Leistung von Windkraftanlagen im Vergleich
Windkraftanlagen erleben weltweit einen Boom und spielen eine zentrale Rolle bei Energiewende und Klimaschutz. Das gilt für den Ausbau der Windenergie an Land, als auch auf dem Meer.
Die Leistung von Windkraftanlagen wird häufig in Berichten über Markt und Technik erwähnt.
Doch was bedeutet die Leistung einer Windkraftanlage wirklich?
Und wie lässt sich daraus die tatsächliche Stromerzeugung ableiten?
Welche Leistung haben verschiedene Windanlagen, und wie viel Windkraft-Leistung ist in Deutschland und weltweit installiert?
Während Megawatt-Anlagen weithin sichtbar sind, gibt es auch kleinere Windkraftanlagen für die Selbstversorgung. Erfahre auch, welche Möglichkeiten Kleinwindkraftanlagen mit einer maximalen Leistung von 250 Kilowatt und kleinere Windturbinen für gewerbliche und private Nutzer bieten.
Inhaltsverzeichnis
Was Leistung bei Windkraft bedeutet
Die Leistung einer Windkraftanlage beschreibt, wie viel elektrische Energie sie erzeugen kann. Diese Leistung wird in Watt (W), Kilowatt (kW) oder Megawatt (MW) gemessen.
1.000 W = 1 kW.
1.000 kW = 1 MW.
Eine höhere Leistung bedeutet, dass die Anlage mehr Strom produzieren kann. Die tatsächliche Leistung hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie der Windgeschwindigkeit, der Größe der Rotorblätter und der Effizienz der Turbine. Je mehr Wind und je größer die Anlage, desto mehr Energie kann sie erzeugen.
Leistungsklassen im Vergleich
Es gibt Mini-Windanlagen mit wenigen Watt Leistung, die direkt eine kleine Batterie laden können bis hin zu industriellen Großwindkraftanlagen bis zu 18 MW Leistung, die in Windparks im Meer (Offshore) aufgestellt werden. Offshore-Windparks spielen eine entscheidende Rolle in der zukünftigen Energieversorgung Deutschlands und beeindrucken mit ihren Leistungsdaten und technologischen Fortschritten.
Es gibt keine international gültige Definition für die Abgrenzung der Leistungsklassen von Windkraftanlagen. Aber einen guten Überblick geben die folgenden Kategorien.
Großwindkraftanlagen
Großwindkraftanlagen haben eine Leistung über 1 MW. Diese industriellen Windkraftanlagen von Herstellern wie Siemens, GE, Vestas oder Enercon haben in der Praxis mittlerweile eine Leistung von mehreren Megawatt (MW). Der Strom wird ins Netz eingespeist und per Überlandleitungen den Verbrauchszentren (Städte, Fabriken etc.) zugeführt. Die Aufstellung darf nur fernab von bebauten Gebieten erfolgen.
Onshore-Anlagen stehen an Land und haben typischerweise eine Leistung von 2 bis 6 MW. Offshore-Anlagen, die im Meer errichtet werden, haben mittlerweile eine Leistung zwischen 10 und 18 Megawatt.
Hier eine Übersicht zu aktuellen Offshore-Windkraftanlagen (auf dem Meer):
MingYang Smart Energy MySE 16-260
Leistung: 16 MW
Rotordurchmesser: 260 m
Vestas V236-15.0 MW
Leistung: 15 MW
Rotordurchmesser: 236 m
Siemens Gamesa SG 14-222 DD
Leistung: 14 MW
Rotordurchmesser: 222 m
Hier eine Übersicht zu aktuellen Onshore-Windkraftanlagen (an Land):
Nordex N163/6.X
Leistung: 6 MW
Rotordurchmesser: 163 m
Vestas V150-6.0 MW
Leistung: 6,0 MW
Rotordurchmesser: 150 m
Enercon E-175 EP5
Leistung: 5,56 MW
Rotordurchmesser: 175 m
Mittelwindanlagen
Mittelgroße Windkraftanlagen haben eine Leistung im Bereich von ungefähr 300 kW bis 1 MW. Diese Windturbinen dienen in der Regel der dezentralen Energieversorgung stromintensiver Unternehmen und Gewerbebetriebe. In Deutschland sind Mittelwindanlagen eher selten, da sie sich in einer rechtlichen Grauzone befinden. Sie sind in der Regel zu hoch für die dezentrale Installation auf einem Betriebsgelände.
