dem Rotor 

vorstellen, also das Volumen der Luft, das durch die 

Rotorfläche A strömt. Die Länge des Zylinders ist l, das 

Volumen V des Zylinders also V = A ⋅ l . A ist eine 

2 

Kreisfläche, also ergibt sich: V = π ⋅ r ⋅l 

. Für unsere 

Leistung erhält man: 

P Luft 

= 

2 

1 2 ρ ⋅π 

⋅ r ⋅l 

1 

⋅ v ⋅ = ⋅ v 

2 t 2 

2 

⋅ ρ ⋅π 

⋅ r 

Die Luft strömt mit der Geschwindigkeit v in den Rotor ein, 

l 

legt also in der Zeit t den Weg l zurück: v = . 

t 

Leistung 

Die Leistung der Luft, die durch eine Windenergieanlage fließt, beträgt also: 

1 

2 

3 

2 


⋅ r , 

wobei v die Luftgeschwindigkeit, ρ die Dichte der Luft und r der Rotorradius (also etwa die 

Länge eines Flügels) ist. 

Eine Windenergieanlage kann nun nicht die Energie des Windes vollständig in mechanische 

Energie umwandeln, sondern nur zu einem bestimmten Teil. Dies ist logisch, da ein völliger 

Energieübertrag bedeuten würde, dass die Luft an schließend die Geschwindigkeit v = 0 hätte 

und nicht mehr aus dem Windrad fließen würde. Man fügt deshalb in die Gleichung noch 

2 

⋅ 

l 

t 

7


einen Wirkungsgrad η ein, der zwischen 0 und 1 liegt (0 < η < 1). Näheres dazu erfahren Sie 

in Station 9. 

Die (elektrische) Leistung einer Windenergieanlage kann man demnach anhand folgender 

Gleichung bestimmen: 

Zusammenfassung (mathematisch): 

E 

PLuft = 

t 

P Luft 

P Luft 

P Luft 

= 

= 

1 

⋅ v 

2 

2 

1 

⋅ v 

2 

2 

⋅ 

m 

t 

ρ ⋅V 

⋅ 

t 

1 2 ρ ⋅π 

⋅ r 

= ⋅ v ⋅ 

2 t 

1 

2 

E Luft 

2 

⋅l 

= 

1 

2 

⋅ m ⋅ v 

m = ρ ⋅V 

2 

2 

V = π ⋅ r ⋅l 

l 

v = 

t 

3 

2 


⋅ r begrenzter Energieumsatz: „Wirkungsgrad“ 

Pel . 

= 

1 3 

⋅ v 

2 

2 

⋅ ρ ⋅π 

⋅ r ⋅η 

Pel. 2 

⋅ ρ ⋅π 

⋅ r ⋅η 

Ergänzende und weiterführende Informationen: 

= 

1 3 

⋅ v 

2 

Fachteil S. 16 und 17 (hier wird ein etwas anderer Weg der Herleitung mit Ableitungen gewählt) 

http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph09/umwelt_technik/06wind/leistung.htm 

Hier wird ein weiterer Weg zur Herleitung vorgestellt. 

8



a) Die Leistung des Windes nimmt um den Faktor 8 zu, wenn sich die Windgeschwindigkeit 

verdoppelt: 

v1: 

PLuft _1 

1 3 

2 

= ⋅ v1 

⋅ ρ ⋅π 

⋅ r 

2 

1 3 

2 1 3 

2 1 3 

2 

PLuft _ 2 = ⋅ v2 

⋅ ρ ⋅π 

⋅ r = ⋅ 2v1 

⋅ ρ ⋅π 

⋅ r = 8⋅ 

⋅ v1 

⋅ ρ ⋅π 

⋅ r = 8⋅ 

P 

2 

2 

2 

v2 = 2v1: ( ) WEA _1 

b) Dies bedeutet nun (bzw. die Tatsache, dass die Geschwindigkeit der Luft die Leistung mit 

der dritten Potenz ansteigen lässt), dass vor allem höhere Windgeschwindigkeiten rentabel 

sind. Ein Standort mit etwas höherer Durchschnitts-Windgeschwindigkeit bedeutet damit 

sofort ein deutliches Mehr an Leistungsertrag und damit natürlich auch eine bessere 

Auslastung und Wirtschaftlichkeit der Anlage. Als Betreiber von Windenergieanlagen muss 

man also versuchen, die Standorte möglichst in windstarken Regionen zu wählen. 

c) Für die Menschen und die Umwelt haben höhere Windgeschwindigkeiten nicht die 

positiven Auswirkungen, wie für die Windenergieerzeugung. Bei hohen Windgeschwindigkeiten 

(insbesondere bei Sturm oder mehr) steigt die Leistung des Windes und 

damit auch sein Zerstörungspotential schnell an. Bei starken Sturmböen treten deshalb immer 

wieder starke Beeinträchtigungen an Gebäuden, Bäumen, usw. auf, weil bei einer 

Verdopplung der Windgeschwindigkeit die Leistung eben nicht nur doppelt so groß, sondern 

acht mal so groß ist. Bei entsprechendem Sturm kann man sich nicht einmal mehr auf den 

Beinen halten. Auch Windenergieanlagen müssen deshalb bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten 

abgeschaltet werden. (� siehe Station 1). 


Oberhalb von etwa 25m/s schalten alle Windenergieanlagen ab, weil ein weiterer sicherer 

Betrieb nicht mehr möglich wäre. Es ist einfach zu gefährlich, eine Anlage bei diesen 

Bedingungen laufen zu lassen. Es könnten durch die enorme Belastung Flügel oder Teile 

davon abbrechen, usw. Zudem ist der Verschleiß zu hoch, es könnten leicht Teile kaputt 

gehen. Auch der Generator selbst verträgt nicht beliebig hohe Drehzahlen. Durch die 

Abschaltung werden so gut wie alle Unfälle oder Defekte vermieden. Bei dem Sturm „Kyrill“ 

im Frühjahr 2007 wurde nicht eine einzige Windenergieanlage beschädigt. 

Benskamp bei Arnsberg nach dem Sturm „Kyrill“ 

9



Zur Lösung benötigt man folgende Gleichungen: 

1 

3 

2 Pel. 

Pel. = ⋅η 

⋅ A⋅ 

ρ ⋅ v , A = π ⋅ r , a = ⋅100 

Die erste Gleichung gibt die umgesetzte 

2 

PNenn 

(elektrische) Energie an, bei den entsprechenden Daten der Windgeschwindigkeit, Luftdichte, 

Rotorfläche (aus der zweiten Gleichung) und dem Wirkungsgrad. 

Für die Fläche des Rotors setzt man die Kreisfläche ein: 

1 

2 3 

Pel. = ⋅η 

⋅π 

⋅ r ⋅ ρ ⋅ v , mit dem Rotordurchmesser r. 

2 

Nun setzt man die angegebenen Werte in die Gleichung ein und erhält für die Leistung: 

1 2 kg ⎛ m ⎞ 

6 

Pel. = ⋅ 0, 

45 ⋅3, 

14 ⋅ ( 37m) 

⋅1, 

29 ⋅ 8 = 0, 

64 ⋅10 

W = 0, 

64MW 

3 ⎜ ⎟ 

2 

m ⎝ s ⎠ 

Eine Windenergieanlage würde also bei diesen Daten 0,64 Megawatt elektrische Leistung 

erzeugen. (Zum Vergleich: Haushaltsgeräte verbrauchen etwa bis zu 2 Kilowatt) 

Der Auslastungsgrad a sagt aus, wie viel Prozent der maximal erzeugbaren Leistung gerade 

produziert wird. Für den Auslastungsgrad dividiert man also die tatsächlich erzeugte Leistung 

(Pel.) durch die maximal mögliche Leistung dieser Anlage, der Nennleistung (PNenn) und 

multipliziert diese mit 100. Somit erhält man oben angegebene Gleichung. Durch Einsetzen 

erhält man: 

Pel 

. 0, 

64MW 

a = ⋅100 

= ⋅100 

= 

P 2MW 

Nenn 

3 

32% 

Die Anlage ist in diesem Betriebszustand also zu knapp einem Drittel ausgelastet. 

10


� Arbeitsblatt zu Aufgabe 1: 

Name: 

1. Welche Gebiete absorbieren mehr Strahlungsenergie der Sonne? 

□ die Äquatorgebiete 

□ die Polgebiete 

□ die gesamte Erdoberfläche gleich 

2. Die Sonne erwärmt dadurch □ die gesamte Erdoberfläche gleich. 

□ die Pole mehr als den Äquator. 

□ die Äquatorgebiete mehr als die Polgebiete. 

3. Erwärmte Luft □ ist leichter als kalte Luft und steigt auf. 

□ ist schwerer als kalte Luft und sinkt ab. 

4. Leichtere, weniger dichte Luft □ nimmt mehr Platz 

□ nimmt weniger Platz 

als schwerere, dichtere Luft ein. 

5. Es entsteht in der Höhe ein Luftdruckunterschied mit 

□ höherem Druck im Äquatorbereich. 

□ höherem Druck im Polbereich. 

6. Infolgedessen entsteht eine Kraft auf die Höhenluft und treibt diese von 

□ Ost nach West. 

□ Süd nach Nord. 

□ Nord nach Süd. 

□ West nach Ost. 

8. Die Corioliskraft lenkt die Südwinde □ nach links ab. 

□ nach rechts ab. 

9. Die Corioliskraft ist eine Folge □ der Gravitationskraft des Mondes. 

□ der Drehung der Erde. 

□ der Sonnenstrahlung. 

10. Infolgedessen liegt Europa □ in einer Ostwindzone. 

□ in einer Nordwindzone. 

□ in einer Westwindzone. 

□ in einer Südwindzone. 

11


Station 2: Aufbau, Wirkungsweise und Arten 

von Windenergieanlagen 

Aufgabe 1 

Aufgabe 2 

Aufgabe 3 

Aufgabe 4 

Aufgabe 5 

Aufgabe 6 

Aufgabe 7 

Erschließen Sie sich den Aufbau einer Windenergieanlage anhand des Modells 

und der Schautafel „Aufbau einer Windenergieanlage“. 

Machen Sie sich durch die Ergänzung des Lückentextes klar, wozu die einzelnen 

Komponenten benötigt werden. 

Besuchen Sie die Homepage www.windinformation.de . Klicken Sie auf 

„Windrad“. Dort kann man seine eigene (virtuelle) Windenergieanlage bauen. 

Erstellen Sie die verschiedenen Anlagen und informieren sich so darüber, 

welche unterschiedlichen Möglichkeiten es gibt. Ist die Anlage fertig, 

kann man sie durch anklicken von „DSL“ (falls DSL verfügbar ist) laufen 

lassen. Es erscheint zudem die offene fertige Anlage, bei der man die Komponenten 

durch Überfahren mit dem Zeiger anzeigen kann. Fahren Sie mit 

dem Zeiger die Komponenten ab und erklären Ihrem Partner/n, wozu diese 

Komponente benötigt wird. 

Lesen Sie sich den Artikel „Leistungsabgabe einer Windenergieanlage“ 

aufmerksam durch und versuchen Sie die Fragen in Stichpunkten zu beantworten. 

Betrachten Sie das Schaubild „Arten von Windenergieanlagen“ und beantworten 

die dazu gestellten Fragen. 

Sie haben den Aufbau und die Wirkungsweise einer Windenergieanlage 

kennen gelernt. Erstellen Sie ein Energieflussdiagramm nach dem abgebildetem 

Gerüst: In die Pfeile kommt die jeweilige Energieart, in die Kästchen 

die jeweilige Komponente, die die Energiewandlung vollzieht. 

Sehen Sie sich den Filmausschnitt Station_2_Film aus „Abenteuer Wissen“ 

(ZDF) vom 16.05.07 aufmerksam an. Hier erfahren Sie einiges über die 

Wartung von Windenergieanlagen an Land und im Meer. 

1


� Aufgabe 1 

Aufbau einer Windenergieanlage 

Folgende Abbildung zeigt ein Schnittbild durch eine moderne Windenergieanlage. 

Schnitt durch eine moderne Windenergieanlage 

2


� Aufgabe 4 

Leistungsabgabe einer Windenergieanlage 

Leistungskennlinie einer Windenergieanlage 

Sie sehen in dieser Abbildung die Leistungskennlinie einer modernen Windenergieanlage. 

a) Welche maximale Leistung kann diese Anlage liefern? 

b) Bei welchen Windgeschwindigkeiten wird diese, als Nennleistung bezeichnete Leistung 

geliefert? 

c) Bei welchen Windgeschwindigkeiten liefert die Windenergieanlage überhaupt Leistung? 

d) Warum wird die Windenergieanlage außerhalb dieser Windgeschwindigkeiten 

abgeschaltet? 

Schreiben Sie die Antworten in Stichpunkten auf Ihr Arbeitsblatt zu Aufgabe 4. 

3


� Aufgabe 5 

Westernmill 

Arten von Windenergieanlagen 

Holländermühle 

Darrieus- 

rotor 

Dreiflügler Einflügler 

Zweiflügler Schalenkreuzanemometer 

Typen von Windenergieanlagen [nach GASCH, TWELE (2005) S. 52] 

Sie sehen hier eine beispielhafte Auflistung von verschiedensten realisierten Anlagentypen 

aus der Geschichte und der Gegenwart. Alle Anlagen wurden geordnet nach dem zugrunde 

liegenden Prinzip, der Achsausrichtung des Rotors, der Orientierung zum Wind, der Rotordaten 

und der resultierenden Anwendung. λ bezeichnet hierbei die so genannte Schnelllaufzahl, 

die angibt, wie schnell sich ein Rotor bei einer bestimmten Windgeschwindigkeit dreht. Die 

jeweiligen Bezeichnungen sind in rot angegeben. 

a) Welche Zahl gibt z an? 

b) Was bedeutet Luv und Lee? Informieren sie sich anhand des Internets. 

c) Wie kann man anhand dieser Abbildung die modernen Dreiflügler charakterisieren? 

