Windenergie ist kinetische Energie der Luftteilchen, welche sich mit der Geschwindigkeit v bewegen. Eine Kreisfläche mit Radius r, die senkrecht zur Windrichtung steht, wird dabei in der Zeit t von folgender Masse durchströmt:

Somit ergibt sich die kinetische Energie des Windes zu:

Hierbei ist bemerkenswert, dass die Windleistung mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zunimmt. Somit ist diese einer der bestimmenden Faktoren bei der technischen Nutzung der Windenergie.

Die Leistung des Windes, welche etwa ein Windgenerator als elektrische Leistung nutzen kann, ist erheblich geringer, weil die Geschwindigkeit in einem Windrad nicht auf „0“ abgebremst werden kann. Diese Tatsache wird mit dem Betzschen Faktor berücksichtigt.

Dieser Betzsche Faktor ist kein Wirkungsgrad sondern ein sogenannter „Erntefaktor“, da die nicht geerntete Windenergie weitgehend erhalten bleibt. Einerseits in der oben genannten Restbewegungsenergie des durch das Windrad hindurchtretenden Windes, andererseits weil der Wind dem Windrad ausweicht und dieses ungebremst umströmt. Dieser Teil macht im genannten Erntemaximum ein Drittel der gesamten Windleistung aus, während der Energieverlust durch die Restenergie der durch das Windrad getretenen Luftmenge nur ca. 12 % ausmacht. Insgesamt beträgt der Erntegrad somit ca. 67 von 88 %, das sind ca. 59 %. In Windparks versucht man, die „Schattenwirkung“ eines Windrades zu mindern, indem man die Luft weniger abbremst. Am Erntegrad ändert dies relativ wenig im Vergleich zur Minderung des Windschattens. Bei einer Abbremsung des Windes auf 50 % beträgt die Restenergie noch 25 %, während sich die ausweichende Luftmenge auf 25 % reduziert. Der Erntegrad sinkt auf 56,25 % bei deutlich verringerter Belastung des Windrades. Bei einer Abbremsung auf 2/3 sind es immerhin noch 46,3 %.

Die im Wind enthaltene Strömungsenergie kann theoretisch zu maximal 59,3 % entnommen werden. Der Wert, der die dem Wind entnommene Leistung ins Verhältnis mit der im Wind enthaltenen Leistung setzt, wird Betzscher Leistungsbeiwert (c_p,Betz) genannt und wurde von Albert Betz im Jahre 1926 ermittelt (siehe Betzsches Gesetz). Anschaulich und prinzipiell ist dieser Sachverhalt auch zu erklären: Wenn der Windströmung Leistung entnommen wird, verlangsamt sich der Wind. Da jedoch der Massenstrom gleich bleiben muss, weitet sich bei einer frei angeströmten Windkraftanlage der Wind auf, da eben trotz der geringeren Geschwindigkeit hinter der Anlage die gleiche Menge Luft abtransportiert werden muss. Aus eben diesem Grund ist die komplette Umwandlung der Windenergie in Rotationsenergie mit einer Windkraftanlage nicht möglich: Dafür müssten die Luftmassen hinter der Windkraftanlage ruhen, könnten also nicht abtransportiert werden.

Hauptartikel zur Geschichte: Geschichte der Windenergienutzung

Die Windenergie wird seit Jahrhunderten vom Menschen für seine Zwecke genutzt. Es kam zum einen zur Nutzung des Windes zur Fortbewegung mit Segelschiffen oder Ballons, zum anderen wurde die Windenergie zur Verrichtung mechanischer Arbeit mit Hilfe von Windmühlen und Wasserpumpen genutzt.

Nach der Entdeckung der Elektrizität und der Erfindung des Generators lag auch der Gedanke der Nutzung der Windenergie zur Stromerzeugung nahe. Anfänglich wurden die Konzepte der Windmühlen nur abgewandelt und statt der Umsetzung der kinetischen Energie des Windes in mechanische Energie wurde über einen Generator elektrische Energie erzeugt. Mit der Weiterentwicklung der Strömungsmechanik wurden auch die Aufbauten und Flügelformen spezialisierter, und man spricht heute von Windkraftanlagen (WKA). Seit den Ölkrisen in den 1970er Jahren wird weltweit verstärkt nach Alternativen zur Energieerzeugung geforscht und damit wurde auch die Entwicklung moderner Windkraftanlagen vorangetrieben. Der Ausdruck Windmühle ist für stromerzeugende Anlagen nicht korrekt, da sie kein Mahlwerk besitzen.