Kleinwindkraftanlagen
Kleinwindanlagen haben in der Praxis eine maximale Leistung zwischen 100 und 250 kW. Die maximale Gesamthöhe von Kleinwindkraftanlagen beträgt in Deutschland 50 m. Dann dürfen die Windräder für die dezentrale Energieversorgung neben dem Verbraucher aufgestellt werden. Kleinwindanlagen werden oft gemeinsam mit Photovoltaikanlagen betrieben.
Es gibt zwei Typen:
On Grid – Netzparallelbetrieb:
Dies Kleinwindkraftanlagen speisen den Strom in das Hausnetz des Betreibers ein, welches wiederum mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden ist. Nicht verbrauchter Windstrom kann deshalb auch ins öffentliche Netz eingespeist werden. Dafür gibt es in der Regel einen geringen Einspeisetarif.
Off-Grid – netzferner Betrieb:
Diese Anlagen versorgen abgelegene Standorte mit Strom. Das keine eine 300 Watt Mikrowindanlage auf einem Segelschiff, aber auch eine 30 kW Anlage für die Versorgung eines autarken Dorfstromnetzes sein.
Hier findet man empfehlenswerte Hersteller von Kleinwindanlagen inklusive Leistungsangaben. Mehr zu kleinen Windkraftanlagen wird weiter unten in diesem Beitrag erwähnt.
Leistung installierter Windkraftanlagen
Deutschland
Die installierte Leistung von Windkraftanlagen in Deutschland hat sich in den letzten 30 Jahren erheblich gesteigert. Die gesamte installierte Leistung aus Windenergie beträgt derzeit rund 69.000 MW, davon: Onshore (an Land): ca. 61.000 MW. Offshore (auf See): 8.500 MW.
Ein wichtiger Faktor für dieses Wachstum war die historische Entwicklung und die Rolle politischer Rahmenbedingungen, wie das Stromeinspeisungsgesetz und das Erneuerbare-Energien-Gesetz in Deutschland, die die Windstromeinspeisung gefördert haben.
Die folgende Grafik zeigt die Entwicklung der in Deutschland an Land aufgebauten Windkraftanlagen:
Quelle: BWE Bundesverband Windenergie & Deutsche Windguard GmbH. >> Verweis.
Weltweit
Auch die installierte Leistung von Windkraftanlagen weltweit hat in den letzten 30 Jahren ein beeindruckendes Wachstum erlebt.
Ende 2023 betrug die kumulierte weltweite Nennleistung von Windenergieanlagen rund 1.021 Gigawatt (GW), was 1.021.000 Megawatt (MW) entspricht. Dies entspricht einem Anstieg von etwa 13% im Vergleich zum Vorjahr.
Führende Länder (Stand 2023):
China: 406,8 GW
USA: 145,5 GW
Deutschland: 69,7 GW
Indien: 45,2 GW
Spanien: 30,6 GW
Vor allem China hat seit 2010 eine beeindruckende Entwicklung gezeigt und sich an die Spitze gesetzt. 2023 installierte China allein mehr als 55 GW neue Kapazität.
Offshore-Windenergie gewinnt zunehmend an Bedeutung, insbesondere in Ländern wie Großbritannien.
