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
Wie ist eine Windkraftanlage aufgebaut?
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.
Wie wird Wind zu Strom?
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.