Schreiben Sie die Antworten in Stichpunkten auf Ihr Arbeitsblatt zu Aufgabe 5. 

Persische 

Wind- 

mühle 

4



Hilfen 

zu a) Die maximale Leistung gibt in diesem Windgeschwindigkeits-Leistungs- 

Diagramm der höchste Punkt (oder mehrere) der Kurve an. 

zu b) Als Nennleistung bezeichnet man also den maximalen Leistungsumsatz. Man 

muss also den Bereich derjenigen Windgeschwindigkeiten ablesen, bei denen 

die maximale Leistung erreicht wird. 

zu c) In welchen Windgeschwindigkeitsbereichen ist der Graph größer als null? 

zu d) Überlegen Sie sich, was für Probleme oder Schwierigkeiten oberhalb bzw. unterhalb 

der energieliefernden Windgeschwindigkeiten auftreten. 


zu a) Vergleichen Sie z und die Abbildungen der jeweiligen Windenergieanlagen. 

zu b) z. B. www.wikipedia.de 

zu c) Gehen sie die Systematik von oben nach unten durch und notieren die jeweiligen 

Kennzeichen einer modernen Windenergieanlage. 

5




Betrachtet man die Windenergieanlagen, die heute aufgestellt werden, so fallen diese zunächst 

durch ihren schmalen hohen Turm und ihre drei schlanken Rotorblätter auf. Beobachtet man 

eine Anlage dagegen über einen längeren Zeitraum, so kann man folgendes feststellen: Der 

Rotor und das Maschinenhaus werden immer gegen den Wind gedreht, also in die Richtung 

aus der der Wind weht. Dazu benötigt man eine so genannte Windrichtungsnachführung. Außerdem 

werden auch die Blätter selbst um ihre Längsachse gedreht. Diese Aufgabe übernimmt 

der Verstellmechanismus in der Rotornabe. Windkraftanlagen verwendet man heute 

fast ausschließlich zur Stromerzeugung. Dazu ist der Rotor an einem Triebstrang montiert, der 

die Rotation auf einen Generator überträgt. Da die Drehzahlen des Rotors für herkömmliche 

Generatoren zu niedrig sind, ist oft ein Getriebe zwischengeschaltet. Es gibt aber auch Generatoren, 

die extra für Windenergieanlagen gebaut werden, die ohne Getriebe auskommen. Elektrische 

Regelsysteme überwachen den Betrieb und steuern die Anlage. Über den Netzanschluss 

gelangt der erzeugte elektrische Strom ins Netz. Damit eine Anlage sicher steht, muss 

sie ein starkes Fundament besitzen, das fest im Boden verankert ist. Zur Sicherheit ist zudem 

noch eine Rotorbremse eingebaut, die den Rotor bei zu starkem Wind zusätzlich abbremst 

und feststellt. 


a) 2000 Kilowatt = 2 MW 

b) von etwa 13,5 m/s bis 25 m/s 

c) von etwa 3,5 m/s bis 25 m/s 

6


d) Unterhalb von etwa 3,5 m/s ist der Wirkungsgrad sehr schlecht (siehe Station 9). Der 

wichtigste Grund ist allerdings, dass ein Generator auch als Motor fungieren kann. 

Entscheidend dafür ist, ob er Energie im Vergleich zum Netz erhält oder aber liefert. 

Bildlich gesprochen heißt dies: Es muss soviel Energie von dem Windrad produziert 

werden, dass es das Stromnetz „anschiebt“. Liefert es aber weniger Energie, als am 

Netz anliegt, so würde das Netz den Generator als Motor antreiben und die Windenergieanlage 

würde als gigantischer Propeller Wind erzeugen anstatt zu nutzen. 

Oberhalb von 25m/s schalten alle Windenergieanlagen ab, weil ein weiterer sicherer 

Betrieb nicht mehr möglich wäre. Es ist einfach zu gefährlich, eine Anlage bei diesen 

Bedingungen laufen zu lassen. Es könnten durch die enorme Belastung (die Energie 

des Windes steigt ja mit der dritten Potenz ! � siehe Station 2) Flügel oder Teile davon 

abbrechen, usw. Zudem ist der Verschleiß zu hoch, es könnten leicht Teile kaputt 

gehen. Auch der Generator selbst verträgt nicht beliebig hohe Drehzahlen. 


a) z gibt die Blattanzahl an. Bei modernen Windenergieanlagen ist z also drei. 

b) Luv bedeutet immer die dem Wind zugewandte Seite, Lee die abgewandte Seite. Diese 

Bezeichnungen verwendet man in der Meteorologie, beim Segeln, der Windenergie 

usw.. 

c) Eine moderne Windenergieanlage arbeitet nach dem Auftriebsprinzip (siehe Station 

2). Sie hat eine horizontal angeordnete Achse (des Rotors). Sie ist ein Luvläufer, das 

heißt, dass der Rotor immer in die Richtung aus der der Wind weht, gedreht wird. Nur 

ganz kleine Anlagen sind heutzutage noch Leeläufer. Der Rotor hat drei Flügel (z = 3). 

Die Schnelllaufzahl λ ist in einem mittleren Bereich (λ = 9). Eine relativ hohe Schnelllaufzahl 

bedeutet einen hohen Wirkungsgrad. Allerdings wird eine Anlage lauter, je 

schneller sie läuft. Um Grenzwerte einzuhalten und dennoch effektiv zu arbeiten, 

strebt man also mittlere Bereiche für die Drehgeschwindigkeiten an. Die modernen 

Windenergieanlagen werden zur Erzeugung von elektrischer Energie (Strom) verwendet. 


Eine Windenergieanlage wandelt die kinetische Energie des Windes in mechanische (Rotation) 

und dann in elektrische Energie um. Die kinetische Energie wird durch die Rotorblätter in 

mechanische Energie und durch den Generator in elektrische Energie umgewandelt. 

WIND 

Ergänzende Informationen: 

Rotor Generator 

kinetische Energie Rotationsenergie 

Nutzung in Haushalt und Industrie 

elektrische Energie 

7


Folgende Abbildung zeigt ein Fundament einer Windenergieanlage. 

� Arbeitsblatt zu Aufgabe 2 

Fundament einer Windenergieanlage 

Name: 

8


Folgende Begriffe stehen zur Verfügung: Fundament, Generator, Turm, Verstellmechanismus, 

Rotornabe, Stromerzeugung, Getriebe (2x), elektrische Regelsysteme, Netzanschluss, 

Rotorbremse, Rotorblätter, Windrichtungsnachführung. 

Betrachtet man die Windenergieanlagen, die heute aufgestellt werden, so fallen 

diese zunächst durch ihren schmalen hohen ................................. und ihre drei 

schlanken ................................. auf. Beobachtet man eine Anlage dagegen über 

einen längeren Zeitraum, so kann man folgendes feststellen: Der Rotor und das 

Maschinenhaus werden immer gegen den Wind gedreht, also in die Richtung 

aus der der Wind weht. Dazu benötigt man eine so genannte 

................................. . Außerdem werden auch die Blätter selbst um ihre Längs- 

achse gedreht. Diese Aufgabe übernimmt der ................................. in der 

................................. . Windkraftanlagen verwendet man heute fast ausschließ- 

lich zur ................................. . Dazu ist der Rotor an einem Triebstrang montiert, 

der die Rotation auf einen ................................. überträgt. Da die Drehzahlen des 

Rotors für herkömmliche Generatoren zu niedrig sind, ist oft ein 

................................. zwischengeschaltet. Es gibt aber auch Generatoren, die ext- 

ra für Windenergieanlagen gebaut werden, die ohne ................................. aus- 

kommen. ................................. überwachen den Betrieb und steuern die Anlage. 

Über den ................................. gelangt der erzeugte elektrische Strom ins Netz. 

Damit eine Anlage sicher steht, muss sie ein starkes ................................. besit- 

zen, das fest im Boden verankert ist. Zur Sicherheit ist zudem noch eine 

................................. eingebaut, die den Rotor bei zu starkem Wind zusätzlich 

abbremst und feststellt. 

9



WIND 

Name: 

Nutzung in Haushalt und Industrie 

10


Station 3: Argumente für und gegen die Nutzung von Windenergie 

Aufgabe 1 

Aufgabe 2 

Aufgabe 3 

Aufgabe 4 

Versuchen Sie mit Ihrem Partner oder Gruppe möglichst viele Argumente 

für und gegen die Nutzung der Windenergie gegenüberzustellen. Schreiben 

Sie diese auf Ihr Arbeitsblatt. 

Wenn Ihnen keine Argumente mehr einfallen, lesen Sie die an dieser Station 

ausliegenden Zeitungsartikel durch. Finden Sie daraus weitere Argumente. 

Ein Blick ins Internet kann ebenfalls helfen. 

Finden Sie eine eigene Meinung (jeder für sich!) und schreiben Sie diese in 

wenigen Sätzen nieder. Wie stark wünschen Sie sich die Nutzung der 

Windenergie in Zukunft? 

Könnte man ganz Deutschland ausschließlich mit Windenergie versorgen? 

Daten dazu aus dem Jahr 2006: 

Jährlicher Energiebedarf in Deutschland: 14464 PJ = 14,5 ·10 18 J 

Fläche Deutschland: 357090 km 2 

Durchschnittliche Nennleistung einer Windenergieanlage: 2 MW 

Durchschnittliche Auslastung: 50% 

1


Hilfen 


Denken Sie beispielsweise an folgende Themenbereiche: 

Ökologie (Tierwelt), Wirtschaft, Landschaftsbild, Energieerzeugung, Umweltzerstörung, 

Klima, Sicherheit, Energiekosten, Ressourcen, Tourismus 


Internetadressen: 

http://www.windkraftgegner.de/ 

http://www.wind-energie.de/ 


Schätzen Sie ab, wie viele Windenergieanlagen man bräuchte, um Deutschland mit Energie 

zu versorgen. Wie viele Windräder der genannten Art müsste man pro Quadratkilometer 

aufstellen? 

2




Energie Deutschlands pro Jahr: 14,5 ·10 18 J = 14,5 ·10 18 Ws 

Daraus berechnet man die laufend benötigte Leistung, indem man diese Zahl durch die 

Sekundenzahl eines Jahrs teilt, nämlich durch 60 ⋅ 60 ⋅ 24 ⋅ 365 = 31536000 : 

18 

11 

14, 5⋅ 

10 Ws : 31536000s 

= 4, 

6 ⋅10 

W = 460 GW 

In Deutschland wird also im Durchschnitt laufend 4,6 ·10 11 W Leistung benötigt. Ein Windrad 

mit 2 MW Nennleistung liefert bei 50-prozentiger Auslastung 1000 Kilowatt (=1.000.000 W) 

Leistung. Man bräuchte also 

4, 6 ⋅10 W ⋅ 

11 

5 

W : 1000000 = 4, 

6 10 Windenergieanlagen, um diese 

Leistung bereitzustellen. 

Daraus berechnet man die nötige Zahl von Windrädern pro Quadratkilometer: 

5 

2 1 

4, 

6 ⋅ 10 : 357090km 

= 1, 

3 . 2 

km 

Man müsste also nach dieser einfachen Abschätzung pro Quadratkilometer mehr als eine 

Windenergieanlage aufstellen, was flächendeckend nicht möglich ist. Diese errechnete Dichte 

steigt noch deutlich an, wenn man ungeeignetes Gelände (Hochgebirge, Sümpfe, bebaute 

Fläche, Leelagen,...) von der Gesamtfläche abzieht. Diese Tatsache zeigt, wie flächenintensiv 

regenerative Energiequellen im allgemeinen und Windenergie im speziellen sind. Die größte 

Dichte von Windenergieanlagen bei großen Windparks in der Nordsee liegen immer noch im 

Bereich von unter 5 Anlagen pro Quadratkilometer. Ein Beispiel ist der Horns-Rev-Windpark 

in Dänemark. Hier stehen 80 Anlagen auf 20km 2 , was einer Dichte von 4 pro km 2 entspricht. 

3


� zu Aufgabe 2 

4


5


6


7


* 

8


* 

9


10


Station 4: Abhängigkeit der Leistung von der Flügelstellung 

Aufgabe 1 

Aufgabe 2 

Aufgabe 3 

Aufgabe 4 

Aufgabe 5 

Machen Sie sich mit dem Versuchsaufbau und dem Arbeitsblatt 

(Protokollblatt) vertraut. 

Schalten Sie alle Messgeräte ein und stellen Sie die Flügel zunächst auf 

jeweils 0° ein (beide Flügel müssen einzeln eingestellt werden!). Beginnen 

Sie mit der ersten Messung: Stellen Sie dazu das Gebläse auf die erste 

Stufe, lesen Sie die Werte für Strom und Spannung ab und ergänzen Sie 

entsprechend die Leistung. 

Gehen Sie in 10°-Schritten bis 90° vor und tragen die Werte in das 

Protokollblatt ein. 

Stellen Sie nun das Gebläse auf die zweite Stufe ein. Gehen Sie wieder wie 

in Aufgabe 3 beschrieben vor. 

Erstellen Sie aus den beiden gewonnen Daten-Tabellen eine Graphik auf ein 

kariertes Blatt. Welche Flügelstellung ist für welche Windgeschwindigkeit 

optimal? Formulieren Sie Ihr Ergebnis des Experiments in einigen Sätzen 

oder Stichpunkten auf das Arbeitsblatt. 