Weitere Anwendungen:

• Antrieb von Segelschiffen durch den Wind gehört, neben Zugtieren, zu den ältesten Antriebssystemen von Verkehrsmitteln für Menschen. Im Jahre 2007 soll das erste Containerschiff mit einem Lenkdrachen der Firma Skysails ausgerüstet werden. Das Windsurfen, Kitesailing und Strandsegeln beruhen auf dem gleichen Prinzip. Historisch vor der Entwicklung von Automobilen bewegten sich Menschen mit Windwagen erstmals schneller als mit "Pferdegeschwindigkeit" über dafür geeignete Landflächen.
• Ballons
• Drachen, inklusive verschiedener Sportarten wie Kitesailing, Kite-Surfen, Kitebuggyfahren etc.
• Segelflugzeuge nutzen die Thermik, die nur indirekt mit den Windströmungen zusammenhängt.

Hauptartikel: Windenergieanlage, Windpark

Windenergieanlagen können in allen Klimazonen, auf See und in allen Landformen (Küste, Binnenland, Gebirge) zur Gewinnung elektrischen Stroms eingesetzt werden. Aufgrund der Unstetigkeit des Windes kann die mit Windenergieanlagen gewonnene elektrische Energie nur im Verbund mit anderen Energiequellen oder in sehr kleinen Stromnetzen mit Speichern für eine kontinuierliche Energiebereitstellung genutzt werden. (Siehe auch Regelenergie) Durch Prognose der Einspeisung und Austausch in und zwischen den deutschen Übertragungsnetzen (Regelzonen) wird die schwankende Stromerzeugung im Zusammenspiel mit anderen Kraftwerken, wie die normalen Verbrauchsschwankungen, ausgeglichen. Die Verknüpfung der Regelzonen und die Gesamtreserve dauerverfügbarer Energiequellen definieren daher zukünftig den Gesamtanteil der Windenergie an der Stromerzeugung. Für Deutschland geht man laut einer Studie der DENA derzeit von 20 bis 25 % maximalem Anteil beim moderatem Ausbau der Netzinfrastruktur aus. Weitere Möglichkeiten, zukünftig die Windstrompenetration über einen solchen Wert hinaus zu erhöhen, wären: - weitere Verstärkung und Vermaschung des Hochspannungsübertragungsnetzes mit benachbarten Regelzonen - Demand Side Management (zeitweiliges Abschalten oder verzögerter Betrieb nicht zwingend notwendiger Verbraucher) - Energiespeicherung, zum Beispiel durch Pumpspeicherkraftwerke und Druckluftspeicherkraftwerk; siehe Energiespeicher.

In zahlreichen, zumeist dieselgestützen Inselnetzen mit Windstromeinspeisung (Australien, Antarktis, Falklands, Bonaire), werden neben dem Demand Side Management zudem Batterien und teilweise auch Schwungradspeicher zur kurz- und mittelfristigen Netzstabilisierung und -optimierung eingesetzt, wobei relativ schlechte Wirkungsgrade aus wirtschaftlichen Gründen (Reduktion des sehr teuren Dieselstromanteils) akzeptiert werden können. Speicherung von Windstrom durch Wasserstoffelektrolyse- und Verbrennung und Schwungradspeicher wird derzeit in einem Modellprojekt auf der norwegischen Insel Utsira erprobt.

Andererseits weht der Wind aufgrund der Sonneneinstrahlung tagsüber meist stärker als nachts und passt sich somit auf natürliche Weise dem am Tag höheren Energiebedarf an. In ähnlicher Weise ist oft die Erzeugung im Winter größer als im Sommer, was ebenfalls günstig ist.