Das Jahr 2023 war bisher das Beste für die Windenergie mit einem Rekord-Zubau von 117 GW neuer Leistung weltweit. Um die aktuellen Klimaschutz-Ziele zu erreichen, muss die jährliche Wachstumsrate bis 2030 auf etwa 320 GW pro Jahr gesteigert werden. Mehr Infos gibt es beim internationalen Windenergie-Verband GWEC: Global Wind Report 2024
Generator
Der Generator als ein Bauteil einer Windkraftanlage bestimmt deren Leistung. Schauen wir uns kurz die Funktionsweise einer Windkraftanlage an:
Eine Windkraftanlage funktioniert, indem sie die Bewegungsenergie des Windes in elektrische Energie umwandelt. Der Prozess beginnt mit dem Rotor, der die Bewegungsenergie des Windes einfängt und in mechanische Rotationsenergie umwandelt. Diese mechanische Energie wird dann an den Generator weitergeleitet. Der Generator wandelt die mechanische Rotationsenergie in elektrischen Strom um.
Die Nennleistung des Generators gibt an, wie viel elektrische Leistung der Generator unter optimalen Bedingungen erzeugen kann.
Neben dem Generator als zentralem Bauteil einer Windanlage muss unbedingt auch der Rotor beachten werden. Denn der Rotor treibt den Generator an. Ein größerer Rotor kann mehr Windenergie einfangen, was zu mehr mechanischer Rotationsenergie führt, die dann in elektrischen Strom umgewandelt werden kann.
Der Generator muss zur Größe des Rotors passen, um die maximale Energie effizient in Strom umzuwandeln. Ein zu kleiner Generator könnte die gesamte erfasste Energie nicht nutzen, während ein zu großer Generator ineffizient arbeiten würde, wenn der Rotor nicht genügend Energie liefert. Optimal abgestimmte Rotor- und Generatorgrößen gewährleisten die höchste Energieausbeute und Effizienz der Windkraftanlage
Extra-Tipp:
Wenn man die Stromerzeugung einer Windkraftanlage abschätzen will, sollte man eher auf die Rotorgröße achten und weniger auf die Leistung des Generators.
Leistungskurve
Die Leistungskurve einer Windenergieanlage zeigt die Beziehung zwischen der Windgeschwindigkeit und der erzeugten elektrischen Leistung. Die Windgeschwindigkeit wird üblicherweise in Meter pro Sekunde (m/s) gemessen.
Die Leistungskurve (auch Kennlinie genannt) hat typischerweise einen S-förmigen Verlauf und umfasst mehrere wichtige Werte:
Einschalt-Windgeschwindigkeit: Die minimale Windgeschwindigkeit, bei der die Anlage zu arbeiten beginnt und Strom erzeugt. Diese liegt meist zwischen 3 und 5 m/s.
Nennleistung: Die maximale Leistung, die der Generator unter optimalen Bedingungen liefern kann. Diese wird bei einer bestimmten Windgeschwindigkeit erreicht, die oft zwischen 12 und 15 m/s liegt.
Ausschalt-Windgeschwindigkeit: Die Windgeschwindigkeit, bei der die Anlage aus Sicherheitsgründen abgeschaltet wird, um Schäden zu vermeiden. Diese liegt meist bei etwa 25 m/s.
Die Leistung einer Windkraftanlage hängt offensichtlich von der Windgeschwindigkeit ab. Bei geringen Windgeschwindigkeiten erzeugt die Anlage wenig bis keinen Strom. Mit zunehmender Windgeschwindigkeit steigt die Leistung exponentiell, bis die Nennleistung erreicht wird. Die Ausschalt- Windgeschwindigkeit ist eine unverzichtbare Sicherheitsmaßnahme, um bei Sturm die Windkraftanlage zu schützen. Der Rotor darf nicht in eine Überdrehzahl kommen, da dies die Windturbine zerstören kann.
Extra-Tipp: Extreme Kraft des Windes
Die Leistung einer Windkraftanlage steigt überproportional stark mit steigender Windgeschwindigkeit. Eine Verdoppelung der Windgeschwindigkeit führt zu einer achtfachen Erhöhung der Leistung! Deshalb wird der Wind bei Sturm oder Orkan zu einer brutalen Kraft, die Bäume entwurzeln kann.
