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Rechner: Wind

Rechner für die Windleistungsdichte (W/m²) mit NREL-Windklassen

Die Windleistungsdichte ist die aussagekräftigste Einzelzahl, um Windstandorte zu vergleichen. Gib mittlere Geschwindigkeit, Höhe und Weibull-k ein und erhalte W/m², die NREL-Windklasse und den Energieanteil, der in starkem Wind steckt.

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Ergebnisse

397 W/m² in 50 m: NREL-Windklasse 3 („Mäßig“). Nutzbar mit modernen Schwachwindrotoren auf hohen Türmen. Nur mit der mittleren Geschwindigkeit gerechnet (½ρv̄³) läge der Wert um 48 % zu niedrig.
Windleistungsdichte in 50 m
397W/m²
3.476 kWh/m² Rotorfläche pro Jahr
NREL-Windklasse
3 · Mäßig
397 W/m², umgerechnet auf 50 m
Luftdichte
1,212kg/m³
-1,1 % gegenüber Normalbedingungen auf Meereshöhe
Energiemusterfaktor
1,91
Mittel(v³) ÷ Mittel(v)³
Naives ½ρv̄³ (falsch)
208W/m²
ignoriert die Geschwindigkeitsverteilung
Weibull-Skalenfaktor c
7,9m/s
Häufigste Geschwindigkeit
5,59m/s
Geschwindigkeit mit der meisten Energie
11,17m/s
Nenngeschwindigkeit etwa beim 1,2- bis 1,5-Fachen ansetzen
Energie aus Wind ≥ 12 m/s
46,4%
wird bei Nennleistung von den Turbinen größtenteils gekappt
Entspricht in 10 m Höhe
199W/m²
IEC-Turbinenklasse in 100 m: II
Wo die Energie steckt: Zeit und Energie nach Windgeschwindigkeit

NREL-Windklassen (Elliott et al., 1986)

KlasseBewertungW/m² at 10 mm/s at 10 mW/m² at 50 mm/s at 50 m
1Schwach0–1000–4,40–2000–5,6
2Grenzwertig100–1504,4–5,1200–3005,6–6,4
3 ◀ duMäßig150–2005,1–5,6300–4006,4–7
4Gut200–2505,6–6400–5007–7,5
5Ausgezeichnet250–3006–6,4500–6007,5–8
6Herausragend300–4006,4–7600–8008–8,8
7Hervorragend400+7+800+8,8+
  • Die Geschwindigkeiten der NREL-Klassen setzen Luftdichte auf Meereshöhe und eine Rayleigh-Verteilung (k = 2) voraus; hier wird die Klasse über die Leistungsdichte bestimmt, die auch dein k und deine Luftdichte berücksichtigt.
  • Die Windleistungsdichte ist die Leistung im Wind, nicht das, was eine Turbine herausholt. Reale Rotoren nutzen höchstens 59,3 % (Betz-Grenze), in der Praxis 40–50 % bei den besten Geschwindigkeiten.

So funktioniert der Rechner

Die Leistung bewegter Luft wächst mit der dritten Potenz ihrer Geschwindigkeit: Doppelt so viel Wind bringt achtmal so viel Leistung. Für sich allein ist die mittlere Windgeschwindigkeit deshalb irreführend: Ein böiger und ein gleichmäßiger Standort mit demselben Mittelwert können sehr unterschiedlich viel Energie liefern. Die Windleistungsdichte (WPD) löst das Problem, indem sie die dritte Potenz der Geschwindigkeit über die gesamte Verteilung mittelt und mit der Luftdichte gewichtet.

Der Rechner nimmt an, dass der Wind einer Weibull-Verteilung mit deiner mittleren Geschwindigkeit und deinem Formfaktor k folgt (k = 2 ist der Rayleigh-Fall, den man ansetzt, wenn nichts Besseres bekannt ist). Er berechnet die Luftdichte aus Höhenlage und Temperatur, die exakte Leistungsdichte, die NREL-Windleistungsklasse, den Energiemusterfaktor und die Geschwindigkeiten, bei denen die Energie tatsächlich anfällt. Das Diagramm trennt Zeit und Energie: Die meisten Stunden weht der Wind mäßig, ein Großteil der Energie kommt aber mit den selteneren starken Winden.

Die Formel

WPD = ½ × ρ × mean(v³) = ½ × ρ × c³ × Γ(1 + 3/k)

c = v̄ / Γ(1 + 1/k) (Weibull-Skalenfaktor) EPF = Γ(1 + 3/k) / Γ(1 + 1/k)³ (Energiemusterfaktor) WPD = EPF × ½ × ρ × v̄³ ρ = p / (287.05 × T), p = 101,325 × (1 − 2.2558×10⁻⁵ × z)^5.2559

Γ ist die Gammafunktion, p der Luftdruck in der Höhe z (m) und T die absolute Temperatur in Kelvin. Bei k = 2 beträgt der Energiemusterfaktor 1,91; bei böigem Binnenlandwind mit k = 1,5 steigt er auf 2,7, bei gleichmäßigem Passatwind mit k = 3 fällt er auf 1,4.