Die Höhe der vorzuhaltenden Reserveleistung (Regelenergie) hängt auch erheblich von der Vorhersagegenauigkeit des Windes, der Regelungsfähigkeit des Netzes sowie dem zeitlichen Verlauf des Stromverbrauchs ab. Eine deutliche Verminderung des Bedarfs an Regelenergie entsteht durch Kombination von Windenergieanlagen an verschiedenen Standorten, da sich die Schwankungen der dortigen Windgeschwindigkeiten teilweise gegenseitig ausmitteln. (Weitere Informationen im Artikel Windenergieanlage.)

Ältere drehzahlstarre Windenergieanlagen mit Asynchrongeneratoren haben z. T. Eigenschaften, die bei einem starken Ausbau Probleme im Netzbetrieb bereiten können; dies betrifft vor allem den sog. Blindstrom. Dem kann durch Blindstromkompensation abgeholfen werden; moderne drehzahlvariable Anlagen mit elektronischem Stromumrichter können den Blindstromanteil ohnehin nach den Anforderungen des Netzes beliebig einstellen und auch Spannungsschwankungen entgegenwirken, so dass sie sogar zur Netzstabilisierung beitragen können.

Umweltschützer argumentieren, Windenergie sei, wenn alle externen Kosten der Energieerzeugung (auch die Umweltschäden durch z. B. Schadstoffausstoß) einbezogen werden, neben der Wasserkraft eine der billigsten Energiequellen . Da die Messung externer Kosten und Nutzen jedoch nicht eindeutig möglich ist, kommen andere Studien zu anderen Ergebnissen . Moderne Windenergieanlagen besitzen eine kurze energetische Amortisationszeit von nur wenigen Monaten .

Die Wirtschaftlichkeit einer Windenergienutzung durch Windenergieanlagen hängt von den Parametern mittlere Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe, Stromverkaufspreis, Anlagen- und Infrastrukturkosten ab. In den meisten Ländern sind heute auch Standorte im Binnenland nutzbar.

Aus mehreren Studien geht hervor, dass durch die Einspeisung von Windenergie der Strompreis an der Leipziger Strombörse deutlich sinkt (Merit-Order-Effekt). Wird viel aus Windenenergie erzeugter Strom eingespeist, sinkt der Großhandelspreis an der Strombörse. Ist wenig Windenergie vorhanden, steigt der Preis an der Strombörse. Die sinkende Wirkung der Stromkosten durch Windenergie entsteht durch die gesetzliche Abnahmepflicht für produzierten Windstrom. Ist viel Strom aus Windenergie verfügbar, wird der Einsatz teurer konventioneller Kraftwerke insbesondere Gaskraftwerke („Grenzkosten-Theorie“) vermindert, was zu einem Absinken der Preise an der Strombörse führt. Ein weiterer Grund liegt in der Strompreisexplosion. Im 2. Quartal 2008 kostet Strom an der Leipziger Strombörse im Mittel 8,495 ct/kWh . Der Einspeistarif für Windkraft liegt bei 7,8 ct/kWh .

International gehört die USA vor Deutschland, Spanien und China zu den größten Nutzern von Windenergie zur Erzeugung von elektrischem Strom. Österreich lag Ende 2008 auf Platz 17. Dänemark verzeichnet mit etwa 20 % weltweit den größten Anteil der Windenergie an der Stromerzeugung. In einigen Regionen Deutschlands und Dänemarks liegt der Anteil allerdings noch wesentlich höher. Nach Informationen der IHK Emden betrug die Stromerzeugung aus Windenergie im Kammerbezirk Ostfriesland-Papenburg im Jahre 2005 im Durchschnitt 71 % des Verbrauchs.

In Deutschland, Dänemark und Spanien gab es über Jahre eine durch den politischen Willen getragene gleichmäßige Entwicklung der Windenergie. Dies hat zur Entwicklung eines neuen Industriezweiges in diesen drei Ländern geführt. Deutsche Technologien (neben dänischen und spanischen Entwicklungen) wurden daher in den letzten Jahren auch verstärkt in anderen Märkten eingesetzt. Dadurch ist der Exportanteil deutscher Hersteller im Steigen begriffen.