Wirkungsgrad einer Windkraftanlage
Die Leistungskurve ist eng mit dem Wirkungsgrad der Anlage verbunden. Der Wirkungsgrad beschreibt, wie effizient die Windenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Ein hoher Wirkungsgrad führt zu einer steileren Leistungskurve, da bereits bei geringeren Windgeschwindigkeiten mehr Leistung erzeugt wird.
Leistung und Stromertrag
Ein wichtiger Unterschied bei Windkraftanlagen liegt zwischen
a) der Leistung in Kilowatt (kW), und
b) dem Stromertrag in Kilowattstunden (kWh).
Die Leistung einer Windkraftanlage wird in Kilowatt (kW) gemessen und gibt an, wie viel Energie die Anlage in einem bestimmten Moment erzeugen kann. Der Stromertrag hingegen wird in Kilowattstunden (kWh) gemessen und zeigt die tatsächliche Menge an Strom, die über einen bestimmten Zeitraum produziert wird. Der Stromertrag in kWh ist der entscheidende Wert, da das Ziel der Windkraftanlage ist, möglichst viel Strom zu erzeugen.
Die Leistung des Generators hängt natürlich mit der Stromproduktion einer Windkraftanlage zusammen. Ein leistungsstarker Generator kann theoretisch mehr Energie umwandeln.
In der Praxis ist jedoch das Windpotenzial eines Standorts, das maßgeblich den Stromertrag bestimmt. Ein Standort mit hohem Windpotenzial ermöglicht es der Windkraftanlage öfter und über längere Zeiträume hinweg mit hoher Leistung zu arbeiten, was zu einem höheren Stromertrag führt.
Berechnung des jährlichen Stromertrags
Um die jährliche Stromproduktion einer Windkraftanlage zu ermitteln, verwendet man die Leistungskurve einer Windanlage und die Winddaten eines konkreten Standorts. Die Winddaten bzw. das Windpotenzial eines Standorts kann man mit einer Windmessung oder mit einer Spezial-Software ermitteln.
Man berechnet für jede Windgeschwindigkeit die zugehörige Leistung und multipliziert diese mit der Häufigkeit, mit der diese Windgeschwindigkeit am Standort vorkommt. Durch Summierung dieser Werte über das Jahr erhält man den jährlichen Stromertrag in Kilowattstunden (kWh).
Windkraft-Leistung und Wirtschaftlichkeit
Als Maßstab für die Wirtschaftlichkeit von Windkraftanlagen werden oft die sogenannten spezifischen Kosten genannt in Euro pro Kilowatt (oder Megawatt) Leistung.
Die spezifischen Kosten von Großwindkraftanlagen an Land (Onshore) liegen zurzeit bei zwischen 1.400 und 2.000 Euro pro kW installierter Leistung. Dies entspricht 1,4 bis 2 Millionen Euro pro MW.
Die spezifischen Kosten von Kleinwindkraftanlagen sind erheblich höher. Hier geht man eher von 5.000 Euro pro Kilowatt Leistung aus. Ein kleines Windrad für die private Nutzung mit 5 kW Leistung würde somit im Schnitt schlüsselfertig 25.000 Euro kosten. Diese Angabe gilt für qualitativ hochwertige Anlagentechnik, die sturmsicher ist. Langfristig werden nur solche Kleinwindanlagen zuverlässig laufen.
Wer selbst eine Windkraftanlage sucht für ein Projekt, sollte die spezifischen Kosten pro Kilowatt Leistung allerdings nicht nutzen. Denn entscheidend für die Wirtschaftlichkeit sind die Kosten der Kilowattstunde Strom die von der Windkraftanlage erzeugt werden. Es ist die Windkraftanlage am wirtschaftlichsten die am kostengünstigsten Strom erzeugen kann (Stromgestehungskosten). Die Leistung kann man bei dieser Betrachtung vernachlässigen.
Die Internationalen Energieagentur (IEA) hat in ihrem Bericht „Renewable Energy Market Update – June 2023“ (siehe hier) Angaben zu den aktuellen Stromkosten bzw. Stromgestehungskosten verschiedener Kraftwerkstypen gemacht.
