Eine Kleinwindanlage ist mehr als nur der Windgenerator. Mit Mast und Fundament bildet sie ein Bauwerk, das über viele Jahre großen Kräften standhalten muss.
Der Wind drückt nicht nur auf Rotor und Mast. Er versetzt den Rotor auch in Drehung und erzeugt so dynamische Lasten und Resonanzen. Beides kann die Standsicherheit der Anlage gefährden.
Dieser Artikel zeigt, was eine standsichere Kleinwindanlage ausmacht: vom Bodengutachten über das Fundament bis zur Statik. Grundlage ist ein Fachgespräch mit Achim Sroka von der Sroka Erneuerbare Energien GmbH.
Inhaltsverzeichnis
Mehr als nur die Turbine: Die Kleinwindanlage als Gesamtsystem
Beim Kauf einer Kleinwindanlage steht meist die Turbine im Mittelpunkt: Leistung, Rotordurchmesser, Preis. Bautechnisch ist sie aber nur ein Teil des Ganzen. Eine Kleinwindanlage besteht aus drei Komponenten:
- Fundament: alle Konstruktionen unterhalb des Mastes, zum Beispiel Betonblock, Bohrfundament oder erdbasierte Systeme. Auch oberirdische Lösungen mit Fertigbetonelementen sind möglich.
- Mast: als starrer Mast, als Kippmast, als ein Teil oder aus mehreren Segmenten.
- Turbine: der Windgenerator mit Rotor.
Mast und Fundament sind für einen konkreten Windgenerator ausgelegt. Sie lassen sich nicht beliebig mit einer anderen Turbine kombinieren. Das Fundament muss außerdem zum Boden am Standort passen.
Im Baugenehmigungsverfahren ist die Standsicherheit ein zentraler Prüfpunkt. Es wird geprüft, ob Fundament, Mast und Turbine den Windlasten am Standort standhalten. Dafür ist in der Regel ein statischer Nachweis nötig.
Den Blick auf das Gesamtsystem brauchst du deshalb schon ganz am Anfang des Projekts. Welche Schritte zur Planung einer Kleinwindkraftanlage gehören, liest du in unserem Ratgeber.
Winddruck, dynamische Lasten und Resonanzen
Ein gewöhnliches Bauwerk muss vor allem ruhende Lasten tragen, etwa sein Eigengewicht. Der Rotor dagegen ist häufig in Bewegung. Der Wind wirkt mit wechselnder Kraft, und zusätzlich dreht sich der Rotor als Maschine auf dem Mast.
Kräfte auf Rotor und Mast
Auf eine Kleinwindanlage wirken mehrere Lasten gleichzeitig:
- Windlast: Je schneller der Wind weht, desto stärker belastet er Rotor und Mast. Verdoppelt sich die Windgeschwindigkeit, kann die Belastung etwa viermal so groß werden.
- Böen: Der Wind weht nicht gleichmäßig. Böen belasten die Anlage stoßartig und mit wechselnder Stärke.
- Biegemomente: Der Mast wirkt wie ein langer Hebel. Die Kraft oben am Rotor erzeugt am Mastfuß ein großes Biegemoment. Auch die Rotorblätter werden auf Biegung belastet.
- Rotierende Lasten: Der drehende Rotor bringt zusätzlich Kräfte in den Mast, die sich ständig wiederholen.
Das Biegemoment am Mastfuß muss das Fundament aufnehmen. Deshalb hängen Mast, Fundament und Boden so eng zusammen.
Resonanz: Wenn Rotor und Mast im Gleichtakt schwingen
Jedes Bauwerk hat eine Eigenfrequenz. Das ist der Takt, in dem es von selbst schwingt, wenn man es anstößt. Wird es von außen genau in diesem Takt angeregt, schaukeln sich die Schwingungen auf. Das nennt man Resonanz.
Ein bekanntes Beispiel sind Soldaten auf einer Brücke. Marschieren sie im Gleichschritt, kann der gleichmäßige Takt die Brücke in ihrer Eigenfrequenz anregen. Die Schwingungen schaukeln sich auf, im schlimmsten Fall bis zum Einsturz. Deshalb gilt in vielen Armeen die Regel, auf Brücken den Gleichschritt aufzuheben.
Dasselbe Prinzip gilt bei einer Kleinwindanlage: Hier regt der drehende Rotor den Mast an. Die Windturbine durchläuft beim Hochlaufen einen breiten Drehzahlbereich. Dabei kann sie die Eigenfrequenz des Mastes treffen.
Kritisch wird es, wenn die Anlage dauerhaft in diesem Bereich läuft. Mögliche Folgen sind:
- starke Mastbewegungen
- Geräusche wie Brummen, Dröhnen oder Klappern
- erhöhter Materialverschleiß
- im Extremfall das Versagen der Anlage
Turbine und Mast müssen deshalb dynamisch aufeinander abgestimmt sein. Die Anlage darf nicht dauerhaft in einem kritischen Drehzahlbereich laufen.
