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Funktionsweise von Windkraftanlagen

Windkraftanlagen sind in Deutschland derzeit die wichtigsten Produzenten erneuerbarer Energie: Im Jahre 2021 stammten 23,1 % des deutschen Stroms aus der Windkraft (Fraunhofer ISE 2022). Dieser wird in Windparks im Meer und an Land von mehr als 31.000 Windenergieanlagen gewonnen.

EWE ist zum Beispiel an Land an der Erzeugung von 2.300 MW Windenergie beteiligt. Die riesigen Türme mit ihren großen Rotorblättern sind daher vielerorts ein gewohnter Anblick. Doch die genaue Funktionsweise von Windkraftanlagen ist nicht jedem bekannt. Wir zeigen, aus welchen Komponenten Windenergieanlagen bestehen, wie sie funktionieren und wie der Strom aus den Anlagen ins Netz gelangt. 

Wie funktioniert eine Windkraftanlage?

Die prinzipielle Funktionsweise einer Windkraftanlage zur Erzeugung von Windenergie  erscheint auf den ersten Blick einfach: Wind setzt die Rotorblätter in Bewegung, die dadurch Energie erzeugen. Doch welche Elemente befinden sich im Inneren der großen Türme und wie kann aus der Bewegung der Rotoren letztendlich Strom entstehen, den wir in unseren Haushalten nutzen können? Um diese Fragen zu beantworten, ist ein Blick auf die Bestandteile einer Windkraftanlage nötig.

Aufbau einer Windkraftanlage

Windkraftanlagen bestehen im Wesentlichen aus einem hohen Turm, an dessen Spitze sich Rotoren drehen. Damit mithilfe des Winds möglichst viel Bewegung erzeugt werden kann, hat sich dieses typische Design seit den 1980er-Jahren durchgesetzt: Drei lange Rotorblätter sind in gleichmäßigem Abstand an der Gondel über einem langen Turm befestigt.

Die Rotorblätter sind aerodynamisch so geformt und positioniert, dass sie sich per Computersteuerung optimal an die Stärke und Richtung des Windes anpassen lassen. Noch dazu erzeugen sie während ihrer Rotation vergleichsweise wenig Lärm und bestehen in der Regel aus langlebigem glasfaserverstärktem Kunststoff.

Funktionsweise Windkraftanlage Grafik

Die Höhe der Anlage bestimmt den Wirkungsgrad

Je länger die Rotorblätter sind, desto höher ist ihr Wirkungsgrad. Aus diesem Grund sind in großen Windrädern Rotordurchmesser von bis zu 120 m möglich. Damit dank des großen Rotordurchmessers möglichst viel Wind verarbeitet werden kann, muss auch der Turm sehr hoch sein – denn der Wind ist in höheren Luftschichten konstanter und stärker. Pro Meter Höhe lässt sich der Stromertrag der Windenergieanlage so um circa 1 % erhöhen.

Für einen festen Stand des Turms ist ein tiefes Fundament aus Stahl und Beton vonnöten, auf dem der Turm der Windanlage errichtet wird. Je nach Standortbedingungen des Windparks erreichen die einzelnen Anlagen eine Höhe zwischen 40 und 160 m.

In der Gondel, die die Spitze des Turms darstellt und an deren Ende die Rotoren befestigt sind, befinden sich die wichtigsten Komponenten der Windenergieanlage. Neben zahlreichen Messsystemen gibt es in diesem Maschinenhaus je nach Modell ein Getriebe sowie einen Generator zur Stromerzeugung.

Durch den Turm führt eine lange Kabelstraße nach unten. Am Fuß des Windrads ist meist ein Kasten aufgebaut: Dies ist der Transformator, der die Spannung des erzeugten Stroms umwandelt, sodass er problemlos ins Netz eingespeist werden kann. Wie arbeiten all diese Komponenten also zusammen, um Strom zu erzeugen und weiterzuleiten?

Wie wird der Strom in einer Windkraftanlage erzeugt?

Infografik Funktionsweise Windenergieanlage Quelle: GrAT

Um zu verstehen, wie der Strom in einer Windkraftanlage erzeugt wird, lohnt ein Blick ins Innere des Maschinenhauses, in dem Getriebe, Generator und letztlich der Transformator für die Stromproduktion und -verwertung zuständig sind.

Messinstrumente auf dem Dach der Gondel erfassen jederzeit die Windrichtung und Windstärke. Anhand dieser Messungen kann die Gondel in den Wind gedreht und die Rotorblätter im optimalen Blattwinkel eingestellt werden, um sich in Bewegung zu setzen. Dies funktioniert nach dem Auftriebsprinzip, ähnlich wie bei Flugzeugen. Durch Aufwind entsteht ein Drehmoment, das in der Rotation des Rotors resultiert. 

Wie bei jeder Art der Energieerzeugung können aber auch Windkraftanlagen die Bewegungsenergie des Windes nicht zu 100 % in Strom umwandeln.