1



P = U ⋅ I 


Möglich ist z.B. eine Winkel-Leistung-Kurve. 

Hilfen 

Tragen Sie auf die Rechtwertachse die Winkel von 0° bis 90° auf. Tragen Sie auf die 

Hochwertachse die Leistung auf. Legen Sie auf vernünftige Maßstäbe wert. Verbinden Sie die 

Punkte zu einer genäherten durchgängigen Kurve. 

2


Lösung: 


Konkrete Lösungen sind in einer Experimentieraufgabe nicht sinnvoll, da jedes Experiment 

etwas anders verläuft. Für jede Windgeschwindigkeit sollte jedoch ein Maximum der 

Leistung bei einem bestimmten Winkel auftreten. Dieser Winkel sollte bei höherer 

Windgeschwindigkeit kleiner sein als bei niedrigerer (die Nullachse liegt parallel zur 

Rotorachse). Ungefähr folgender Verlauf sollte auftreten. 

Ergebnis des Versuchs vom 27. Juni 2007 

Man erkennt, dass auch bei einem Anstellwinkel von null eine Leistung auftritt, was am 

Drehmoment der den Ventilator verlassenden Luftströmung liegt. Dann steigt die Leistung 

relativ kontinuierlich an, um nach dem Erreichen des Maximums recht schnell wieder 

abzufallen. Bei Senkrechtstellung der Blätter zum Wind ist keine Leistungsaufnahme mehr 

möglich. Je höher die Windgeschwindigkeit ist, desto niedriger ist der Anstellwinkel des 

Leistungsmaximums. 


Zur optimalen Leistungsregelung einer Windenergieanlage verwendet man heute fast immer 

eine so genannte Pitch-Regelung. Hierbei werden die Rotorblätter um ihre Längsachse 

gedreht. Dies führt zum einen dazu, dass man für eine gewisse Windgeschwindigkeit immer 

mit dem maximalen Wirkungsgrad (also der maximalen Leistungsaufnahme) arbeitet. Zum 

anderen wird ab dem Überschreiten der Volllast (Nennleistung) die Nase der Flügel in den 

Wind gedreht. Der Anstellwinkel, also auch der Auftrieb und somit die Leistung wird dadurch 

erniedrigt. Dies geschieht durch die Änderung der Strömungsverhältnisse, die bei dem Drehen 

der Flügel aus dem Maximalbereich von einer laminaren zu einer turbulenten Strömung wird. 

Im folgenden Schema werden die Verhältnisse bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten 

aufgezeigt (8m/s oben und 24m/s unten). Der Doppelpfeil deutet die Drehachse und -richtung 

des Rotors an (Ω bezeichnet dabei die Drehgeschwindigkeit). 

3


Prinzip der Pitch-Regelung 

Man nimmt bei diesen beiden Darstellungen an, dass die Drehgeschwindigkeit des Rotors 

gleich ist und somit auch die Drehgeschwindigkeit des Rotorblattes (u = const). Die 

eigentliche Windgeschwindigkeit und die Drehgeschwindigkeit muss man (geometrisch) 

addieren. Daraus erhält man den optimalen Winkel der Blätter. 

Der Verstellmechanismus der Rotorblätter kann prinzipiell auf drei Weisen erfolgen: durch 

rotierende Massen (mechanisch), Hydrauliksysteme oder durch elektrische Stellmotoren. 

Heutzutage werden die Blätter fast ausschließlich durch Motoren oder hydraulische Zylinder 

geregelt (siehe auch Fachteil S. 49 bis 53). 

4


� Arbeitsblatt zu Aufgabe 1-4 

Gebläsestufe 1 (niedrig): 

Protokollblatt zu Station 4 

Anstellwinkel Spannung U [in mV] Stromstärke I [in mA] Leistung P [in mW] 

0° 

10° 

20° 

30° 

40° 

50° 

60° 

70° 

80° 

90° 

Gebläsestufe 2 (hoch): 

Anstellwinkel Spannung U [in mV] Stromstärke I [in mA] Leistung P [in mW] 

0° 

10° 

20° 

30° 

40° 

50° 

60° 

70° 

80° 

90° 

Name: 

5


Station 5: Abhängigkeit der Widerstands- und Auftriebskraft 

von der Flügelstellung 

Aufgabe 1 

Aufgabe 2 

Aufgabe 3 

Aufgabe 4 

Aufgabe 5 

Aufgabe 6 

Aufgabe 7 

Machen Sie sich mit den beiden Versuchsaufbauten und dem Arbeitsblatt 

(Protokollblatt) vertraut. 

Zuerst soll die Auftriebskraft gemessen werden. Stellen Sie das Profil 

zunächst auf 0° ein. Beginnen Sie mit der ersten Messung: Stellen Sie dazu 

das Gebläse auf die mittlere Stufe, und lesen den Wert für die 

Auftriebskraft ab. 

Gehen Sie in 10°-Schritten bis 90° vor und tragen die Werte in das 

Protokollblatt ein. 

Nun wird noch die Widerstandskraft des Profils gemessen. Stellen Sie das 

Profil zuerst auf 0° ein. Beginnen Sie mit der ersten Messung: Stellen Sie 

dazu das Gebläse auf die mittlere Stufe, und lesen den Wert für die 

Widerstandskraft ab. 

Gehen Sie wieder wie in Aufgabe 3 beschrieben vor. 

Sie können nun die Aufgaben 2 - 5 auch bei einer anderen Gebläsestufe 

durchführen. 

Erstellen Sie aus den gewonnen Daten-Tabellen eine Graphik. Welche 

Flügelstellung ist optimal? Formulieren Sie ihr Ergebnis des Experiments in 

einigen Sätzen oder Stichpunkten. Ein Vergleich mit dem Ergebnis der 

Station 4 lohnt sich! 

1



Hilfen 

Sinnvoll ist eine Winkel-Auftriebskraft-Widerstandskraft-Kurve. Es würde sich auch wegen 

der besseren Übersichtlichkeit anbieten, jeweils eine Graphik pro Windgeschwindigkeit zu 

zeichnen (falls für mehr als eine Windgeschwindigkeit gemessen wurde). 

Tragen Sie auf die Rechtwertachse die Winkel von 0° bis 90° auf. Tragen Sie auf die 

Hochwertachse die Kraft auf. Legen Sie auf vernünftige Maßstäbe wert und verbinden Sie die 

Punkte zu jeweils genäherten durchgängigen Kurven. 

2


Lösung: 


Das Ergebnis für eine Windgeschwindigkeit könnte folgendermaßen aussehen: 

Ergebnis des Versuchs vom 04. Juli 2007 

Man erkennt, dass der Widerstand des Profils zunächst nicht stark ansteigt und sich um null 

bewegt. Erst ab etwa 20° beginnt der Widerstand fast linear anzusteigen. Das Maximum ist 

bei Senkrechtstellung des Profils zur Strömung erreicht. 

Der Auftrieb beginnt schon bei einem Anstellwinkel von null Grad. Zum einen ist dies durch 

das Drehmoment der Luftströmung aus dem Ventilator bedingt. Zum anderen spielt aber 

natürlich auch die Qualität des Profils eine Rolle. Bei Windenergieanlagen spielt ein gutes 

Profil eine entscheidende Rolle für den Energieertrag. Das Maximum des Auftriebs ist bei 

etwa 40° auszumachen. 

Der Optimalwert des Anstellwinkels liegt also im Bereich von etwa 30°. Hier ist der Auftrieb 

schon relativ hoch, der Widerstand aber noch nicht. Es ist immer ein Kompromiss zwischen 

diesen beiden Größen, der den besten Anstellwinkel ausmacht. 


Hier zum Vergleich eine echte Aufnahme dieser beiden Größen bei dem abgebildetem Profil. 

Somit sind die Kurven auch Kennlinien für Profilformen. 

A = Auftriebskraft 

W = Widerstandskraft 

3



mittlere Gebläsestufe: 

Gebläsestufe: 


Anstellwinkel Auftriebskraft [in N] Widerstandskraft [in N] 

0° 

10° 

20° 

30° 

40° 

50° 

60° 

70° 

80° 

90° 

Anstellwinkel Auftriebskraft [in N] Widerstandskraft [in N] 

0° 

10° 

20° 

30° 

40° 

50° 

60° 

70° 

80° 

90° 

Name: 

4


Station 6: Die Zukunft der Windenergie 

Aufgabe 1 

Aufgabe 2 

Aufgabe 3 

Aufgabe 4 

Aufgabe 5 

Sehen Sie sich den Kurzfilm „Repowering_Hemme.wmv“ und die Präsentation 

„Repowering.ppt“ des Bundesverbandes für Windenergie an. 

Was bedeutet „Repowering“ und welche Vorteile ergeben sich dadurch? 

Versuchen Sie neben den angegeben noch weitere zu finden. Stichpunkte 

genügen. 

Sehen Sie sich die 3 Filmausschnitte (Station_6_Film 1 bis 3) der Sendung 

„Abenteuer Wissen“ (ZDF) vom 16.05.2007 an. Beantworten Sie die dazu 

gestellten Fragen. 

Wodurch ist die zurückliegende und zukünftige Entwicklung in 

Deutschland geprägt? Beschreiben Sie dazu die wichtigsten Erkenntnisse 

aus der Graphik „Jährlicher Neubau an Nennleistung in Deutschland“. 

Stichpunkte genügen. Versuchen Sie Gründe für die zukünftige Entwicklung 

zu finden (insbesondere die Veränderungen ab 2006). 

Beschreiben Sie anhand folgender beiden Graphiken die Entwicklung der 

Windenergie in der Welt. Verwenden Sie dabei möglichst mathematische 

bzw. statistische Fachbegriffe. Welche Rolle spielt Deutschland in der 

globalen Entwicklung? 

1


� Aufgabe 3 

Filmausschnitte: 

Station_6_Film_1 



Fragen zu den Filmausschnitten: 

1. Welche Form der Windenergie wird als die entscheidende für die Zukunft erachtet? 

(Station_6_Film_1) 

2. Warum ist gerade diese Form für die Energieerzeugung gut geeignet? 


3. Was sind noch Probleme und offene Zukunftsfragen bei der Errichtung und dem Betrieb 

solcher Anlagen? 

(Station_6_Film_1 und Station_6_Film_2) 

4. Was ist das generelle Problem der Erzeugung von Strom aus der Windenergie? 


5. Welche Lösungen werden hierfür in Erwägung gezogen? 


Beantworten Sie die Fragen bitte in Stichpunkten auf Ihr Arbeitsblatt zu Aufgabe 3. 

2


� Aufgabe 4 

Jährlicher Neubau an Nennleistung in Deutschland 

3


� Aufgabe 5 

Jährlicher Neubau an Nennleistung in der Welt 

Installierte Gesamtleistung in der Welt 

4



Hilfen 

Über welche Größe(n) sagt die Graphik etwas aus? Welche Entwicklungen zeichnen die 

einzelnen Größen aus und warum gerade diese? Wo und wie ändert sich etwas an der 

Entwicklung? Wo kommen neue Entwicklungen hinzu? Wie zeichnet die Graphik die 

Zukunft? 


Über welche Größe(n) sagen die Graphiken etwas aus? Wie wirkt sich eine Größe auf die 

andere aus? 

5




Unter Repowering versteht man den Ersatz alter ausgedienter Windkraftanlagen durch neue, 

leistungsstärkere Maschinen. Folgende Skizze zeigt die grundsätzliche Vorgehensweise. 

Prinzip des Repowering 

Es ergeben sich durch diese Strategie eine Reihe von Vorteilen, von denen die wichtigsten im 

folgenden aufgeführt werden: 

� Erhöhung der installierten Leistung (Verdoppelung bis Verdreifachung) ohne weiteren 

Flächenverbrauch 

� höhere Stromerträge (Verdreifachung bis Vervierfachung) 

� wirtschaftlicherer Betrieb 

� Reduktion der Anzahl der Anlagen 

� geringere Beeinträchtigung des Landschaftsbildes 

� bessere Energieausbeute durch höhere Anlagen und neueste Technik 

� weniger Geräuschemissionen 

� Verbesserung der Netzsicherheit und –stabilität 

� bessere Alternative zum bloßen Rückbau alter Anlagen 


zu 1.: Die sogenannte Offshore-Windenergie, also die Aufstellung von Anlagen im Küsten- 

und Meeresbereich wird als die Windenergieerzeugung der Zukunft angesehen. 

zu 2.: Auf dem Meer hat man insgesamt die günstigsten Windverhältnisse: Der Wind bläst 

gleichmäßig (ohne große Böen), zu fast jeder Zeit und meist mit einer optimalen Windstärke 

(unter 90 km/h = 25 m/s). Weit im Meer stehende Anlagen haben kaum 

Sichtbeeinträchtigungen auf die Landschaft, stören also kaum. Auch der Lärm beeinträchtigt 

keine Wohngebiete. 

zu 3.: Probleme und offene Zukunftsfragen wären unter anderem: 

- aufwändige Aufstellung und Wartung der Anlagen 

- Arbeitsbeeinträchtigungen bei starkem Wind und ungünstigem Wetter 

- noch keine Langzeitergebnisse, ob die Anlagen auf längere Sicht robust genug sind 

- Auswirkungen auf die Meeresumwelt (z.B. Fische, Vögel etc.) noch ungewiss 

6


- werden Offshore-Anlagen angesichts hoher Baukosten wirtschaftlich werden? 