Rechenbeispiel: 7 m/s in 50 m Höhe

Mit den Voreinstellungen (mittlere Geschwindigkeit 7,0 m/s in 50 m, k = 2, Standort auf 200 m Höhe mit 10 °C Jahresmitteltemperatur) beträgt die Luftdichte in Messhöhe etwa 1,21 kg/m³, 1 % unter dem Normwert.

  • Weibull-Skalenfaktor c = 7,0 / Γ(1,5) = 7,90 m/s
  • WPD = ½ × 1,21 × 7,90³ × Γ(2,5) ≈ 397 W/m²
  • Die naive Schätzung ½ρv̄³ = 208 W/m² liegt fast 50 % zu niedrig

397 W/m² in 50 m entsprechen NREL-Klasse 3 („mäßig“), knapp unter Klasse 4. Die häufigste Windgeschwindigkeit liegt bei nur 5,6 m/s, die meiste Energie steckt aber bei 11,2 m/s, und fast die Hälfte der Energie kommt aus Winden ab 12 m/s. Bei solchen Geschwindigkeiten läuft eine Anlage schon mit Nennleistung und verschenkt den Überschuss. Deshalb ernten moderne Anlagen mit großem Rotor und vergleichsweise kleinem Generator einen größeren Teil der Standortenergie.

So liest du die Ergebnisse

  • Windleistungsdichte ist die Kernzahl. Multipliziert mit 8,76 ergibt sie die kWh pro m² Rotorfläche, die im Jahr durch die Rotorkreisfläche strömen.
  • Die NREL-Klasse wird aus der Leistungsdichte bestimmt, umgerechnet auf 50 m nach dem 1/7-Potenzgesetz. So lassen sich Messungen aus beliebiger Höhe mit der Tabelle vergleichen.
  • Der Energiemusterfaktor zeigt, um wie viel die Geschwindigkeitsverteilung die Leistung gegenüber der Schätzung aus dem Mittelwert erhöht.
  • Geschwindigkeit mit der meisten Energie ist eine Auslegungshilfe: Anlagen haben ihre Nenngeschwindigkeit meist beim 1,1- bis 1,4-Fachen dieses Werts.
  • Die IEC-Anlagenklasse reicht von I (Starkwind, 10 m/s Mittelwert) bis IV (6 m/s), bezogen auf die auf 100 m hochgerechnete mittlere Geschwindigkeit.

Typische Werte

NREL-Klasse Bewertung WPD in 50 m (W/m²) Geschwindigkeit in 50 m (m/s)
1 Schwach 0–200 0–5,6
2 Grenzwertig 200–300 5,6–6,4
3 Mäßig 300–400 6,4–7,0
4 Gut 400–500 7,0–7,5
5 Ausgezeichnet 500–600 7,5–8,0
6 Herausragend 600–800 8,0–8,8
7 Hervorragend > 800 > 8,8

Die Geschwindigkeiten in der Tabelle gelten für Luftdichte auf Meereshöhe und k = 2. Typische Werte in der Praxis auf 100 m: Binnenland in Europa 250–450 W/m², windige Küsten und Ebenen 450–800 W/m², Nordsee 800–1.000 W/m², Patagonien oder exponierte Inseln über 1.000 W/m².

Tipps

  • k richtig bestimmen. Ein k von 1,6 statt 2,0 erhöht die Leistungsdichte bei gleichem Mittelwert um 30 %. Ermittle k aus Messdaten mit dem Weibull-Rechner.
  • In gleicher Höhe vergleichen. Nutze den Rechner für Windgeschwindigkeit in der Höhe, bevor du Standorte vergleichst, die in unterschiedlicher Höhe gemessen wurden.
  • Die Höhenlage berücksichtigen. Berg- und Hochlandstandorte verlieren durch dünne Luft 10–25 % Leistung, was bei Kleinwindanlagen für die Amortisation zählt.
  • An die Betz-Grenze denken. Die WPD beschreibt das Angebot, nicht den Ertrag. Für echte kWh nimmst du den Windkraft-Rechner.