Stromkosten Megawatt-Windkraftanlagen
Die Stromkosten von Megawatt-Windkraftanlagen an Land (Onshore) sind in den letzten Jahren gesunken und liegen in einem wettbewerbsfähigen Bereich. Der Bericht deutet an, dass die Kosten für Onshore-Windenergie in Europa durchschnittlich bei etwa 77 EUR/MWh liegen. Das entsprecht 7,7 Cent für die erzeugte Kilowattstunde Strom.
Die Stromkosten von Offshore-Großwindkraft sind höher als für Onshore-Windenergie, aber sie sinken ebenfalls. Der Bericht prognostiziert einen Rückgang der Kosten aufgrund sinkender Materialkosten, insbesondere für Stahl. Die aktuellen Kosten werden auf etwa 100 EUR/MWh geschätzt.
Stromkosten von Kleinwindkraftanlagen
An einem windstarken Standort kann man mit einer 50 kW Kleinwindanlage für die Selbstversorgung eines stromintensiven Gewerbebetrieb durchaus auf 15 bis 20 Cent pro kWh kommen. Der Betrieb würde dann Stromkosten sparen, wenn sein Strompreis höher liegt. Entscheidend ist, dass man vorher eine sorgfältige Überprüfung des Windpotenzials am Standort durchführt.
Kleinwindkraftanlage: Welche Leistung wählen?
Wer eine Kleinwindkraftanlage für die Aufstellung auf dem eigenen Grundstück oder Betriebsgelände sucht, muss die Frage der Dimensionierung bzw. Auslegung der Windkraftanlage beantworten: Wie groß ist eine passende Kleinwindanlage für meine Zwecke?
Die Leistung sollte man erstmal nur als groben Richtwert nehmen:
Private Kleinwindanlagen: bis maximal 10 kW Leistung.
Gewerbliche Kleinwindanlagen: von 10 bis 250 kW Leistung.
Grobe Faustregel: Leistung (kW) und jährliche Stromerzeugung
An einem windstarken Standort kann man bei Kleinwindanlagen pro Kilowatt Leistung mit 1.000 bis 2.000 kWh Strom pro Jahr rechnen.
Ein 5 kW Windrad würde also pro Jahr 5.000 bis 10.000 kWh Strom erzeugen.
Wichtig, weil es so wichtig ist: NUR an einem windstarken Standort. Man muss unbedingt vorher prüfen, ob das Windpotenzial am Standort ausreichend ist. Mehr dazu hier: Standort und Windpotenzial.
Wer mehr über Kleinwindanlagen der 5-kW-Klasse erfahren will, sollte hier weiterlesen.
Video: Passende Größe bestimmen
Für die genauere Größenbestimmung bzw. Auslegung einer Kleinwindkraftanlage habe ich ein extra Video erstellt:
Wie man die passende Größe einer Windanlage fürs Haus wählt
Das Video macht klar, dass man bei Vergleich und Auswahl einer Windturbine primär auf die Leistung in Kilowatt anstatt auf die Größe des Rotors achten sollte.
Fazit
Alles in allem ist es beeindruckend, wie die Menschheit die Nutzung der Windenergie entwickelt hat. Von den ersten Windmühlen, die in Persien und China zum Mahlen und Pumpen eingesetzt wurden, bis hin zu den modernen Windkraft-Giganten im Meer. Diese Windkraftanlagen sind technische Meisterwerke, die extremen Stürmen standhalten können.
In den letzten Jahrzehnten hat sich die Leistung von Großwindkraftanlagen erheblich gesteigert. Offshore-Windanlagen auf dem Meer streben 20 MW Leistung an.
Im Gegensatz dazu sind Kleinwindkraftanlagen in ihrer Leistung aufgrund gesetzlicher Höhenbeschränkungen limitiert. In Deutschland haben Kleinwindanlagen in der Praxis eine maximale Leistung von 250 kW.
Die Leistung in Kilowatt ist generell ein ungenauer Indikator für den Ertrag einer Windkraftanlage; entscheidender ist die Größe des Rotors.
Autor: Patrick Jüttemann
