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Funkti­ons­weise Windkraft­an­lage: Wie Windenergie erzeugt wird

Lesezeit: 3 Minuten

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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