- stärkere Stürme in Zukunft (Klimaänderung) verlangt nach noch stärkerer Sicherung 

- aufwändige Fundamentkonstruktionen notwendig (Strömung, Salzeinwirkung etc.) 

- Energietransport an Land teils schwierig und aufwändig (lange Seekabel nötig, 

Verluste?) 

- Sichtbeeinträchtigungen bei Anlagen in Küstennähe 

zu 4.: Das generelle Problem der Stromerzeugung aus dem Wind ist seine Unstetigkeit. 

Manchmal wir sehr viel Strom erzeugt, manchmal fast nichts. Es können sehr starke, schnelle 

Schwankungen im Stromangebot auftreten, die die Stabilität des Stromnetzes beeinflussen, 

bzw. belasten. Im Extremfall könnte es zu Stromausfällen kommen. 

zu 5.: Als generelle Lösung sieht man die Speicherung des Stromes bei starkem Wind und das 

Entnehmen von Strom aus diesen Speichern bei Flaute an. 

Als technische Lösungen stehen zur Zeit vor allem zwei Verfahren im Raum: Das Abspalten 

von Wasserstoff mit umgekehrter Nutzung als Brennstoffzelle und die Speicherung von 

Energie als Druckluft in unterirdischen Hohlräumen, die bei Bedarf über Turbinen wieder 

Strom erzeugen könnte (Druckluftspeicherwerke). 

Weiterführende Informationen: 

Fachteil S. 83 - 86 und S. 114 - 116 


Die Graphik zeigt den jährlichen Neubau an Kapazitäten also den Zuwachs an Leistung über 

je ein Jahr. 

Man sieht, dass sich bis Ende 2002 das Wachstum stetig erhöhte und zwar eher exponentiell 

als linear. Damit ist auch klar, dass die Gesamtzahl nicht einfach nur stieg, sondern ebenfalls 

exponentiell (sogar mit einem größerem Exponenten, da ja schon die Zuwachsraten mehr als 

linear steigen). Es wurden in dieser Zeit fast ausschließlich Onshoreanlagen errichtet. Ein 

neuer Effekt kam 2003 dazu, nämlich das Repowering (Aufgabe 1 und 2). Die Anlagen der 

ersten Generation waren technisch veraltet und wurden ersetzt. Hinzu kommt von dieser Zeit 

an, dass langsam eine Sättigung des Baus an guten Standorten eintrat. Die Neubauten konnten 

von da an nur an nicht mehr so günstigen Standorten gebaut werden, bzw. gute Standorte 

wurden knapper. Nichtsdestotrotz waren die Zuwachsraten immer noch sehr hoch. In den 

letzten Jahren konnte man aus den Erkenntnissen der vielen Anlagen im Onshorebereich und 

Forschungen auf der See die ersten wirklichen Offshoreanlagen mit einer gesicherten 

Perspektive und ansprechenden Leistungsbereichen errichten. Da dieser Zweig der 

Windenergie jetzt erst so richtig anläuft, hat man hier in den nächsten Jahren erhebliches 

Zuwachspotential. Dies belegt auch die hohe Zahl an geplanten Vorhaben in der Nord- und 

Ostsee. Das Repowering wird sich zudem noch weiter verstärken. Es werden immer mehr 

Anlagen älter, wirtschaftlich amortisiert sein und neue Anlagen mit höherer Leistung sinnvoll 

erscheinen lassen. Das Repowering und die Errichtung von Anlagen auf der See führen dazu, 

dass die seit dem Rekordjahr 2002 abflachende Neubaurate ab 2007 wieder ansteigen könnte. 

Neubauraten wie um 2002 werden allerdings nicht erwartet, da auch der Platz auf dem Meer 

begrenzt ist. 

7



Die beiden Graphiken zeigen den jährlichen Zubau an Nennleistung im Jahr und die daraus 

resultierende Gesamtleistung der Welt. Der jährliche Zubau spiegelt sich also in der Differenz 

der Gesamtbeträge wider. Bis zum Jahr 2004 sind die Zuwachsraten sehr unterschiedlich 

differenziert: Während in Deutschland der größte Zuwachs bereits 2002 zu verzeichnen ist 

und dann wieder etwas nachlässt, beginnen die Zuwachsraten der Welt erst in diesem 

Zeitraum an signifikant zu steigen. Während auch in Europa der Boom jetzt erst richtig 

beginnt und vor allem in den nächsten Jahren kräftig steigen wird, pendelt sich Deutschland 

auf einen festen Wert ein, was bedeutet, dass die Gesamtleistung hier stetig wachsen wird. 

Betrachtet man die Leistung weltweit, so stellt man fest, dass von 2005 bis 2008 mit einem 

stetigen Anwachsen der jährlichen Zuwachsraten zu rechnen ist, dieser ab 2009 sogar noch 

steiler wird. Ein stetig zunehmender Zuwachs bedeutet exponentielles Ansteigen der 

Gesamtzahlen der Leistung. Diese Tatsache sieht man in der unteren Graphik, wo die 

Gesamtleistung nicht gleichmäßig zunimmt, sondern exponentiell. Man darf sich nicht 

täuschen lassen, ab 2004 kommt es nicht zu einem sprunghaften Verhalten, der nächste 

Balken gilt für 2012, so dass man in etwa mit einer exponentiellen Kurve der Gesamtleistung 

rechnen kann. 

Wie schon angesprochen, ist es in dieser Aufgabe wichtig, zu sehen, dass steigende Zuwächse 

exponentielles Wachstum bedeuten, da der Zuwachs die Steigung der Gesamtleistung 

bestimmt. 

Zu erkennen ist die herausragende Stellung Deutschlands in der Welt, die sich aber in Zukunft 

durch die nachholende Entwicklung der Welt etwas relativieren wird, aber nach wie vor 

bestehen wird. Deutschland ist sozusagen „Weltmeister der Windenergieerzeugung“. 


Fachteil S. 95 - 102 

http://www.wind-energie.de/de/statistiken/ 

8


Station 7: Windenergie in Deutschland und Standortwahl 

Aufgabe 1 

Aufgabe 2 

Aufgabe 3 

Aufgabe 4 

Aufgabe 5 

Aufgabe 6 

Sie sehen in der Darstellung die mittleren Windgeschwindigkeiten in 

Deutschland. Beschreiben Sie in Stichpunkten die wesentliche Charakteristik 

dieser Verteilung auf Ihrem Arbeitsblatt. 

Warum sind die Zonen unterschiedlicher Windgeschwindigkeiten in dieser 

Art und Weise angeordnet (Graphik Aufgabe 1)? Betrachten Sie hierzu eine 

weitere Graphik: Höhenverteilung der Windgeschwindigkeiten in Deutschland. 

Notieren Sie in Stichpunkten ihre Ergebnisse auf Ihrem Arbeitsblatt. 

Was bedeutet diese Windcharakteristik nun für die Standortwahl für 

Windenergieanlagen: Wo vermuten Sie hohe installierte Leistung, wo niedrigere? 

Versuchen Sie ein Ranking der Bundesländer zu erstellen. 

Welches Land müsste „Deutscher Meister der Windenergie“ sein? 

Welche Einflüsse hat eine Windenergieanlage auf ihre unmittelbare 

Umgebung? Überlegen Sie zunächst erst einmal selbst. Weiterführende 

Antworten liefern auch die Internetseiten: www.wikipedia.de und 

www.wind-energie.de/de/themen/mensch-umwelt/planung/ 

Inwieweit wirkt sich das auf die Standort - Planung von Windenergieanlagen 

aus? 

Sie sehen einige Graphiken, die deutlich machen sollen, welche Einwirkungen 

spezielle Umgebungen auf eine Windenergieanlage haben. 

Beschreiben Sie in Stichpunkten die jeweiligen Auswirkungen der Umgebung 

und die Konsequenzen für die Planung des Standortes für eine Anlage. 

Sehen Sie sich den Filmausschnitt aus „Abenteuer Wissen“ über die 

„Offshore-Windenergie“ an. Welche Vorteile und Nachteile gibt es für 

Standorte auf Land (onshore) und auf See? 

1


� Aufgabe 1 

Durchschnittliche Windgeschwindigkeiten in Deutschland 

2


� Aufgabe 2 

Höhenverteilung der Windgeschwindigkeiten in Deutschland 

3


� Aufgabe 5 

Es ist an dem möglichen Standort der Windenergieanlage jeweils ein Windprofil eingezeichnet. 

Die senkrechte Achse bedeutet hierbei die Nullpunktsgerade. Je weiter weg der 

Punkt der rechten Kurve ist, desto höher ist die Windgeschwindigkeit an dieser Stelle: 

h 

Graphik 1: 

Graphik 2: 

Graphik 3: 

v 

4


Graphik 4: 

Graphik 5: 

vor der ersten Anlage nach der ersten Anlage vor der zweiten 

Anlage 

erste Anlage zweite Anlage 

5



a) 

b) 

Hilfen 

Bundesländergrenzen - ohne Bezeichnungen - 

Bundesländer in Deutschland seit dem 3. Oktober 1990 

Beziehen Sie 

Ländergrößen, 

Bebauung etc. 

in Ihre 

Überlegungen 

mit ein. 

6




Es lässt sich deutlich ein Nord-Süd-Gefälle der Windgeschwindigkeiten feststellen. Hierbei 

treten im Küsten- und Seebereich hohe Windgeschwindigkeiten auf mit mehr als 5 m/s im 

Durchschnitt. Sie werden gefolgt von den küstennahen Landgebieten, wo immer noch mehr 

als 4 m/s vorherrschen. Die südliche Hälfte Deutschlands ist dagegen von nur geringen 

Luftbewegungen geprägt. So sind etwa ab der Mainlinie südlich kaum noch Geschwindigkeiten 

von 3 m/s anzutreffen. Erst im Bereich des Alpenvorlandes erhöhen sich die Zahlen 

wieder etwas. 

Überlagert wird dieses erste Phänomen von den Bedingungen der Mittelgebirge, wo 

unabhängig ihrer Lage in Deutschland wieder deutlich höhere Durchschnittswerte von 5 m/s 

angenommen werden. Letztendlich hängt diese Tatsache vor allem von der Höhenlage der 

entsprechenden Gebirge ab. Es lassen sich deutlich Harz, Rothaargebirge, Eifel, Hunsrück, 

Rhön, Thüringer Wald, Erzgebirge, Schwarzwald, Schwäbische Alb, Bayerischer Wald und 

einige mehr ausmachen. Ergänzend lässt sich noch sagen, dass Windgeschwindigkeiten über 5 

m/s erst ab Höhenstufen von über etwa 1000 m erreicht werden. 


Auf der Graphik erkennt man, dass auch in südlicheren Gebieten Deutschlands noch hohe 

Durchschnittswindgeschwindigkeiten vorherrschen, allerdings in viel höheren Bereichen. 

Man kann aber Windenergieanlagen nur begrenzt hoch bauen (Stabilität, Unfallrisiko etc.). 

Über dem Meer, das nur von Wellen (die verhältnismäßig flach sind) aufgeraut wird, können 

sich unterschiedliche Luftdrücke ungehindert ausgleichen, da die bewegte Luft kaum 

Widerstände hat. So können sich sehr leicht Winde entwickeln. Hinzu kommen noch Land- 

See-Wind-Systeme, die an den Küsten zusätzlich auftreten (siehe Station 2). Je mehr man 

landeinwärts geht, desto mehr werden die Isolinien 1 der Windgeschwindigkeit in die Höhe 

verlagert. Dies ist zum einen durch die generell in ihrer Höhenlage zunehmenden Landmasse 

bedingt, zum anderen aber auch durch die Gebirge, die Winde in die Höhe treiben und an 

ihrer windabgewandten Seite (Lee) häufig stark ausgeprägte Windschattengebiete schaffen. 

Man spricht von zunehmender Bodenrauhigkeit (Bäume, Hügel, Berge, Bauwerke etc.). Dass 

auf Höhenstufen der Gebirge dagegen starke Winde auftreten, macht folgende Graphik 

deutlich. 

Luft strömt über ein Hindernis (z.B. Berg) 

Die Höhe der Obergrenze der Luftschicht (Atmosphäre) ist ziemlich gleich über dem gesamten 

Globus. Wenn Luft nun durch einen verengten Bereich (Berg oder Gebirge) strömen muss 

1 Isolinie: Linie auf der eine Größe (z.B. Höhe, Druck etc.) immer den gleichen Wert annimmt (z.B. Isobare etc.) 

7


(also durch eine kleinere Fläche A), so kann sie dies nur durch eine höhere Geschwindigkeit 

tun, da der Volumenstrom erhalten bleiben muss (Kontinuitätsgleichung: 

V Luft 

t 

= const. 

= v ⋅ A = v ⋅ A ). 


1 

1 

2 

2 

Es ist nur allzu logisch, in Bereichen hoher Windgeschwindigkeiten auch hohe installierte 

Leistung bzw. eine hohe Dichte an Windenergieanlagen zu vermuten. Dies trifft im Einzelfall 

nicht immer zu, aber insgesamt schon, so dass man folgendes Ranking der Bundesländer nach 

Windenergieanlagen aufstellen kann. 

