Windenergie: Wie funktioniert eine Windkraftanlage?

Seit die ersten Mühlen die Kraft des Windes nutzten, um Mahlwerke anzutreiben, hat sich viel getan. Denn moderne Windkraftanlagen wandeln die kinetische Energie des Windes nicht nur in mechanische, sondern auch in elektrische Energie um.

Hierzu nutzen moderne Windenergieanlagen das sogenannte Auftriebsprinzip: Der Wind trifft frontal auf die Rotorblätter, die ähnlich gewölbt sind wie die Tragflächen von Flugzeugen. Durch die Wölbung muss der Wind auf der Oberseite der Blätter einen längeren Weg zurücklegen als auf der Unterseite. So entsteht oberhalb des Flügels ein Unterdruck, der eine Kraft erzeugt. Diese wandelt die Energie des Windes – auch kinetische Energie genannt – in mechanische Energie um. Sie bringt die Nabe, also das nasenförmige Bauteil, das mit den Rotorblättern verbunden ist, zum Drehen.

Jedes Windrad – oder jede Windenergieanlage, wie der richtige Fachbegriff lautet – besitzt eine Gondel, auch Maschinenhaus genannt. Darin ist der Rotor mit einem Generator verbunden, der die mechanische Rotationsenergie in Strom umwandelt. Je schneller sich die Spule im Inneren des Generators dreht, desto mehr Strom wird erzeugt. Die Gondel selbst ist übrigens drehbar, sodass der Rotor sich nach dem Wind ausrichten kann – die sogenannte Windrichtungsnachführung. Dafür bewegen von der Steuerelektronik geregelte Antriebe die Gondel bei einer Windrichtungsänderung so, dass der Rotor den Wind wieder optimal einfängt.

Bei vielen Windkraftanlagen befindet sich in der Gondel zwischen Rotor und Generator noch ein Getriebe aus unterschiedlich großen Zahnrädern, das die niedrige Drehzahl des Rotors in eine hohe Drehzahl für den Generator übersetzt. Auf diese Weise können deutlich kleinere Generatoren verbaut werden als bei Windkraftanlagen ohne Getriebe: Hier ist der Generator direkt an den Rotor gekoppelt und dreht sich ebenso schnell wie der Rotor – ähnlich wie bei einem Fahrraddynamo. Die Generatoren in getriebelosen Windkraftanlagen sind daher deutlich größer ausgelegt, aber durch das fehlende Getriebe auch weniger anfällig für Schäden.

Der durch den Generator erzeugte Strom kann nun ins Netz eingespeist werden. Bei den meisten Anlagen sorgt hier ein Umrichter dafür, dass der eingespeiste Strom die für das deutsche Stromnetz erforderliche Frequenz von 50 Hertz hat.

Im Durchschnitt ist ein Onshore-Windrad – eins, das an Land steht – zwischen 90 und rund 130 Meter hoch. Gut zu wissen: Es wird dabei die Nabenhöhe gemessen, also die Höhe vom Boden bis zur Mitte des Rotors. Dazu kommt noch die Länge der Rotorblätter, die durchschnittlich bei 45 Metern liegt und damit einen Durchmesser von 90 Metern ergibt. Offshore-Windräder sind größer und können einen Rotordurchmesser von über 200 Metern und eine Nabenhöhe von über 170 Metern erreichen.

Moderne Windkraftanlagen können aus physikalischen Gründen bis zu etwa 50 Prozent der Windenergie verwerten oder „entnehmen“. Dieser Wert wird Leistungsbeiwert genannt. Entnimmt eine Windkraftanlage dem Wind 50 Prozent seiner Energie, liegt der Leistungsbeiwert bei 0,5.

Ein entscheidender Faktor für den Energieertrag ist die Höhe der Anlage. In bodennahen Schichten ist die Luft sehr verwirbelt, weil der Wind auf Hindernisse wie Häuser oder Bäume stößt. In höheren Luftschichten weht der Wind zunehmend gleichmäßiger – was die Stromproduktion effizienter macht. Darüber hinaus ist die Windgeschwindigkeit in großen Höhen höher als am Boden, ein Phänomen, das Windscherung genannt wird. Im Schnitt steigt der Stromertrag um ein Prozent mit jedem Meter, den ein Windrad höher gebaut wird.

Ein weiterer wichtiger Faktor für die Stromproduktion sind Anzahl und Länge der Rotorblätter. Im Laufe der Jahre hat sich herausgestellt, dass Anlagen mit drei Rotorblättern am effizientesten arbeiten. Bei einer Verdoppelung ihrer Länge steigt der Stromertrag um das Vierfache: Dann erzeugt die doppelte Windgeschwindigkeit bereits den achtfachen Ertrag. Windkraftanlagen sind also über die Jahrzehnte hinweg zunehmend in die Höhe gewachsen und erhielten immer größere Rotoren. Lesen Sie mehr über die Geschichte der Windkraft in unserer spannenden Zusammenfassung.

Nicht nur die Höhe, auch die Nennleistung hat sich mit der Zeit konstant gesteigert, also die Leistung, für die eine Windkraftanlage maximal ausgelegt ist. 1990 lag die durchschnittliche Nennleistung deutscher Windkraftanlagen bei 164 Kilowatt, im Jahr 2000 lag dieser Wert erstmals höher als ein Megawatt (1 MW = 1000 kW). Derzeit ist bei Onshore-Windkraftanlagen die 3-MW-Klasse üblich. In Offshore-Windparks vor den Küsten werden sogar Windkraftanlagen mit einer Nennleistung von 3,9 MW oder mehr errichtet. So können moderne Windkraftanlagen jährlich so viel Strom erzeugen, wie 3700 Haushalte in diesem Zeitraum benötigen.