Über den Experten: Joachim Sroka
Dipl.-Ing. Joachim Sroka ist Geschäftsführer der Sroka Erneuerbare Energien GmbH in Kloster Lehnin, Brandenburg. Das Unternehmen ist seit 2005 im Stahl- und Anlagenbau tätig. Es hat sich auf Hybridanlagen aus Kleinwindanlagen, Photovoltaik und Batteriespeicher spezialisiert.
Im Bereich Kleinwindkraft hat Sroka langjährige Erfahrung, von der Beratung und Planung bis hin zur Installation und Wartung. Seit mehreren Jahren ist er 2. Vorsitzender des Bundesverbands Kleinwindanlagen (BVKW).
Normen und Richtlinien: IEC 61400-2 und DIBt
Wie eine Kleinwindanlage ausgelegt sein muss, damit sie den Lasten dauerhaft standhält, regeln technische Normen und Richtlinien. Für Kleinwindanlagen sind vor allem zwei Regelwerke maßgeblich.
IEC 61400-2
Die IEC 61400-2 ist die internationale Norm für Kleinwindanlagen. Sie gilt für Anlagen mit einer Rotorfläche unter 200 m². Das entspricht einem Rotordurchmesser bis etwa 16 Meter. In Deutschland wurde sie als DIN EN 61400-2 übernommen.
Die Norm legt fest, wie Kleinwindanlagen konstruiert und getestet werden. Bautechnisch relevant sind unter anderem:
- Lastannahmen: Belastungsszenarien wie Normalbetrieb, Notabschaltung und Sturm
- Tragstruktur: Anforderungen an Mast und Fundament, einschließlich einer Eigenfrequenzanalyse gegen Resonanzen
- Komponententests: Rotorblätter und Mast werden auf Belastung, Schwingungen und Materialermüdung geprüft
- Dauertest: mindestens sechs Monate Betrieb mit mindestens 2.500 Betriebsstunden
Was die Norm im Detail regelt, erklärt unser Beitrag zur IEC 61400-2.
Die IEC 61400-2 ist keine Rechtsnorm. Hersteller müssen ihre Anlagen nicht danach zertifizieren lassen. Eine vollständige Zertifizierung kostet über 100.000 Euro und dauert 12 bis 18 Monate. Viele Hersteller verzichten deshalb darauf. Ein fehlendes Zertifikat bedeutet nicht automatisch schlechte Qualität. Die Qualitätsunterschiede am Markt sind aber groß. Orientierung bei der Auswahl gibt der Kleinwind-Marktreport.
DIBt-Richtlinie für Windenergieanlagen
In Deutschland ist die Richtlinie für Windenergieanlagen des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt) verbindlich. Sie legt fest, mit welchen Windlasten zu rechnen ist und wie die Standsicherheit von Mast und Fundament nachgewiesen wird. Für Kleinwindanlagen verweist sie auf die DIN EN 61400-2 und ergänzt nationale Anforderungen.
Für die Statik ist vor allem die Windzone am Standort maßgeblich. Die DIBt-Richtlinie teilt Deutschland dafür in vier Windzonen ein. Je höher die Windzone, desto höhere Windlasten muss die Statik berücksichtigen.
Boden und Fundament: Die Basis der Standsicherheit
Die Kräfte, die der Wind auf Rotor und Mast ausübt, werden an das Fundament übertragen. Das Fundament gibt sie an den Boden weiter. Wie sicher die Anlage steht, hängt deshalb auch vom Boden am Standort ab.
Bodengutachten
Böden sind sehr unterschiedlich tragfähig. Fester Sand bietet viel Halt. Lockerer, feinkörniger Sand, auch „Zuckersand“ genannt, gibt dagegen leichter nach. Schluffige oder lehmige Böden reagieren zusätzlich auf Feuchtigkeit. Ist der Boden nachgiebig oder feucht, kann sich der Mast mit den Jahren aus der Senkrechten neigen.
Die fachliche Grundlage für die Bemessung des Fundaments liefert ein Bodengutachten. Bei höheren Masten, die eine Baugenehmigung brauchen, wird es in den meisten Fällen verlangt. Bei verfahrensfreien Anlagen entfällt diese Pflicht. Die Verantwortung für die Standsicherheit trägt der Betreiber trotzdem.
Auch ohne Pflicht ist ein Bodengutachten sinnvoll, wenn:
- der Boden am Standort aufgefüllt wurde
- das Grundwasser weniger als einen Meter unter der Grasnarbe steht
Fundamentarten im Vergleich
In den meisten Fällen bietet der Boden genug Halt für ein Standardfundament. Je nach Anlage, Mast und Boden kommen verschiedene Lösungen infrage:
- Betonblock: Das Standardfundament für freistehende Masten ist ein bewehrter Betonblock. Erdarbeiten und Bewehrung lassen sich teilweise in Eigenleistung erledigen. Beton erreicht seine volle Festigkeit allerdings erst nach etwa 28 Tagen. Erst dann darf der Mast voll belastet werden.