Bundesland installierte Leistung 

(gerundet) am 

31.12.06 in MW 

Anteil der 

Windenergie am 

Stromverbrauch in % 

Niedersachsen 5.283 19,0 

Brandenburg 3.128 28,1 

Sachsen-Anhalt 2.533 37,5 

Nordrhein-Westfalen 2.392 3,1 

Schleswig-Holstein 2.391 34,9 

Mecklenburg- 

Vorpommern 

1.233 33,4 

Rheinland-Pfalz 992 5,9 

Sachsen 769 6,9 

Thüringen 632 10,1 

Hessen 450 1,8 

Bayern 339 0,6 

Baden-Württemberg 325 0,5 

Bremen 64 2,0 

Saarland 57 1,3 

Hamburg 34 0,4 

Berlin 0 0,0 

Von der absoluten Zahl her müsste also Niedersachsen „Deutscher Meister der Windenergie“ 

sein. Allerdings hat das Land auch wesentlich mehr Fläche zur Verfügung. Ähnliches macht 

sich auch bei den Städten bemerkbar, die alle mehr oder weniger nördlich liegen und relativ 

gute Windverhältnisse haben. Aber durch die hohe Bebauungsdichte ist es nicht möglich, 

viele Windenergieanlagen zu errichten. 

Betrachtet man dagegen, welcher Anteil des Verbrauchs eines Landes aus dem Wind 

gewonnen wird, so muss man Sachsen-Anhalt knapp vor Schleswig-Holstein und 

Mecklenburg-Vorpommern als „Deutschen Meister der Windenergie“ betrachten. Dies 

verwundert zunächst ein wenig, da Sachsen-Anhalt kein Küstenland ist. Dies ist dadurch zu 

erklären, dass an den Küsten schon sehr lange Windenergieanlagen stehen, also auch heute 

noch relativ viele ältere Anlagen stehen. Insbesondere in den neuen Bundesländern wurde der 

Aufbau der Windenergie erst in jüngster Zeit vollzogen. Dementsprechend leistungsstärker 

und effizienter sind die neuen Anlagen. Ähnliches gilt auch für Brandenburg. Dies kann sich 

aber schnell wieder ändern (Repowering, Offshore-Windenergie, siehe Station 6). 

8



Windenergieanlagen beeinträchtigen ihre Umgebung durch: 

• Vogel- und Fledermausschlag 

• Landschaftsverbrauch (visuelle Beeinträchtigungen, Landschaftsbild) 

• Auswirkungen auf Standorte im Meer (Schiffskollisionen möglich, Eingriff in die 

Meeresökologie und Schutzgebiete wie z.B. das Wattenmeer) 

• Schattenwurf 

• Diskoeffekt (heutzutage durch matte Lackierungen kaum noch) 

• Hindernis-Befeuerung (Blitzlicht) 

• Schall 

Diese Beeinträchtigungen müssen alle in die Standortwahl für Windenergieanlagen 

einbezogen werden, allerdings mit unterschiedlicher Gewichtung. Für den Schattenwurf und 

den Lärm müssen bestimmte Grenzwerte eingehalten werden, die dann Mindestabstände von 

Gebäuden verlangen. Alle anderen Punkte werden schon im Vorfeld, also bei der Ausweisung 

von speziellen Flächen für die Errichtung von Windrädern einbezogen. Diese Flächen werden 

also möglichst nicht in wichtige Brutgebiete für Vögel oder in die Nähe von 

Naturschutzgebieten gelegt. Außerdem werden die Auswirkungen auf das Landschaftsbild 

von möglichen Anlagen durch Fotomontagen schon vorher getestet. 


Nr. spezielle Umgebungen Planungsfolgen 

1 geringe Geländeneigung, hoher gut geeigneter Standort, relativ niedrige Türme 

Standort 

möglich 

2 starke Geländeneigung, hoher relativ gut geeigneter Standort, aber hohe Türme 

Standort 

notwendig, um nicht in Turbolenzbereiche zu 

kommen 

3 Wald nicht optimal, höhere Turbolenzen, höhere Türme 

notwendig 

4 Hindernisse z.B. Gebäude Mindestabstände von der etwa zwanzigfachen 

Höhe des Hindernisses nötig oder höhere Türme 

5 Windpark Mindestabstände der Anlagen notwendig: 10 

Rotordurchmesser, sonst nehmen sich die Anlagen 

gegenseitig den Wind 



Fachteil S. 96 - 101 (Aufgaben 1-3) 

Fachteil S. 108 - 116 (Aufgaben 4-6) 

9


Station 8: Windenergie als eine der möglichen alternativen (oder 

regenerativen) Energiequellen 

Aufgabe 1 

Aufgabe 2 

Aufgabe 3 

Aufgabe 4 

Aufgabe 5 

Welche Arten von alternativen (oder regenerativen) Energiequellen können 

Sie finden? Informieren Sie sich anhand des Internets. Erstellen Sie eine 

kurze Gliederung der gefundenen Arten (und Unterarten) auf das Arbeitsblatt. 

Versuchen Sie möglichst viele Vor- und Nachteile von alternativen 

Energiequellen gegenüberzustellen. 

Betrachten Sie die Potenziale der jeweiligen alternativen Energiequellen, 

die in der Graphik dargestellt sind. Interpretieren Sie diese Graphik: Welche 

(Trug-) Schlüsse könnte man ziehen? Berechnen Sie, in welchem Jahr die 

jeweilige Energiequelle 

- bei jeweils alleiniger Verwendung, 

- einem durchschnittlichen jährlichen Anstieg des Weltenergieverbrauchs 

um 4% 

- wenn man sie voll nutzen bzw. speichern könnte (Wirkungsgrad 1!) 

erschöpft wäre. 

Sie sehen in der an dieser Station ausliegenden statistischen 

Veröffentlichung des Bundesumweltministeriums (vom 21.02.2007) einige 

Graphiken und Tabellen zur Entwicklung von alternativen Energiequellen 

in Deutschland. Welchen Stellenwert hat die Windenergie innerhalb der 

alternativen Energieformen in Deutschland? Belegen Sie Ihre Aussagen 

auch quantitativ. Wie würden Sie die Entwicklung und den aktuellen Stand 

alternativer Energieerzeugung in Deutschland beschreiben? 

Betrachten Sie die abgebildete Graphik. Wie muss die zukünftige 

Energieversorgung aussehen? Was ist aber die entscheidende Aufgabe der 

Zukunft in Bezug auf den Energieverbrauch? 

1


� Aufgabe 3 

Potenziale alternativer Energiequellen 

Die Graphik zeigt die pro Jahr vorhandenen alternativen Energiemengen sowie den 

Weltenergieverbrauch des Jahres 1995. 

2


� Aufgabe 5 

Entwicklung des Energieverbrauchs und der Erzeugungszusammensetzung 

in Deutschland 

3



www.wikipedia.de 

www.erneuerbare-energien.de 


www.wikipedia.de 

www.erneuerbare-energien.de 


Hilfen 

a) Unterscheiden Sie physikalisch vorhandene Energiemengen und technisch nutzbare 

Energiemengen. Stichworte für eine Argumentation wären hierfür: Wirkungsgrad, 

Flächenintensität von alternativen Energiequellen. 

b) Einem prozentualem Zuwachs von 4% pro Jahr entspricht der Energiemenge des 

vorausgegangenen Jahres mal dem Faktor 1,04. 

c) Wie oft muss man die Energiemenge des Jahres 1995 mit dem Faktor 1,04 multiplizieren 

um die jeweilige Energiemenge zu erhalten? Das Ergebnis liefert die Anzahl von Jahren 

von 1995 an gerechnet. 


Suchen Sie sich die richtigen Graphiken und Tabellen aus, um Aussagen zu treffen. Aus 

unterschiedlichen Graphiken ergeben sich Aussagen zu verschiedenen Bereichen. Gehen Sie 

nicht sehr ins Detail. 

Man kann folgendermaßen vorgehen: 

- Welche Graphik oder Tabelle sagt was aus? � Überschriften durchgehen und 

vergleichen 

- Welche Graphik bzw. Tabelle ist übersichtlich, welche nicht? 

- Gibt es zu einer Tabelle eine zugehörige Graphik? 

- Welche Tabellenspalten sind interessant, welche gehen zu sehr ins Detail? 

- Welche Tabellen oder Graphiken sind zu detailliert? Kann man etwas 

zusammenfassen? 

- Gibt es Tabellen und Graphiken, die gleiches bzw. ähnliches aussagen? 

- usw. 

4




Im folgenden soll von alternativen Energiequellen gesprochen werden. Denn auch fossile 

Energieträger sind im Prinzip regenerativ, allerdings über wesentlich länger Zeiträume. 

Alternativ meint den Gegensatz zu den heute zu über 90% verwendeten Energieträgern. Beim 

Begriff erneuerbare Energien gilt ähnliches. Prinzipiell werden diese drei Begriffe aber 

synonym verwendet. 

Von der Seite http://de.wikipedia.org/wiki/Erneuerbare_Energie kann man folgende sehr 

ausführliche Gliederung der alternativen Energiearten erhalten: 

• Bioenergie (aus Biomasse bzw. Energiepflanzen) 

o Holz 

o Pflanzenöl („Pöl“) 

o Fettsäuremethylester (Biodiesel) 

o BtL-Kraftstoffe 

o (Bio-)Ethanol und Zellulose-Ethanol 

o Biogas (Biogasanlage) 

o Biowasserstoff (Dampfreformierung) 

• Geothermie 

o Tiefe Geothermie 

o Oberflächennahe Geothermie 

• Solarenergie 

o Photovoltaik (Photovoltaikanlage) 

o Solarthermie (Sonnenkollektor, Sonnenwärmekraftwerk) 

o Solarchemie 

o Thermik (Thermikkraftwerk) 

• Wasserkraft 

o Gezeitenkraft 

o Strömungsenergie des Meeres 

o Meereswärme 

o Staudämme und Staumauern 

o Osmosekraftwerk (Unterschiedlicher Salzgehalt von Süß- und Salzwasser) 

o Wellenenergie des Meeres 

• Windenergie (Windmühlen bzw. Windenergieanlage) 

o Aufwind- oder Thermikkraftwerk 

• Verdunstungskälte 

o adiabate Kühlung 

Die wichtigsten sind aber die ersten fünf fett gedruckten Überbegriffe: Bioenergie, 

Windenergie, Wasserkraft, Geothermie und Solarenergie. 

5



Die folgende Auflistung zeigt einige Vor- und Nachteile alternativer Energieformen auf. 

Vorteile Nachteile 

► CO 2 -Neutralität (und auch andere 

Klimagase, wie z.B. Methan CH 4 ) 

► keine gefährlichen Abfälle 

► physikalisch sehr große Energiemengen 

verfügbar 

► mehr Arbeitsplätze pro erzeugter 

Kilowattstunde 

► Unabhängigkeit von 

Rohstoffimportländern 

► weniger Umweltverschmutzung (keine 

Ölunfälle, brennende Ölfelder,...) 

► weit geringere Unfallgefahr 

(Radioaktivität, Ölunfälle, Kriege,...) 

► und weitere 


► sehr flächenintensiv 

► zunächst relativ hohe Investitionen 

notwendig (auch insgesamt höher pro 

erzeugter Kilowattstunde) 

► nicht jederzeit gleichmäßig verfügbar 

(Sonne, Wind) 

► Energienachfrage und Angebot können 

deshalb differieren 

► oft hohe Eingriffe in die Umwelt 

(Staudämme, Monokulturen, Waldrodung,...) 

► relativ teuer (zumindest der reine 

Strompreis) 

► und weitere 

Diese Graphik sagt aus, dass physikalisch mehr als genug Energie zur Verfügung steht, was 

zunächst auch richtig ist. 

Sie kann suggerieren, dass man ohne Probleme die gesamte benötigte Energie aus 

regenerativen Quellen schöpfen könnte (und zwar mit Ausnahme der (Binnen-) Wasserkraft 

sogar aus jeder einzelnen Energieform) und sogar noch weit mehr als der heutige Verbrauch 

schon ist, nutzen könnte. 

Dies ist aber aus mehreren Gründen problematisch: 

Aus rein physikalischer Sicht von Energiebilanzen bestünde auch kein Problem, allerdings 

bereitet die technische Nutzung das eigentliche Problem. Es ist nämlich nicht ohne weiteres 

möglich, die gesamte zur Verfügung stehende alternative Energie in technisch nutzbare 

Energieformen (z.B. elektrischen Strom) umzuwandeln. Hier spielen die Wirkungsgrade eine 

entscheidende Rolle (Photovoltaikanlagen können z.B. nur einen Bruchteil der einstrahlenden 

Sonnenenergie in Strom umwandeln). Aber auch das Ausmaß der Flächenintensität ist 

problematisch (bei der Windenergie z.B. „Verspargelung der Landschaft“, bei Bioenergie die 

Monokulturen oder das Abholzen des Regenwaldes für Anbauflächen, ...). Zuletzt spielen 

einfache technische Probleme eine große Rolle. Wind in mehr als 150 Metern kann nicht 

genutzt werden, weil so hohe Türme nicht risikoarm betrieben werden können. Tiefe 

Meergebiete können kaum erschlossen werden usw. 

Abschätzung der Energieausschöpfung bei jeweils ausschließlicher Nutzung: 

Bioenergie: 

13 

x 

13 

9, 

5⋅10 

kWh ⋅1, 

04 = 152, 

4 ⋅10 

kWh ⋅1 

� Wirkungsgrad 1 (wird im folgenden weggelassen) 

6


x 

1 , 04 = 

152, 

4 

9, 

5 

⎛152, 

4 ⎞ 

lg⎜ 

⎟ 

9, 

5 

=> x = 

⎝ ⎠ 

≈ 71 1995 + 71 = 2066 

lg1, 

04 

Die Bioenergie wäre also bei alleiniger Nutzung und jährlichem Anstieg des 

Energieverbrauchs im Jahre 2066 erschöpft. 