2008 wurden 27056 MW neu installiert, davon 8358 MW in den Vereinigten Staaten, 6300 MW in China, 1800 MW in Indien, 1665 MW in Deutschland und 1609 MW in Spanien. Insgesamt sind derzeit (Ende 08) weltweit über 120.000 MW installiert,die etwa 240 Milliarden kWh Strom pro Jahr erzeugen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass durch das unterschiedliche und jährlich schwankende Windpotential die Windstromerzeugung in den verschiedenen Ländern andere Relationen haben kann, als die insgesamt installierte Leistung der Windenergieanlagen.

Die bereits eingetretenen Steigerungen der internationalen Windkrafterzeugung sind weitaus höher als z. B. noch 1998 im World Energy Outlook der IEA (Internationale Energieagentur) prognostiziert.

Installierte Nennleistung:

Weitere Statistiken: Windenergieanlagenhersteller und Windenergieanlage (WEA)

Durchschnittliche installierte Leistung pro Windrad: 1,18 MW

Anteil der Windenergie an der Stromerzeugung

2007 wurden in Deutschland real 39.500 GWh Strom aus Windenergie produziert, was etwa 6,4 % des Nettostromverbrauchs im Jahr 2007 entsprach. Damit ist Windenergie vor der Wasserkraft (2007: 3,4%, 20.700 GWh bei 4.700 MW installierter Leistung) die bedeutendste erneuerbare Energiequelle in der Stromerzeugung.

Da das jährliche Windaufkommen schwankt, wird von der Windindustrie auch ein sogenannter indexbereinigter Energieertrag angegeben. Mit diesem wurde vom Deutschen Windenergie-Institut DEWI für Ende 2005 ein auf ein durchschnittliches Windjahr bezogener Windenergieanteil von 6,7 % berechnet. Diese Zahlen nicht ohne weiteres mit den gemessenen eingespeisten Energiemengen vergleichen .

Das Bundesland Schleswig-Holstein plant ab 2020 den gesamten Stromverbrauch seiner Einwohner durch Windenergie zu decken.

Anteil der Windenergie am Primärenergieverbrauch

Zur Erfüllung des Kyoto-Protokolls ist der Anteil der regenerativen Energie am Gesamtenergieverbrauch eine wichtige Größe. Hier beträgt der Anteil der Windenergie am Primärenergieverbrauch in Deutschland im Jahr 2007 1,0% nach der Wirkungsgradmethode, bzw. 2,6% nach der Substitutionsmethode (Quelle:BMU 2007).

Bei der Anwendung der Wirkungsgradmethode wird einem Energieträger, dem kein Heizwert zugeordnet werden kann (u. a. Windenergie, Wasserkraft, Solarenergie) direkt die erzeugte elektrische Energiemenge zugeordnet. Dieses Verfahren hat zur Folge, dass z. B. der durch Kernenergie produzierten Strommenge eine 3,2-fach höhere Menge Primärenergie gegenüber steht, die in Form von Wärme nicht genutzt wird.

In Österreich sind Ende 2006 607 Windenergieanlagen mit einer Leistung von 964,52 MW am Netz. Dies entspricht in etwa dem Verbrauch von 550.000 Durchschnittshaushalten (17,5 % aller österreichischen Haushalte). Das Regelarbeitsvermögen beträgt 1,93 Mrd. kWh.

Die Schwerpunkte der österreichischen Windenergienutzung liegen in Niederösterreich und im Burgenland. In der Steiermark wurde 2002 in Oberzeiring der weltweit höchste Windpark auf 1900 m Seehöhe errichtet. Er umfasst derzeit 13 Anlagen mit einer Gesamtleistung von 23 MW.

Siehe auch: Liste der Windkraftwerke

In den Vereinigten Staaten verläuft nach jahrelanger Zurückhaltung der Ausbau der Windkraft-Nutzung umso radikaler im Vergleich zu Staaten wie Deutschland oder Dänemark.

2007 hat die Windkraftindustrie in den Vereinigten Staaten mehr als 5200 MW installiert und mit diesem neuen Weltrekord ein Wachstum von 45 % gegenüber dem Vorjahr 2006 hingelegt. 2007 stammten in den Vereinigten Staaten bereits 30 % der gesamten neu installierten elektrischen Kapazität aus Windkraftanlagen.