Grenzen des Modells

Echte Windverteilungen folgen nicht immer Weibull. Klimate mit Seewind oder Monsun können zweigipflig sein, und sehr windschwache Standorte haben mehr windstille Stunden, als das Modell vorhersagt. Die Dichte wird bei Jahresmitteltemperatur angesetzt; fällt kalte Luft jahreszeitlich mit starkem Wind zusammen (in Europa häufig), liegt die reale Leistungsdichte um einige Prozent höher. Die NREL-Klassen setzen ein 1/7-Potenzgesetz voraus, das nicht zu jedem Gelände passt. Für Investitionsentscheidungen solltest du die Leistungsdichte direkt aus mindestens einem Jahr gemessener 10-Minuten-Daten berechnen.

Methode & Annahmen

Leistungsdichte eines Weibull-Windregimes: WPD = ½ ρ c³ Γ(1 + 3/k), mit Skalenfaktor c = v̄ / Γ(1 + 1/k). Das entspricht ½ ρ v̄³ × EPF, wobei der Energiemusterfaktor EPF = Γ(1+3/k)/Γ(1+1/k)³ ist (1,91 bei k = 2). Die Luftdichte folgt aus der barometrischen Höhenformel für Standorthöhe + Messhöhe und einer Temperaturabnahme von 6,5 °C/km: ρ = p / (287,05 T). Für den Vergleich mit der NREL-Tabelle wird die Leistungsdichte mit dem Potenzgesetz auf 10 m und 50 m umgerechnet (WPD ∝ h^{3α}).

Häufige Fragen

Was ist die Windleistungsdichte?
Die Bewegungsleistung, die der Wind im zeitlichen Mittel durch einen Quadratmeter senkrecht zur Strömung trägt, in W/m². Sie fasst mittlere Geschwindigkeit, Geschwindigkeitsverteilung und Luftdichte in einer Zahl zusammen und ist deshalb die beste Einzelgröße, um Windstandorte zu vergleichen.
Welche Windleistungsdichte ist gut?
In 50 m Höhe gelten unter 200 W/m² als schwach (NREL-Klasse 1), 300–400 W/m² als mäßig (Klasse 3), 400–500 als gut (Klasse 4) und mehr als 500–600 W/m² als ausgezeichnet. Moderne Schwachwindanlagen machen Standorte der Klasse 3 wirtschaftlich; offshore liegen die Werte auf Nabenhöhe oft über 700–900 W/m².
Warum kann ich nicht einfach ½ρv³ mit der mittleren Windgeschwindigkeit rechnen?
Weil die Leistung von der dritten Potenz der Geschwindigkeit abhängt und der Mittelwert der dritten Potenzen größer ist als die dritte Potenz des Mittelwerts. Bei einer typischen Rayleigh-Verteilung (k = 2) ist die tatsächliche Leistungsdichte 1,91-mal so groß wie ½ρv̄³. Nur mit der mittleren Geschwindigkeit unterschätzt du sie also um fast die Hälfte.
Wie beeinflusst die Luftdichte die Windleistung?
Die Leistung ist direkt proportional zur Luftdichte. Normluft auf Meereshöhe bei 15 °C hat 1,225 kg/m³; in 1.500 m Höhe ist die Dichte etwa 15 % geringer. Warme Luft ist dünner als kalte, deshalb trägt Winterwind etwas mehr Leistung als Sommerwind gleicher Geschwindigkeit.
Wie viel der Windleistungsdichte kann eine Anlage nutzen?
Höchstens 59,3 % (die Betz-Grenze). Echte Rotoren erreichen in der Nähe ihrer besten Windgeschwindigkeit 40–50 %, oberhalb der Nenngeschwindigkeit, wo sie bewusst Leistung abgeben, deutlich weniger. Übers Jahr wandelt eine Anlage typischerweise 20–35 % der Windleistung, die durch ihren Rotor strömt, in Strom um.
Was sind die NREL-Windleistungsklassen?
Sieben Klassen aus dem US Wind Energy Resource Atlas von 1986, definiert über die Leistungsdichte in 10 m und 50 m Höhe: von Klasse 1 (schwach) bis Klasse 7 (hervorragend). Sie wurden für Anlagen der 1980er-Jahre mit geringer Höhe entwickelt und dienen heute vor allem groben Vergleichen; bei Großprojekten schaut man direkt auf Geschwindigkeit und Leistungsdichte auf Nabenhöhe.

Quellen & Literatur

  1. Elliott, D.L. et al. (1986). Wind Energy Resource Atlas of the United States. DOE/CH 10093-4, Pacific Northwest Laboratory
  2. Global Wind Atlas (DTU / World Bank) — Karten der mittleren Leistungsdichte
  3. Manwell, J.F., McGowan, J.G., Rogers, A.L. — Wind Energy Explained, 2nd ed., Wiley
  4. Justus, C.G., Hargraves, W.R., Mikhail, A., Graber, D. (1978). Methods for estimating wind speed frequency distributions. Journal of Applied Meteorology 17

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