Wellen- und Meeresenergie: 

13 

9, 5⋅ 

10 kWh ⋅1, 

04 = 762, 

1⋅10 

x 

1 , 04 = 

762, 

1 

9, 

5 

x 13 

kWh 

⎛ 762, 

1⎞ 

lg⎜ 

⎟ 

9, 

5 

=> x = 

⎝ ⎠ 

≈ 112 1995 + 112 = 2107 

lg1, 

04 

Die Wellen- und Meeresenergie wäre also bei alleiniger Nutzung und jährlichem Anstieg des 


Windenergie: 

13 

9, 5⋅ 

10 kWh ⋅1, 

04 = 3084, 

4 ⋅10 

x 

1 , 04 = 

3084, 

4 

9, 

5 

x 13 

kWh 

⎛ 3084, 

4 ⎞ 

lg⎜ 

⎟ 

9, 

5 

=> x = 

⎝ ⎠ 

≈ 147 1995 + 147 = 2142 

lg1, 

04 

Die Windenergie wäre also bei alleiniger Nutzung und jährlichem Anstieg des 


Sonnenenergie: 

13 

9, 5⋅ 

10 kWh ⋅1, 

04 = 152424 ⋅10 

x 152424 

1 , 04 = 

9, 

5 

x 13 

kWh 

⎛152424 

⎞ 

lg⎜ 

⎟ 

9, 

5 

=> x = 

⎝ ⎠ 

≈ 247 1995 + 247 = 2242 

lg1, 

04 

Die Sonnenenergie wäre also bei alleiniger Nutzung und jährlichem Anstieg des 



Stellenwert der Windenergie innerhalb der alternativen Energieformen in Deutschland: 

Die Tabelle und die Graphik auf Seite 11 machen deutlich, dass die Windenergie in den 

letzten 10 Jahren bei der Stromerzeugung mit einer Gesamtleistung von etwa 30.500 GWh zur 

7


führenden regenerativen Energiequelle aufgestiegen ist. Anhand der oberen Graphik auf Seite 

12 kann man dies mit Zahlen belegen: Die Windenergie macht beim Strom mit 42% den 

größten Anteil der alternativ erzeugten Energie aus, gefolgt von der Wasserkraft (29,7%) und 

diversen Biobrennstoffen. Bei der Wärmebereitstellung und den Kraftstoffen ist die 

Windenergie nicht vertreten. Um den Energieanteil der Windkraft an den gesamten 

elektrischen Energieverbrauch herauszufinden, kann man die untere Tabelle auf Seite 10 

heranziehen. Man sieht, dass die Windenergie zwar den größten Anteil am Stromverbrauch 

ausmacht (5,0% des Gesamtenergieverbrauchs), dass aber die Biomasse auch zur 

Wärmeerzeugung und als Kraftstoff verwendet werden kann, also wesentlich vielseitiger ist. 

Beim Umsatz zählt die Windenergie zu den drei großen führenden alternativen 

Energieformen, wie die obere Graphik auf Seite 14 beweist. An führender Position liegt die 

Biomasse mit einem Anteil von 38%, gefolgt von der Solarenergie (28%) und knapp dahinter 

die Windenergie (26%). 

Den Graphiken der Seite 15 kann man schließlich folgendes entnehmen: Nach den 

Biokraftstoffen und der Biomasse (insgesamt 51%) macht die Windenergie die meisten 

Umsätze im laufenden Betrieb (also ohne Investitionsumsätze des Anlagenbaus), nämlich 

27%. Diese Tatsache macht sich bei den Beschäftigten bemerkbar, wo die Windenergie nur 

von der Biomasse übertroffen wird. Bemerkenswert ist auch der starke Gesamtzuwachs an 

Arbeitsplätzen im alternativen Energiebereich (2004 bis 2006: rund ein Drittel mehr 

Beschäftigte). 

Entwicklung und aktueller Stand alternativer Energieerzeugung in Deutschland: 

Die Entwicklung ist besonders auf der unteren Graphik der Seite 8 und der Tabelle bzw. 

Graphik auf Seite 11 zu erkennen. Die Entwicklung zeigt deutlich nach oben und steigert sich 

in ihrer Zunahme noch. Beim Stromverbrauch kommen schon 11,8% aus alternativen 

Energiequellen. Der Anteil am gesamten Endenergieverbrauch ist mit 7,4% trotz zuletzt 

starker Steigerungsraten immer noch deutlich unter der 10%-Marke und auch im Vergleich zu 

Europa eher unteres Mittelfeld (siehe z.B. http://de.wikipedia.org/wiki/Erneuerbare_Energie). 

Wenn man sich den Primärenergieverbrauch betrachtet (obere Graphik, S. 8), dann findet man 

die alternativen Energieformen sogar nur bei 5,3%. 

Während sich die Wasserkraft schon lange auf einem Niveau bewegt, weisen vor allem die 

Windenergie, die Biomassenverstromung und in jüngster Zeit auch die Fotovoltaiktechnik 

hohe Steigerungsraten auf. Auf die Entwicklung der Beschäftigten wurde bereits hingewiesen. 


Der Verbrauch aller fossiler Brennstoffe muss drastisch zurückgefahren werden, die 

Kernenergie sogar auf Null. Stattdessen sollten die alternativen Energieträger noch weitaus 

stärker genutzt werden als es heute der Fall ist. Um eine solche Situation zu erhalten, muss 

allerdings der Energieverbrauch insgesamt stark reduziert werden. Wenn man nicht mehr als 

die Hälfte des Energieverbrauchs zurückfährt, wird man die fossilen Energieträger kaum 

schonen können und nicht wirklich hohe Anteile alternativer Energieformen realisieren 

können (Gründe siehe Aufgabe 2 und 3). Das wichtigste Ziel der Zukunft muss sein, Energie 

möglichst zu sparen. 

Ergänzende Informationen sind im Internet (verschiedenste Seiten) zu finden. 

8


Station 9: Der Wirkungsgrad von Windenergieanlagen 

Für diese Station muss vorher Station 2 bearbeitet worden sein! 

Aufgabe 1 

Aufgabe 2 

Aufgabe 3 

Aufgabe 4 

Aufgabe 5 

Lesen Sie sich den Artikel „Der Wirkungsgrad einer Windenergieanlage“ 

aufmerksam durch. 

Wie Sie in Aufgabe 1 erfahren haben, lässt sich dem Wind maximal 2/3 

seiner Windgeschwindigkeit entziehen. Aber auch eine moderne 

Windenergieanlage erreicht nicht den theoretischen optimalen 

Wirkungsgrad von ηoptimal = 0,593 sondern maximale Gesamt- 

Wirkungsgrade von etwa ηreal = 0,5. Wo treten weitere Verluste bei der 

Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie auf, die zu dieser 

weiteren Erniedrigung führen? Schreiben Sie Stichpunkte auf das 

Arbeitsblatt. 

Lesen Sie sich den Artikel „Widerstandsläufer und Auftriebsläufer - zwei 

unterschiedliche Konzepte von Windenergieanlagen“ aufmerksam durch. 

Machen Sie sich die unterschiedlichen Konzepte an den bereitgestellten 

Modellen klar. 

Welche Vorteile und Nachteile können Sie für Widerstands- und 

Auftriebsläufer finden? Das wichtigste Argument können Sie aus dem 

Vergleich der beiden Wirkungsgrade erhalten. Der Wirkungsgrad eines 

Schalenkreuzanemometers beträgt maximal ηmax,Schalenkreul = 0,08. Den 

maximalen Wirkungsgrad ηmax,Auftrieb können Sie aus der Graphik der 

Aufgabe 6 ablesen. Schreiben Sie Stichpunkte auf das Arbeitsblatt. 

Wo finden die beiden Konzepte Widerstands- bzw. Auftriebsläufer heute 

ihre Anwendung und warum gerade dort? Schreiben Sie Stichpunkte auf 

das Arbeitsblatt. 

Wie groß ist die Leistung folgender modernen Windenergieanlage bei den 

angegebenen Daten? Zu welchem Prozentsatz ist diese Anlage bei der 

Windgeschwindigkeit v = 8m/s ausgelastet? 



Dichte der Luft: ρLuft = 1,293 kg/ m 3 

Nennleistung: PNenn = 2 MW 

Leistungsbeiwert-Charakteristik: 

1


Aufgabe 6 

η 

Wie groß ist der Wirkungsgrad folgender Windenergieanlage bei der 

Windgeschwindigkeit v = 9m/s? Würden Sie diese WEA, gemessen an der 

aktuell mögichen Technik, als eher effizient oder als eher ineffizient 

bezeichnen? 



Dichte der Luft: ρLuft = 1,293 kg/ m 3 

Erzeugte elektrische Leistung: Pel. = 0,9 MW (bei 9 m/s) 

2


Der Wirkungsgrad einer Windenergieanlage 

Wie schon in der Einführungsstation 1 angesprochen, beträgt der Energieinhalt bewegter Luft 

1 2 

(also Wind): EW = mv . Wind ist also nichts anderes als bewegte Masse m (Luftteilchen) 

2 

mit einer gewissen Geschwindigkeit v. Würde man der bewegten Luft ihre gesamte Energie 

entziehen, so wäre ihre Geschwindigkeit anschließend null. Geschähe dies durch den Rotor 

eines Windrades, so würde die Luft dort stehen bleiben, es könnte keine Luft mehr 

nachströmen und das Windrad würde stehen bleiben. 

v1 

Die eingeströmte Luft (v1) muss aus dem Windrad auch wieder ausströmen (v2) 

In einer Windenergieanlage wird die Luft daher nie vollständig abgebremst, sondern nur zu 

einem bestimmten Teil. Schon im Jahr 1920 berechnete Albert Betz diesen Anteil: „Die 

Windradleistung hat dann ihr Maximum erreicht, wenn der Windstrom auf ein Drittel seiner 

ursprünglichen Geschwindigkeit abgebremst wird.“ Dies bedeutet nun wiederum, dass die 

Leistung (oder Energie) der Luft schon grundsätzlich nicht vollständig ausgenutzt werden 

1 

kann: v 2 = v1 

. 

3 

Wie gut eine Maschine die ihr zugeführte Leistung umsetzen kann, wird durch den 

Wirkungsgrad bestimmt. Der Wirkungsgrad errechnet sich allgemein als das Verhältnis aus 

Paus 

genutzter und zugeführter Energie oder Leistung: η = . In diesem Fall wäre Paus die die 

Pein 

Windenergieanlage verlassende elektrische Leistung, Pein die im Wind enthaltene Leistung, 

die auf die Rotorblätter einwirkt. 

Pein 

v2 

Paus 

Zugeführte und genutzte Energie 

Eine exakte Berechnung ergibt, dass bei der optimalen Abbremsung der Windgeschwindigkeit 

auf ein Drittel ihres ursprünglichen Wertes, der noch maximal mögliche Wirkungsgrad ηoptimal 

= 0,593 beträgt. 

3


Widerstandsläufer und Auftriebsläufer - zwei unterschiedliche 

Konzepte von Windenergieanlagen 

Die ersten Windräder waren Widerstandsläufer und schon rein äußerlich mit den heutigen 

Windenergieanlagen nicht zu vergleichen. Das grundsätzliche Prinzip dabei ist, dass eine 

Fläche senkrecht vom Wind angeströmt wird und so eine Kraft auf diese Fläche ausgeübt 

wird. 

f 

Wind FW 

Prinzip des Widerstandsläufers 

Ein typisches Beispiel für einen Widerstandsläufer, wie er auch heute noch Verwendung 

findet, ist ein Gerät zur Windmessung, das Schalenkreuzanemometer. 

Schalenkreuzanemometer 

Es besteht aus (meist drei) schalenförmigen Widerstandsflächen, die auf einer vertikalen 

Drehachse montiert sind. Wenn Wind in die Schalen weht, dreht sich das Messgerät in einer 

zu der Windgeschwindigkeit proportionalen Drehfrequenz. Dadurch kann es mit geringem 

Bau-Aufwand als Messgerät eingesetzt werden. Die Schalen drehen sich deshalb, weil sie 

unterschiedliche Luft-Widerstandswerte (aus dem Autobau bekannt!), sogenannte cw-Werte 

haben. Dies bedeutet konkret, dass die Schalen auf dem Weg gegen den Wind weniger 

Energie benötigen, als sie auf dem Weg mit dem Wind erhalten haben. Anhand der Formel für 

die Kraft auf die (ruhenden) Schalenflächen lässt sich die Bedeutung der cw-Werte auch 

ρ 2 

quantitativ nachvollziehen: = c ⋅ ⋅ f ⋅ v , wobei ρ die Dichte der Luft, f die 

FW w 

2 

Widerstandsfläche und v die Windgeschwindigkeit ist. Die auftretende Kräftedifferenz hat zur 

Folge, dass sich das Windrad dreht. 

4


Prinzip des Schalenkreuzanemometers und entsprechende Luftwiderstandswerte 

Das Prinzip des Auftriebsläufers ist es, die angeströmten Flächen zu kippen und so 

aerodynamische Effekte (wie beim Flugzeug) auszunutzen. 

FA 

Prinzip des Auftriebsläufers 

Der Wind trifft jetzt also schräg auf die Flächen und wird dadurch abgelenkt. Hierbei wird 

durch den Rückstoß Kraft (Auftriebskraft FA) auf die Flächen ausgeübt. Der Wind wird durch 

die Energieübertragung auf die Flächen abgebremst. Dieses Prinzip kennt man ebenfalls 

schon sehr lange und wurde bei den mittelalterlichen Kornmühlen in der grundlegenden Form 

tausendfach angewendet. 

