31. Mai 2022

Wie funktioniert eine Windkraftanlage?

Windkraftanlagen prägen unser Landschaftsbild. Die Windenergie spielt eine wichtige Rolle in der Energieversorgung in Deutschland. Wie aber funktioniert eigentlich die Stromerzeugung aus Windkraft? Wie aber funktionieren Windräder überhaupt? Hier findest du einen Überblick.

Windenergie als wichtiger Bestandteil der Energiewende

Zu Beginn des Jahres 2021 waren über ganz Deutschland verteilt knapp 30 000 Windräder an Land aufgestellt. Hinzu kommen noch etwas mehr als 1000 Anlagen auf dem Meer. Rund die Hälfte des Stroms aus erneuerbaren Energiequellen in Deutschland stammt aus Windkraftanlagen. Damit nimmt die Windenergie einen wichtigen Platz in der Energieversorgung in Deutschland ein. Zudem haben Windräder einen großen Vorteil: Die Energie, die für den Bau einer Windkraftanlage aufgewendet wird, fährt die Anlage innerhalb weniger Monate wieder ein und läuft von da an klimaneutral.

So produziert eine Windkraftanlage Strom

Energie kommt in den unterschiedlichsten Formen vor. In Wind kommt Energie in Form von Bewegung vor, man spricht dann auch von kinetischer Energie. Eine Windkraftanlage wandelt diese kinetische Energie des Windes in elektrische Energie um, also in Strom. Der Wind bringt den Rotor der Windkraftanlage zum Drehen. Der Rotor wiederum betreibt einen Generator, der Strom erzeugt. Moderne Windräder können etwa 45 bis 50 Prozent der Energie des Windes in Strom umwandeln. Ganz ähnlich funktioniert auch das Licht am Fahrrad. Der Dynamo am Fahrrad ist dabei wie ein kleiner Generator, der durch die Drehung der Reifen Strom erzeugt und so die Lampen am Fahrrad zum Leuchten bringt.

Bestandteile einer Windkraftanlage

Das Maschinenhaus/Gondel

Das Maschinenhaus einer Windkraftanlage, welches auch Gondel genannt wird, sitzt auf der Spitze des Turmes. In der Gondel steckt der Generator der Windkraftanlage. Die Gondel selbst kann auf dem Turm gedreht werden und kann so an die Windrichtung angepasst werden.

Der Rotor

An der Gondel wird der Rotor der Windkraftanlage angebracht. Der Rotor besteht dabei aus einzelnen Rotorblättern. Diese werden aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt, so sind sie möglichst leicht und gleichzeitig stabil. Dieses Material kommt unter anderem auch bei Surfbrettern zum Einsatz. Viele Rotorblätter laufen langsamer, haben dafür aber ein höheres Drehmoment und drehen sich auch schon bei geringer Windstärke. Die Generatoren in Windkraftanlagen erfordern allerdings hohe Drehzahlen. Daher werden für moderne Windkraftanlagen wenige Rotorblätter verwendet, diese werden dafür aber aerodynamisch optimiert. Wichtig dabei sind die Form und die Stellung der Rotorblätter. Für den Energiegewinn macht es kaum einen Unterschied, ob zwei oder drei Rotorblätter verwendet werden. Bei zwei Blättern sieht die Rotation für uns allerdings sehr unruhig aus, daher wird einigen Menschen übel, wenn sie sich ein Windrad mit zwei Rotorblättern anschauen. Bei drei Blättern erinnert uns die Rotation mehr an eine Scheibe und sieht daher optisch runder für uns aus. Daher haben Windräder heute drei Rotorblätter.

Der Generator

Der Generator ist das Herzstück einer Windkraftanlage. Er wandelt die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie um. Dabei gibt es zwei Arten von Generatoren. Zum einen gibt es Synchrongeneratoren. Bei diesen variiert die Drehzahl mit der Windstärke, wodurch auch die Stärke und die Frequenz des produzierten Stromes variieren. Damit der Strom ins Netz eingespeist werden kann, muss er über einen Umrichter laufen, der Wechselstrom in Gleichstrom mit festen Spannungswerten umwandelt. Wenn der Strom dann an die Netzfrequenz angepasst worden ist, kann er in das Stromnetz eingespeist werden. Andererseits gibt es noch die Asynchrongeneratoren. Bei diesen ist die Drehzahl konstant eingestellt und hat zwei Stufen, eine für niedrige und eine für hohe Windgeschwindigkeiten. Wegen der festen Drehzahlen ist es leichter, diese Generatoren mit dem Stromnetz zu verbinden, da die Frequenz und die Stärke des Stroms konstant sind. Die meisten Windkraftanlagen heutzutage verwenden einen Asynchrongenerator.

Der Turm

Die Türme von Windrädern, die auf dem Land stehen, können bis zu 150 Meter hoch sein. Dabei müssen sie große Mengen an Gewicht tragen und sind zusätzlich den Belastungen durch Luftbewegungen ausgesetzt. Daher müssen die Türme sehr stabil sein. Es gibt verschiedene Bauweisen, in den meisten Fällen werden die Türme hauptsächlich aus Beton und Stahl gefertigt.

