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Funktionsweise Windkraftanlage: Wie Windenergie erzeugt wird

Lesezeit: 3 Minuten

Inhaltsverzeichnis

Wenn Bewegungsenergie von Luftströmen zur elektrischen Stromerzeugung genutzt wird, spricht man von Windenergie. Um diese zu erzeugen, wandelt eine Windenergieanlage die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie um. Die Windenergie zählt mit zu den Grundpfeilern der Energiewende: Ende des Jahres 2021 liefen in Deutschland 29.731 Windenergieanlagen, die insgesamt 23% des in Deutschland erzeugten Stroms ausmachten.

Funktionsweise Windenergieanlage: Quick Facts auf einen Blick

Fakten Windkraftanlage

Wie ist eine Windkraftanlage aufgebaut? 

Turm

Windkraftanlagen sind schon aus der Ferne gut erkennbar. Der Turm der Anlage, der Windrädern ihre benötigte Höhe gibt, misst meist zwischen bis zu 160 Metern und ist die Verbindung zum Stromnetz. An ihm sind die Gondel und der Rotor befestigt. Innerhalb des Turms verlaufen Stromleitungen von der Gondel zum Boden. Diese ermöglichen die Einspeisung des erzeugten Stroms ins Netz.

Gondel bzw. Maschinenhaus
Das Herzstück einer Windkraftanlage ist die Gondel, welche auch Maschinenhaus genannt wird. In ihr befinden sich verschiedene Komponenten, die die Stromerzeugung ermöglichen, unter anderem zum Beispiel der Rotor und der Generator. Auf der Gondel befinden sich Sensoren Messinstrumente, welche verschiedene Parameter, wie zum Beispiel die Windgeschwindigkeit und Windrichtung, messen. Mit diesen Daten wird die Anlage gemäß ihrer Programmierung gesteuert. Die Gondel ist flexibel und beweglich: wie eine Sonnenblume wendet sie den Rotor immer der Windrichtung zu. Auf diese Weise wird immer die maximale Leistung der Windkraftanlage ermöglicht.
Generator zur Stromerzeugung
Der Generator wandelt die mechanische Rotationsenergie in elektrische Energie um. Der Antriebsstrang besteht aus einem Rotor, einem Getriebe, einer Bremse, einer Stromleitung und Steuerelektronik. Er nimmt aus der Bewegung des Windrads eine mechanische Drehzahlerhöhung vor. Hinter dem Getriebe befindet sich der Generator, der dann diese erhöhte Drehzahl in elektrischen Strom umwandelt.
Rotor
Das Windrad besteht aus drei Rotorblättern und der Nabe. Die Rotorblätter sind ähnlich wie die Tragflächen von Flugzeugen geformt und bestehen aus glas- bzw. kohlefaserverstärktem Kunststoff. Die Nabe verbindet die Rotorblätter mit der Gondel.
Windkraftanlage Skizze: So funktioniert eine Windkraftanlage

Wie wird Wind zu Strom?

Zunächst setzt der Wind das Windrad bzw. die Rotorblätter in Bewegung. Es entsteht Bewegungsenergie, auch genannt mechanische Energie. Die entstandene Rotationsenergie wird durch einen Generator in der Gondel der Windkraftanlage in elektrische Energie umgewandelt. Übrigens: Ein Dynamo eines Fahrrads funktioniert nach dem gleichen Prinzip.Über Stromleitungen im Turm der Windkraftanlage wird der erzeugte Strom ins allgemeine Stromnetz eingespeist. Dabei wird zunächst der Strom über einen Trafo und eine Schaltanlage in ein Innenparknetz gespeist, welches in einer Übergabestation zusammenläuft. Diese speisen dann den Strom in das öffentliche Verteilnetz ein. Später steht der erzeugte grüne Strom nun Haushalten und Unternehmen zur Verfügung.

Wie funktioniert die Stromerzeugung in der Windkraftanlage?

Wenn Wind auf die Rotorblätter drückt, fangen diese an sich zu bewegen. Damit treiben sie den Triebstrang im Inneren der Gondel an. An dieser Stelle kommt das Auftriebsprinzip zum Einsatz. Die Rotorblätter sind ähnlich gewölbt wie die Tragflächen von Flugzeugen. Dadurch muss der Wind auf der oberen Seite einen längeren Weg zurücklegen als auf der Unterseite. Auf diese Weise entsteht oberhalb des Flügels ein Unterdruck, der Kraft erzeugt und die Rotorblätter in Bewegung setzt.

Die Bewegung des Rotors wird durch ein Getriebe auf den Generator übertragen. Immer wenn das Windrad sich dreht, wird damit auch der Generator angetrieben. Mit Hilfe elektromagnetischer Induktion verwandelt der Generator mechanische Energie in elektrische Energie um. Generell funktioniert ein Generator folgendermaßen: Im Inneren befindet sich ein Magnet, der ein Magnetfeld erzeugt. Darin befindet sich wiederum eine mechanische Welle, genauer gesagt handelt es sich dabei um einen Kupferdraht. Dieser wird durch die Windkraft angetrieben und bewegt sich daraufhin als Leiter im Magnetfeld. An dieser Stelle wirkt nun die sogenannte Lorentzkraft. Diese sorgt dafür, dass sich Elektronen im Draht senkrecht zur Bewegungsrichtung verschieben. Zwischen den beiden Enden des Kupferdrahtes entsteht somit ein Ladungsgefälle, also elektrische Spannung.
Bei Windgeneratoren unterscheidet man zwischen Asynchron- und Synchrongeneratoren, welche beide in der Praxis verwendet werden. Bei Asynchrongeneratoren ist die Drehzahl im Regelfall auf zwei Stufen bei starker und niedriger Windgeschwindigkeit eingestellt. Aufgrund der konstanten Drehzahl lassen sie sich einfach mit dem Stromnetz verbinden. Im Gegensatz dazu haben Synchrongeneratoren keine bestimmte Drehzahl. Der erzeugte Strom variiert in Bezug auf Frequenz und Stärke ständig und kann deswegen nicht unmittelbar ins Netz eingespeist werden. Damit aus dem Wechselstrom Gleichstrom wird, kommt ein Umrichter zum Einsatz, der die Netzfrequenz reguliert.
Wie viel Strom erzeugt wird, hängt von der Windgeschwindigkeit ab.

Um Klimaneutralität bis ins Jahr 2045 zu erreichen, ist der Ausbau von Erneuerbaren Energien eine der wichtigsten Maßnahmen. Im Jahr 2021 stammten mehr als 50% des Stroms von Erneuerbaren aus der Windkraft. Aufgrund ihrer Verfügbarkeit und der ausgereiften Technologie wird sie in den kommenden Jahren zunehmend eine Schlüsselrolle im Kampf gegen die Erderwärmung einnehmen.

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