FA 

5


Bockwindmühle in Werder a. d. Havel 

Die Auftriebsflächen sind dazu an einer horizontalen Achse angeordnet. Auch hier spielt 

natürlich der Luftwiderstand, gegen den die Flächen bewegt werden müssen eine Rolle. Den 

Luftwiderstand versucht man möglichst gering zu halten, den Auftrieb möglichst groß. Dies 

ist der Grund, warum die Flügel so aufwändige Profile besitzen (wie der Flügel eines 

Flugzeugs). 

Moderne Windenergieanlage (Auftriebsläufer) mit aerodynamisch geformten Flügeln 

6



Hilfen 

Gehe den Weg, den die Energie aus dem Wind bis hin zum elektrischen Strom nimmt (vgl. 

Einführungsstation 1: „Energieflussdiagramm“). An welchen Stellen treten weitere Verluste 

auf? 


Einige Schlagworte für das Brainstorming: Windrichtung, Bauaufwand / Kosten, 

Wirkungsgrad. Betrachte für den Wirkungsgrad die maximal erreichte Höhe der beiden 

Wirkungsgrad-Verläufe. Daraus ergeben sich dann die Anwendungen, die auch im Text 

erwähnt sind. 


a) 

1 

= ⋅ 

2 

A ρ v 

der Wirkungsgrad und v die Windgeschwindigkeit ist. 

Pel. 3 

η ⋅ ⋅ ⋅ , wobei A die vom Rotor überstrichene Fläche, ρ die Dichte der Luft, η 

b) Lies den Leistungsbeiwert aus der Graphik bei v = 8 m/s ab. 

c) 

2 

A = π ⋅ r 

d) Der Prozentsatz berechnet sich als Quotient aus der tatsächlich umgesetzten Leistung 

(PWEA) und der Nennleistung (PNenn) der Anlage multipliziert mit 100. 

Pel. 

e) Auslastung in Prozent: a = ⋅100 

P 


Nenn 

a) Stelle die Formel, aus die du die Leistung einer Windenergieanlage berechnest nach dem 

Wirkungsgrad um. 

⋅ 

A⋅ 

ρ ⋅ v 

2 Pel. b) η = 

3 

c) Moderne Anlagen erreichen Wirkungsgrade von bis zu η = 0,5. 

7



Lösungen und weiterführende Informationen 

Bei jeder Energieumwandlung treten Verluste auf. Der Rotor kann dem Wind wegen 

aerodynamischen Verlusten nicht die optimale Energie entziehen. Ein Beispiel hierfür wären 

die Verwirbelungen der Luft um den Turm. Die Luft kann ja nicht durch den Turm 

hindurchfließen und sieht somit ein Hindernis, ähnliches gilt für die Gondel bzw. das 

Maschinenhaus. Die Trägheit des Rotors macht bei böigem Wind Probleme, weil sich die 

Rotorgeschwindigkeit nicht beliebig schnell den ändernden Strömungsverhältnissen anpassen 

kann. Weitere Verluste in Form von Reibung, also Wärme treten im Getriebe auf. Auch der 

Generator hat immer einen gewissen Verlust (ebenfalls Wärme), der bei guten Generatoren 

bei ca. 5 % liegt (hängt auch von der Auslastung ab). Da die Windkraftanlage nicht die 

Netzfrequenz und auch nicht die Netzspannung liefert, muss der Strom dementsprechend 

angepasst werden. Früher waren hier die Verluste erheblich. Inzwischen ist es durch die 

moderne Hochleistungselektronik möglich auch hier sehr gute Wirkungsgrade zu erzielen. 

Geringe Wärmeverluste fallen aber auch hier noch einmal an. 

Weiterführende Informationen zu Aufgabe 2: 

Eine genau Analyse der Verluste des Rotors findet sich im Fachteil 2.1.2.4 auf den Seiten 43 

bis 49. Zu dem Wirkungsgraden der Generatoren finden sich auf Seite 68 nähere 

Informationen. 


Hierzu kann man eine Liste anfertigen, wie sie hier beispielhaft gezeigt wird. Weitere 

Nennungen sind möglich. 

Widerstandsläufer Auftriebsläufer 

Vorteil Nachteil Vorteil Nachteil 

Bauaufwand gering hoch 

Kosten niedriger höher 

Windrichtungs- 

meist keine Nachführabhängigkeiteinrichtungen 

nötig 

Wirkungsgrad niedrig hoch 

Den letzten und entscheidenden Punkt kann man aus dem Vergleich der beiden 

Leistungsbeiwert-Kurven erkennen. Das Schalenkreuzanemometer setzt die Windenergie mit 

einem Maximum von η ≈ 0,08 nur äußerst schlecht um. Dies spielt allerdings bei der 

Windmessung keine Rolle, da es nicht auf einen Energieertrag ankommt, sondern nur auf 

messbare Signale. Im Gegenteil wären hier hohe Spannungen von Nachteil. Die großen 

Vorteile des geringen Bauaufwands, der geringen Kosten und vor allem der Unabhängigkeit 

der Windrichtung machen das Schalenkreuzanemometer zu einem praktikablem 

Messinstrument. Einen möglichst hohen Wirkungsgrad braucht man natürlich, will man aus 

Wind Energie erzeugen. Dies ist der Hauptgrund, warum man keine Widerstandsläufer für die 

Stromerzeugung findet. Alle zur Stromerzeugung konzipierten Windenergieanlagen arbeiten 

nach dem Auftriebsprinzip. Der höhere Energieertrag rechtfertigt höhere Baukosten und 

8


ausgeklügelte Steuermechanismen, die z.B. dafür sorgen, dass sich der Rotor immer im Wind 

dreht. Folgende Graphik zeigt eine Übersicht über die Höhe der Wirkungsgrade der 

verschiedenen Windräder. 

Wirkungsgrad über der Schnelllaufzahl λ (entspricht der Drehgeschwindigkeit des Rotors) 

verschiedener Konzepte 

Weiterführende Informationen zu Aufgabe 4: 

Informationen zu weiteren Möglichkeiten, den Wind und auch die Windrichtung zu 

bestimmen, findet man im Kapitel „Windmessgeräte“ ab Seite 94 des Theorieteils. Eine 

genauere Beleuchtung der Prinzipien des Widerstands- und Auftriebsläufers kann man auf 

den Seiten 20 bis 28 erhalten. 


Zur Lösung benötigt man folgende Gleichungen: 

1 

3 

2 Pel. 

Pel. = ⋅η 

⋅ A⋅ 

ρ ⋅ v , A = π ⋅ r , a = ⋅100 

Die erste Gleichung gibt die umgesetzte 

2 

PNenn 

(elektrische) Energie an, bei den entsprechenden Daten des Windgeschwindigkeit, Luftdichte, 

Rotorfläche (aus der zweiten Gleichung) und dem Wirkungsgrad. 

Für die Fläche des Rotors setzt man die Kreisfläche ein: 

1 

2 3 

Pel. = ⋅η 

⋅π 

⋅ r ⋅ ρ ⋅ v , mit dem Rotordurchmesser r. 

2 

Man muss nun den Wirkungsgrad aus der Graphik bei der Windgeschwindigkeit v = 8 m/s 

ablesen. Man erhält: η ≈ 0,47. Diesen setzt man zusammen mit den anderen Werten in die 

Gleichung ein und erhält für die Leistung: 

9


Pel. 3 

1 2 

6 

= ⋅ 0, 

47 ⋅3, 

14 ⋅ ( 37m) 

2 

kg ⎛ m ⎞ 

⋅1, 

29 ⋅ 8 = 0, 

67 ⋅10 

W = 0, 

67 

3 ⎜ ⎟ 

m ⎝ s ⎠ 

Der Auslastungsgrad sagt aus, wie viel Prozent der maximal erzeugbaren Leistung gerade 

produziert wird. Für den Auslastungsgrad dividiert man also die tatsächlich umgesetzte 

Leistung (PWEA) durch die Nennleistung (PNenn) und multipliziert diese mit 100. Somit erhält 

man oben angegebene Gleichung. Durch Einsetzen erhält man: 

Pel 

. 0, 

67MW 

a = ⋅100 

= ⋅100 

= 33, 

5% 

P 2MW 

Nenn 

Die Anlage ist also in diesem Betriebszustand zu etwa einem Drittel ausgelastet. 


Man löst die Gleichung 

wiederum die Fläche: 

Pel. 1 

= ⋅ A ρ v 

2 

MW 

3 

η ⋅ ⋅ ⋅ nach dem Wirkungsgrad auf und ersetzt 

6 

2 ⋅ Pel. 2 ⋅ 0, 

9 ⋅10 

W 

η = 

und erhält durch einsetzen: η = 

= 0, 

497 . 

2 3 

3 

π ⋅ r ⋅ ρ ⋅ v 

2 kg ⎛ m ⎞ 

3, 

14 ⋅ ( 35m) 

⋅1, 

29 ⋅ 9 3 ⎜ ⎟ 

m ⎝ s ⎠ 

Dieser Wirkungsgrad ist an der Grenze des zur Zeit machbaren, also als sehr gut anzusehen. 

10


Station 10: Die Leistung einer Windenergieanlage in Abhängigkeit 

von der Flügelzahl und der Flügelfläche 

Aufgabe 1 

Aufgabe 2 

Aufgabe 3 

Aufgabe 4 

Aufgabe 5 

Aufgabe 6 

Befestigen Sie die Flügel mit jeweils der gleichen Gesamtfläche (siehe 

Abbildungen) an den Rotornaben durch Einstecken in die Schlitze. 

Befestigen Sie nacheinander die Rotoren an der Halterung, stellen Sie das 

Gebläse auf eine Stufe und lesen Sie jeweils Spannung und Strom ab. 

Befestigen Sie die Flügel mit jeweils der gleichen Blattfläche pro Rotorblatt 

an den Rotornaben. Der Rotor mit vier Flügeln hat jetzt im Vergleich zum 

Zweiflügler nicht mehr die gleiche Gesamtblattfläche, sondern die 

doppelte. Gehen Sie vor, wie in Aufgabe 2 beschrieben. 

Alle Flügel sind 

jetzt gleich groß. 

Sie können die bisherigen Aufgaben auch bei einer anderen Gebläsestufe 

durchführen. 

Stellen Sie die gewonnen Erkenntnisse graphisch dar. 

Welche Gründe könnten dazu geführt haben, dass heute hauptsächlich 

Anlagen mit drei Flügeln zur Anwendung kommen? 

1




Gebläsestufe: - gleiche Gesamtfläche jedes Rotors - 

Flügelanzahl Spannung U [in mV] Stromstärke I [in mA] Leistung P [in mW] 

2 

3 

4 

5 

Gebläsestufe: - gleiche Fläche jedes einzelnen Flügels - 

Flügelanzahl Spannung U [in mV] Stromstärke I [in mA] Leistung P [in mW] 

2 

3 

4 

5 

Name: 

2



Hilfen 

Es ist sinnvoll, auf die Rechtswertachse die Flügelzahl aufzutragen, nach oben die Leistung. 

In die gleiche Graphik kann man die Kurven für verschiedene Gebläsestufen eintragen. Man 

sollte allerdings separate Graphiken für die gleiche Gesamtfläche und die gleiche Flügelfläche 

(also mit der Flügelzahl ansteigende Gesamtfläche) anfertigen. Damit kann man alle nötigen 

Vergleiche gut anstellen. 


Internetrecherche 

3




Rechtwertachse: Flügelanzahl 

Hochwertachse: Umgesetzte Leistung 

Es sind in etwa folgender Kurvenverläufe zu erwarten: 

Ergebnisse der Versuche vom 11. Juli 2007 

Linke Graphik: Man erkennt deutlich ein Maximum bei drei Flügeln. Da ein zu großer 

Abstand der Flügel die Energie nicht optimal ausnutzt (der Wind strömt zwischen den 

Flügelflächen hindurch), erhält man hier eine niedrige Leistung. Bei höheren Flügelzahlen 

bewegen sich die Flügel im Windschatten des vorherigen, so dass ebenfalls eine geringere 

Leistung zu erzielen ist. Einen Einfluss hat auch die Drehgeschwindigkeit des Rotors, der hier 

aber nicht im Einzelnen diskutiert werden soll. 


Fachteil S. 47 


Generell steigt die Leistungsabgabe mit steigender Gesamtrotorfläche. Der Leistungszuwachs 

ab einer gewissen Flügelzahl ist jedoch relativ gering. Von einem Einflügler auf einen 

Zweiflügler beträgt der Leistungsgewinn noch etwa 10%, während er vom Zweiblatt- auf den 

Dreiblattrotor nur noch drei bis vier Prozent, auf den Vierblattrotor gar nur ein bis zwei 

Prozent beträgt. Die Theorie besagt, dass man nur mit einer unendlich hohen Blattzahl das 

Optimum erreichen kann, dann führen allerdings neue komplizierte aerodynamische 

Strömungsverhältnisse wieder zu einem abnehmenden Leistungsbeiwert. 

Weitere Gründe sind auch in Wirtschaftlichkeits- und Stabilitätsbetrachtungen zu suchen. Der 

zusätzliche Energieertrag bei mehr als drei Flügeln ist so gering, dass er die hohen Kosten 

eines weiteren Flügels nicht rechtfertigt. Außerdem wird das dynamische Verhalten eines 

Rotors mit abnehmender Blattzahl zunehmend ungünstiger. Schon der Unterschied vom 

Zwei- zum aerodynamisch symmetrischeren Dreiblattrotor ist gravierend, was das Auftreten 

4


von Wechsellasten auf die Lager, aber auch die Homogenität der Leistungsabgabe betrifft. 