- Bohrfundament: Bohrpfähle leiten die Lasten in tiefere, tragfähige Bodenschichten. Diese Lösung eignet sich vor allem, wenn die oberen Bodenschichten wenig tragen.
- Erdbasierte Stahlsysteme: Ein Stahlfundament (Steel-Root) wird durch verdichtete Erde oder aufgesetzte Betonelemente beschwert. Unter günstigen Bedingungen ist es an einem Tag montiert. Eine oberirdische Variante kommt ohne Aushub aus: Der Mutterboden wird abgetragen, darauf folgen eine Schotterschicht und Fertigbetonelemente.
- Fundamente für abgespannte Masten: Abgespannte Masten brauchen ein kleineres Zentralfundament und drei bis vier weitere Fundamente für die Abspannseile. Bei festem Boden genügen statt dieser Fundamente auch Erdanker.
Bei schwierigen Böden sind Sonderlösungen nötig, etwa Stahlpfähle unter dem Fundament. Je schwieriger der Untergrund, desto höher die Kosten für das Fundament.
Fundament in Eigenleistung
In der Regel bauen lokale Baubetriebe das Fundament nach den Vorgaben des Herstellers. Wer es selbst errichtet, sollte eine Fachfirma für die Abnahme und die formale Bestätigung hinzuziehen.
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Statik und Prüfstatik: Wer prüft was?
Die Statik weist rechnerisch nach, dass Mast und Fundament den Windlasten am Standort standhalten. Sie gilt immer für eine bestimmte Kombination aus Windgenerator, Mast und Fundament. Empfehlenswerte Hersteller liefern dafür eine prüffähige Statik. Prüffähig heißt: Ein unabhängiger Experte kann jeden Rechenschritt nachvollziehen.
Im Baugenehmigungsverfahren gibt es je nach Bundesland zwei Wege, die Standsicherheit nachzuweisen:
- Prüfstatiker: Ein unabhängiger Statiker kontrolliert die Statik. Außerdem prüft er vor Ort oder anhand von Fotos, ob die Stahleinlagen im Fundament, die Bewehrung, richtig verlegt sind.
- Eingetragener Tragwerksplaner: Ein Statiker, der bei der Ingenieurkammer eingetragen ist, erstellt den Nachweis. Eine zusätzliche Prüfung durch Dritte und eine Kontrolle vor Ort gibt es dann nicht.
Auch bei verfahrensfreien Anlagen solltest du die prüffähige Statik des Herstellers bereithalten. Bei einem Schaden haftest du als Betreiber.
Windrad auf dem Dach: Warum Gebäudemontage riskant ist
Eine Kleinwindanlage auf dem Dach wirkt auf den ersten Blick praktisch: kein Fundament, kein eigener Mast im Garten. Bautechnisch ist sie aber die schwierigere Lösung.
Das Gebäude übernimmt dann die Rolle des Fundaments. Die Kräfte aus Rotor und Mast, auch die dynamischen Lasten, gehen direkt in Dach und Mauerwerk. Die möglichen Folgen:
- Vibrationen: Die Schwingungen der Anlage übertragen sich auf das Gebäude.
- Körperschall: Die Vibrationen breiten sich im Baukörper aus und sind in den Räumen als Brummen hörbar.
- Schäden am Mauerwerk: Die dauernde Belastung kann mit den Jahren zu Rissen führen.
Auf Zweckgebäuden wie Hallen oder Scheunen ist eine Dachmontage eher denkbar. Auch dann muss ein Statiker prüfen, ob die Konstruktion die Lasten dauerhaft aufnehmen kann.
Was du bei einer Anlage auf dem Wohnhaus beachten musst, liest du in unserem Beitrag zum Windrad auf dem Dach eines Einfamilienhauses.
Fazit
Eine Kleinwindanlage ist ein Bauwerk, das über viele Jahre Wind und Wetter standhalten muss. Anders als ein gewöhnliches Bauwerk trägt sie nicht nur ruhende Lasten. Böen und der drehende Rotor belasten Mast und Fundament ständig mit wechselnder Kraft. Genau diese dynamischen Lasten und mögliche Resonanzen haben viele bei der Planung nicht im Blick.
Empfehlenswerte Hersteller stimmen Windgenerator, Mast und Fundament aufeinander ab und überprüfen das Zusammenspiel beim Testen der Anlage. Bei Eigenkonstruktionen oder fragwürdigen Herstellern fehlt diese Abstimmung oft. Dann kann es zu Resonanzen kommen, mit Folgen von störenden Geräuschen bis hin zu Schäden an der Anlage.
Selbst im Blick haben musst du vor allem den Boden am Standort. Ob fester Sand, lockerer Sand, Schluff oder Lehm: Jeder Boden trägt anders. Auch aufgefüllter Boden oder hohes Grundwasser können die Standsicherheit beeinträchtigen. Ein Bodengutachten schafft Klarheit, damit das Fundament zum Untergrund passt.