Die Steuerungstechnik

Um eine Windkraftanlage richtig steuern zu können, bedarf es einiges an Technik. Dabei kann die Anlage sowohl automatisch als auch computergesteuert betrieben werden. Wichtig ist, dass alle wesentlichen Bauteile wie beispielsweise der Generator oder das Getriebe von der Technik ständig überwacht werden. Gibt es eine Störung oder einen Defekt, kann so automatisch eine Fehlerdiagnose vorgenommen werden. Das Ergebnis wird dann an den zuständigen Techniker übermittelt, sodass eine Reparatur ausgeführt werden kann.

So dreht sich ein Windrad

Die Rotorblätter eines Windrades funktionieren ähnlich wie die Flügel eines Flugzeuges. An der Oberseite der Rotorblätter strömt die Luft schneller vorbei als an der Unterseite. Dadurch entsteht an der Oberseite ein Unterdruck und an der Unterseite ein Überdruck. Durch diesen Unterschied entsteht eine Auftriebskraft, die senkrecht zum Wind steht. Durch diese Kraft beginnt der Rotor sich zu drehen. Je stärker der Wind weht, desto größer sind dabei die Kräfte, die auf den Rotor wirken. Um sich an die aktuellen Windverhältnisse anpassen zu können, ist es möglich die einzelnen Rotorblätter zu drehen. So können diese je nach Wind mehr oder weniger stark in den Wind gedreht werden, ähnlich wie ein Segel auf einem Boot. Bei schwachem Wind stehen die Blätter eher parallel zum Wind. Bei starkem Wind hingegen stehen sie fast senkrecht im Wind.

Darum müssen die Rotorblätter besonders stabil sein

Auf die Rotorblätter eines Windrades wirken sehr starke Kräfte. Wenn du auf der Kirmes schon einmal Musikexpress gefahren bist, dann hast du selbst erlebt, wie Fliehkräfte wirken. Wenn sich der Musikexpress mit einer hohen Geschwindigkeit im Kreis dreht, dann kannst du ganz deutlich spüren, wie du nach außen gedrückt wirst. Genau der gleiche Effekt tritt auch bei den Rotoren von Windkraftanlagen auf. Je größer die Rotorblätter sind, desto größer sind die Fliehkräfte, die an den Spitzen der Blätter wirken. Je schneller sich der Rotor dreht, desto größer sind die Fliehkräfte. Bei einer Umdrehung legt die Spitze eines Rotorblattes eine viel größere Strecke zurück als der Teil des Rotorblattes, der sich in der Nähe der Narbe des Rotors befindet. Daher wirken an Rotorblattspitze deutlich größere Fliehkräfte als am inneren Teil des Rotors. Damit die Rotorblätter nicht durch diese Kräftedifferenz auseinandergerissen werden, müssen die Rotorblätter besonders stabil gebaut werden.

Standorte von Windrädern

Bei Windkraftanlagen unterscheidet man zwischen den Anlagen, die auf dem Land stehen, und Anlagen auf dem Meer. Die Anlagen auf dem Land werden als „onshore“ bezeichnet und die auf dem Wasser als „offshore“. Der wichtigste Faktor bei der Entscheidung, an welchem Ort ein Windrad gebaut wird, ist die durchschnittliche Windgeschwindigkeit. Die Windgeschwindigkeit hat nämlich einen sehr großen Einfluss darauf, wie viel Strom eine Windkraftanlage produziert. Bei doppelter Windgeschwindigkeit produziert eine Windkraftanlage etwa das Achtfache an Energie. Trotzdem hängt die Strommenge, die eine Windkraftanlage produziert, am Ende vom Wetter ab.

Das macht die Höhe einer Windkraftanlage aus

Auch der Durchmesser des Rotors einer Windkraftanlage hat Einfluss darauf, wie viel Energie die Anlage gewinnen kann. Je größer der Durchmesser, desto mehr Energie kann gewonnen werden. Daher sollen die Rotorblätter möglichst lang sein, wodurch auch die Türme immer größer werden. Nebeneffekt dabei ist, dass in größerer Höhe auch höhere Windgeschwindigkeiten erreicht werden. Die größten Windkraftanlagen auf dem Meer haben einen Rotordurchmesser von etwas mehr als 200 Metern. Die Windräder auf dem Land erreichen Rotordurchmesser bis zu 150 Meter. Zum Vergleich: Der Kölner Dom ist ungefähr 157 Meter hoch.

Darum stehen Windräder manchmal still

Manchmal drehen sich Windräder auch nicht, obwohl in unmittelbarer Nähe andere Windräder laufen. Das kann verschiedene Gründe haben. Windverhältnisse können sich schon auf eine geringe Entfernung unterscheiden. Daher kann es sein, dass zwei benachbarte Windräder nicht gleichzeitig in Betrieb sind. Es kann aber auch sein, dass die Windräder absichtlich abgeschaltet werden. Dies geschieht, wenn eine Anlage defekt ist oder gewartet werden muss. Aber auch, wenn zu viel Strom produziert wird, werden Windräder außer Betreib genommen, um das Stromnetz nicht zu überlasten. Außerdem gibt es eine gesetzliche Regelung, wonach Wohnhäuser nicht länger als 30 Stunden pro Jahr und 30 Minuten am Tag vom Schlagschatten eines Windrades betroffen sein dürfen. Daher werden Windkraftanlagen manchmal abgeschaltet, um diese Vorgaben zu erfüllen.

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