Die aerodynamische und auch geometrische Asymmetrie des Einblattrotors verursacht 

extreme, wechselnde Rotorgesamtkräfte und Momente. Ein weiterer Aspekt ist das höhere 

Anlaufmoment bei mehrflügligen Anlagen. 

Ein äußerst wichtiger Grund ist zudem, dass die Schallemission des Rotors mit der fünften 

Potenz der Geschwindigkeit der Blattspitzen steigt. Wegen der auftretenden Lärmbelastung 

sollte die Blattspitzengeschwindigkeit demzufolge 80 bis 90 km/h nicht überschreiten. 


Fachteil S. 58 

5


Station 11: Die Generatoren von Windenergieanlagen 

Aufgabe 1 

Aufgabe 2 

Aufgabe 3 

Aufgabe 4 

Aufgabe 5 

Aufgabe 6 

Aufgabe 7 

Gehen Sie auf die Seite http://leifi.physik.uni- 

muenchen.de/web_ph10/simulationen/11generator/generator.htm 

Beantworten Sie die gestellten Fragen. Starten Sie anschließend das 

Applet. 

Drehen Sie die Leiterschleife im Magnetfeld zwischen den Polschuhen des 

Permanentmagneten und betrachten Sie die in der Leiterschleife induzierte 

Spannung am angeschlossenen Voltmeter. Erklären Sie Ihrem 

Arbeitspartner/n den Aufbau eines Generators (inklusive der Bedeutung 

des Kommutators) an diesem Leiterschleifenmodell. 

Nun wird ein realitätsnahes Modell eines Generators verwendet (mit 

Kommutator). Drehen Sie den Anker und betrachten den Spannungsverlauf 

auf dem angeschlossenen Oszilloskop. Beschreiben Sie die auftretende 

Spannung. 

Jetzt wird kein Kommutator mehr benutzt. Drehen Sie den Anker und 

betrachten den Spannungsverlauf auf dem angeschlossenen Oszilloskop. 

Beschreiben Sie die auftretende Spannung. 

Kennzeichnen Sie in der Skizze auf dem Arbeitsblatt die Pole des 

Elektromagneten. Benennen Sie die dabei verwendete Regel. Skizzieren Sie 

den zeitlichen Verlauf der zwischen A und B erzeugten Spannung sauber in 

das vorgegebene t-U-Diagramm, wenn die Leiterschleife im 

eingezeichneten Sinn gedreht wird. Dabei soll die Spannung positiv gezählt 

werden, wenn A gegenüber B positiv ist. Zu Beginn soll die Spulenebene 

senkrecht zur Magnetfeldrichtung stehen (schwarz gezeichnetes 

Leiterstück oben). Begründen Sie Ihre Vorgehensweise. 

Um Spannung für das Stromnetz zu liefern, wird eine Frequenz von fNetz = 

50Hz benötigt. Wie viele Polschuhe bräuchte ein Generator, der vom Rotor 

einer Windenergieanlage mit 20 Umdrehungen pro Minute bewegt wird? 

Eine andere Windenergieanlage benutzt ein Getriebe und einen 10-poligen 

Generator. Wie hoch muss das Übersetzungsverhältnis des Getriebes sein, 

damit Netzspannung (fNetz = 50Hz) erzeugt wird? Die Drehfrequenz des 

Rotors soll wieder 20 Umdrehungen pro Minute betragen. 

1



Name: 

2



Hilfen 

Die Netzfrequenz und die Läuferdrehzahl sind in diesem Fall durch folgende Gleichung fest 

miteinander verbunden: 

f Netz = x ⋅ n , wobei x die Zahl der Polpaare des Läufers angibt und n die Drehzahl des Läufers 

bzw. des Rotors. 


Verwenden Sie die selben Formeln wie in Aufgabe 6. Zudem gilt für das Übersetzungsf 

Netz 

verhältnis i: i = . Es wird also das Verhältnis von der vom Netz benötigten 

fohne 

_ Getriebe 

Frequenz zu der Frequenz, die ohne Getriebe geliefert werden würde angegeben. 

3




siehe unter: (auch direkter Link auf der in Aufgabe 1 angegebenen Seite) 

http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph10/simulationen/11generator/generator_l.htm 


Der Permanentmagnet erzeugt ein Magnetfeld im Bereich des sich drehenden Rotors. In 

diesem Magnetfeld dreht sich eine Leiterschlaufe. Deren zur Drehachse parallele Teile 

bewegen sich in gleichmäßigen Abständen senkrecht zum Magnetfeld. Dadurch wird in 

diesen Teilen der Schleife eine Spannung induziert. Durch die Drehbewegung der Schleife 

wird zunächst eine sinusförmige Spannung erzeugt. Der Kommutator polt lediglich in 

regelmäßigen Abständen die Spannung um, so dass alle negativen Anteile der Sinusspannung 

„umgeklappt“ werden und sie in eine pulsierende Gleichspannung umgewandelt wird. Die 

Leiterschleifenanteile, die senkrecht zur Drehachse des Rotors stehen, gleichen sich in ihrer 

Wirkung aus, so dass hier in Summe keine Spannung induziert wird. Ohne Kommutator 

schlägt das Voltmeter abwechselnd in beide Richtungen aus, mit Kommutator nur noch in 

eine. 


Beispiel einer Spannung aus einem Generatormodell 

Wie man an der Abbildung sieht, entsteht eine bauchförmige, pulsierende Gleichspannung 

(die Bäuche können auch nach oben geöffnet sein, abhängig vom Anschluss des 

Oszilloskops). Je nach der Qualität des Modells weist der Spannungsverlauf 

Unregelmäßigkeiten auf. Diese entstehen durch Inhomogenitäten des Magnetfelds, den 

Kommutator oder die Kohlebürsten. 

4



Beispiel einer Spannung aus einem Generatormodell 

Man erkennt die sinusförmige Spannung. Auch hier ist aus den schon in Aufgabe 3 genannten 

Gründen nicht mit einem idealen Verlauf zu rechnen. 


Es findet die Rechte-Hand-Regel bzw. Rechte-Faust-Regel (nicht Dreifingerregel!) 

Anwendung. Dementsprechend ergibt sich die Polung, wie auf der folgenden Abbildung zu 

sehen ist. 

Polung des Elektromagneten 

Durch die Drehung des Leiters werden die Ladungen im Leiter mitbewegt. Dadurch wirkt die 

Lorentzkraft, deren Richtung mit der Dreifinger-Regel ermittelt wird. Es tritt eine 

Ladungsverschiebung im Leiter auf, so dass zur Zeit T/4 der Punkt A negativ gegenüber B ist. 

Aufgrund des Kommutators ist A auch bei der nächsten Halbdrehung negativ gegen über B. 

Die resultierende Spannung ist also eine pulsierende negative Gleichspannung. 

5



Graphische Lösung der Aufgabe 5 

Die Netzfrequenz und die Läuferdrehzahl sind in diesem Fall durch folgende Gleichung fest 

miteinander verbunden: f Netz = x ⋅ n , wobei x die Zahl der Polpaare des Läufers angibt und n 

die Drehzahl des Läufers bzw. des Rotors. 

Bei einem Generator mit einem Polpaar würde die gleiche Frequenz, wie die der 

mechanischen Rotation induziert werden, da bei einer Umdrehung genau eine Sinuswelle der 

Spannung entsteht. Dieses gilt für jedes eingebaute Polpaar, das heißt bei doppelter 

Polpaaranzahl verdoppelt sich die erzeugte Frequenz des Spannungsausgangs. Man kann also 

die Gleichung umstellen und damit die nötige Polpaarzahl für eine mit typischerweise 20 

−1 

Umdrehungen in der Minute laufende WEA ( n = 20min 

) bestimmen: 

−1 

s 

50s 

⋅ 60 

f Netz x = = min = 150 

−1 

n 20min 

Man bräuchte also einen Generator mit 150 Polpaaren. Um aber einen Generator mit 150 

Polpaaren zu bauen, würde man einen sehr hohen technischen Aufwand betreiben müssen und 

die Abmessungen würden viel zu groß werden. Es gibt Anlagen, die einen Kompromiss 

beinhalten, also eine hohe Anzahl an Polpaaren besitzen und die Differenz zu den benötigten 

50 Herz mit Hochleistungselektronik überwinden. Oder aber man benutzt ein Getriebe, deren 

Übersetzungsverhältnis in Aufgabe 7 beispielhaft bestimmt werden soll. 



6



Die Frequenz des Stromes eines direkt betriebenen, 10-poligen (= 5 Polpaare!) Generators 

−1 

1min 

würde: f = x ⋅ n = 5⋅ 

20min 

⋅ = 1, 

67Hz 

betragen. Um 50Hz zu erreichen, müsste das 

60s 

50Hz 

Getriebe die Drehgeschwindigkeit um das i = = 29, 

94-fache 

erhöhen. Man sieht also, 

1, 

67Hz 

dass einiger technischer Aufwand nötig ist, um die gelieferte Spannung (bzw. Rotorfrequenz) 

der des Netzes anzupassen. 



7

Lernzirkel Windenergie, 11. Klasse, Zwischenstation 1 

Zwischenstation 1: Rätsel 

Aufgabe 1 

Aufgabe 2 

Aufgabe 3 

Aufgabe 4 

Finden Sie die 6 Fehler auf der Schemazeichnung. 

Oben sehen Sie das Originalfoto, auf dem unteren Foto sind dagegen 6 

Fehler zu finden. Wo sind diese? 

Kreuzworträtsel „Windenergie“: Wie lautet das Lösungswort? Es bezeichnet 

die nahe Zukunft der Windenergie. 

Lösen Sie das Puzzle. Was ist dargestellt? 

1


� Aufgabe 1 

Finden Sie die 6 Fehler in diesem Schema. 

Das Maschinenhaus einer getriebelosen Anlage. 

Ein Blick zur Station 1 und in den Fachteil S. 80 - 83 kann helfen. 

2


� Aufgabe 2 

Das obere Bild ist das Original, im unteren sind 6 Fehler versteckt. 

3


� Aufgabe 3 

1. Ausrichtung der Achse moderner Windenergieanlagen 

2. Kraft, die heute die Leistung von Windkraftanlagen ausmacht 

3. Flügelquerschnitt 

4. Windrichtungsdarstellung 

5. einfaches Windmessgerät 

6. Teil einer Windenergieanlage, die Windgeschwindigkeit in Drehbewegung umwandelt 

7. Luftströmungen hinter einer Windenergieanlage 

8. Erforscher des maximalen Wirkungsgrades von Windenergieanlagen 

9. amerikanisches Windrad (historisch) 

10. Kraft auf ein Rotorblatt, die in Gegenrichtung der Bewegung wirkt (moderne WEA) 

11. (wissenschaftliche) Vorhersage 

12. Weltmeister der Windenergie 

13. mechanische Komponente zum Feststellen des Rotors 

14. oberster, drehbarer Teil einer Windenergieanlage ohne Rotor 

15. frühere Form von Windkraftanlagen (z.B. Mittelalter) 

16. Kennlinie von Windenergieanlagen 

17. alles entscheidende Größe für die Leistungsausbeute von Windenergieanlagen 

18. Prinzip, durch das Strom im Generator erzeugt wird 

19. Rotationsgeschwindigkeit 

20. unterster Teil einer Windenergieanlage 

21. maximale Leistung von Windenergieanlagen 

22. haben nicht nur Flugzeuge, sondern auch Windkraftanlagen 

23. Maschine, die aus mechanischer Energie elektrische erzeugt 

24. Drehzahlwandler 

25. Erneuerung alter Anlagen mit Steigerung der Leistung 

26. Teil einer Windenergieanlage, in der der Blattverstellmechanismus untergebracht ist 

Ä, Ö und Ü werden als ein Buchstabe geschrieben (nicht AE, ...). 

4


16. 

13. 

15. 

4. 

23. 

Lösungswort 

11 

17. 

20. 

3. 

21. 

2. 

5. 

7. 

14. 

19. 

1. 

6. 

8. 

10. 

22. 

9. 

12. 

18. 

24. 

25. 

26. 

5



Das Maschinenhaus einer getriebelosen Anlage. 


6



16. 

1. H O R I Z O N T A L 

2. A U F T R I E B 

3. P R O F I L 

4. W I N D R O S E 

5. S C H A L E N K R E U Z A N E M O M E T E R 

6. R O T O R 

7. W I R B E L 

8. B E T Z 

9. W E S T E R N M I L L 

10. W I D E R S T A N D S K R A F T 

11 P R O G N O S E 

13. S C H E I B E N B R E M S E 

12. D E U T S C H L A N D 

14. G O N D E L 

15. W I N D M Ü H L E 

L E I S T U N G S K U R V E 

17. W I N D G E S C H W I N D I G K E I T 

18. I N D U K T I O N 

19. D R E H Z A H L 

20. F U N D A M E N T 

21. N E N N L E I S T U N G 

22. F L Ü G E L 

23. G E N E R A T O R 

24. G E T R I E B E 

25. R E P O W E R I N G 

26. N A B E 

7


Zwischenstation 2: Wettbewerb der Windradbauer 

Aufgabe 

Bauen Sie ein Windrad aus den ausliegenden Materialien: 

Papier, Pappe, Flaschenkorken, Flüssigkleber, Klebestreifen und Stecknadeln 

Es sind folgende Hilfsmittel erlaubt: Schere, Lineal und Geodreieck. 

Die Bauzeit sollte 20 Minuten nicht überschreiten. Die Windräder sollen 

stabil auf dem Tisch befestigt werden. 

Am Ende werden alle Modelle bei einer bestimmten Windgeschwindigkeit auf ihre Drehzahl 

hin verglichen. Das Windrad mit der höchsten Drehzahl gewinnt. 

1

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