Wie läuft die Erzeugung von Strom in einer Windkraftanlage ab?

1. Der Wind trifft in Form von kinetischer Energie (Bewegungsenergie) auf die Rotorblätter des Windrads und setzt sie in Bewegung. Mit der Rotation der Blätter entsteht mechanische Energie.

2. Bei Anlagen mit Getriebe übersetzt das Getriebe die niedrige Drehzahl der Rotoren mit wenigen Umdrehungen pro Minute in eine für den Generator vorteilhaftere Drehzahl mit bis zu 1.500 Umdrehungen pro Minute.

3. Windräder ohne Getriebe übertragen die mechanische Energie über die Nabe direkt an den Generator, der entsprechend größer und schwerer ist.

4. Im Inneren des Generators wird durch die Drehbewegung mittels elektromagnetischer Induktion elektrische Spannung zwischen 400 und 1.000 V erzeugt – sprich elektrische Energie.

5. Ein Transformator am Fuß der Anlage oder in der Gondel wandelt die mit dem Generator erzeugte Spannung in Spannung zwischen 10 und 30 kV um. Dadurch kann der Strom anschließend beispielsweise über Hochspannungsleitungen oder unterirdische Kabel ins lokale Netz und zu den verbrauchenden Haushalten transportiert werden.

Wie viel Leistung hat ein Windkraftwerk?

Aufgrund von Energieverlusten kann ein Windkraftwerk nur eine Nennleistung erbringen, die deutlich unter der Energie des auftreffenden Windes liegt. Der Wirkungsgrad einer Windkraftanlage liegt derzeit bei ungefähr 45 bis 50 %. Ein Windrad kann mit diesem Wirkungsgrad im Jahr allerdings bei guten Bedingungen bis zu 15 Millionen kWh Strom erzeugen. Mit dieser Nennleistung könnten bis zu 4.000 private Haushalte mit Energie versorgt werden.

Anders als andere Energieträger haben Windkraftanlagen somit eine sehr positive Energiebilanz: Die Energie, die für ihre Produktion und Errichtung verbraucht wird, können sie im Betrieb mit ihrer Leistung innerhalb von drei bis sechs Monaten amortisieren.

Lässt sich Windenergie speichern?

Eine der Herausforderungen  der Windkraft ist, dass die Produktion von Windenergie Schwankungen unterliegt. Im Schnitt können Windräder nur drei Viertel der Zeit betrieben werden – das liegt daran, dass der Wind weder zu schwach noch zu stark sein darf.

Die Rotoren einer Windkraftanlage setzen sich ab einer Geschwindigkeit von 2 bis 4 m/s in Bewegung und erreichen bei einer Windgeschwindigkeit von 12 m/s ihre maximale Leistung. Im Falle von sehr starkem Wind bis hin zu Sturm muss der Betrieb ab einer Windgeschwindigkeit zwischen 28 und 35 m/s allerdings eingestellt werden, um Schäden zu vermeiden.

Gleichzeitig verfällt überschüssige Windkraft, wenn im Netz eine Überproduktion besteht, die nicht verbraucht werden kann. Eine mögliche Lösung wäre es, Windenergie zu speichern. Momentan wird der produzierte Strom aus den Windkraftanlagen direkt ins Netz eingespeist. Mit unterschiedlichen Speicherlösungen könnte die Windenergie auch in Zeiten von Windstille genutzt werden und würde im Falle von Überschussproduktionen nicht ungenutzt verfallen.

Luftbild des NEDO-Speichers in Varel
So könnten Speicherlösungen für überschüssige Windenergie aussehen. In Varel steht ein Vorzeigeprojekt von be.storaged in Kooperation mit NEDO aus Japan.

Möglichkeiten zur Speicherung von Windenergie werden erprobt und erforscht. Die Speicherung von Windenergie in großen Batterien stellt hier eine Option dar. Eine weitere vielversprechende Möglichkeit ist die Umwandlung der Energie in Wasserstoff . Wasserstoff kann als Zwischenmedium Energie speichern und bei Bedarf wieder in Strom zurückverwandelt werden. In Rüdersdorf führt EWE daher derzeit ein Pilotprojekt zur unterirdischen Speicherung von reinem Wasserstoff durch. Dabei untersuchen wir, wie diese Art der Speicherung neue Chancen für die Nutzung von erneuerbaren Energien eröffnet.

Wegen ihrer Klimaneutralität , der positiven Energiebilanz und Zukunftsaussichten kommt dem Ausbau der Windenergie  in Deutschland somit eine große Bedeutung zu. Auch EWE beteiligt sich gemeinsam mit der Alois Wobben Stiftung in Form der Alterric GmbH am Ausbau von Windenergieanlagen und weiterer erneuerbarer Energien, um den Weg für eine grüne Zukunft zu ebnen.