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Rotor, Gondel und Generator: Wie funktioniert eigentlich ein Windrad?​

Das RP-Klimahaus : Wie funktioniert eigentlich ein Windrad?

Selbst im Kleinen kann man es beobachten: Weht draußen ein laues Lüftchen, fängt sich das Windspiel im Garten an zu drehen. So weit so gut. Aber wie funktioniert das eigentlich im Großen? Und wie wird aus Wind Strom?

Wind bringt Bewegung - erst in die Luft der Atmosphäre und dann zum Beispiel in Blätter von Bäumen oder die Flügel eines Windrades. Wer dieses Phänomen schon einmal bewusst beobachtet hat, hat das erste Grundprinzip der Windenergie erfasst. Fragt sich nur: wie geht es dann weiter? Was bringt ein sich drehendes Windrad?

Es ist nicht ganz klar, wer überhaupt das Prinzip der Windenergie als erster genutzt hat. Klar hingegen ist, dass kaum eine Energiequelle schon so lange von Menschen genutzt wird wie der Wind. Zunächst aber nicht zur Stromgewinnung, sondern zum Mahlen von Getreide, bei dem der Wind als Antrieb für ein Gewinde genutzt wurde. Dieses trieb schlicht und ergreifend ein Mühlrad an und zerdrückte Getreidekörner.

Ganz so simpel funktionieren hochmoderne Hightechgeräte wie Windräder allerdings nicht. Auch wenn der Grundansatz der gleiche geblieben ist, laufen sie computergestützt und teils smart. Am Ende erhält man kein Mehl, sondern Strom.

Mittlerweile haben sich in Deutschland Windräder mit drei Rotorblättern durchgesetzt, deren Größe stark variieren kann. Auf dem Meer, also in Offshore-Windparks, kann der Durchmesser über 200 Meter betragen, an Land haben viele Windräder hingegen oft nur einen Durchmesser von 65 Metern.

Damit der Wind möglichst effektiv eingefangen werden kann, versuchen viele Unternehmen ihre Windräder möglichst hoch zu konzipieren. Ein durchschnittliches Windrad ist rund 100 Meter hoch. Demgegenüber stehen Modelle, die die 200 Meter Grenze knacken. In Schipkau in der Lausitz wird sogar an einer 300 Meter hohen Anlage gebaut. Von dieser versprechen sich die Beteiligten eine 40 Prozent höhere Windausbeute.

Was bei den Modellen jeder Größe gleich ist: „Dem Wind kann rein physikalisch nicht mehr als 59 Prozent der Leistung entnommen werden“, schreibt der Bundesverband der Windenergie. Das bedeutet, dass die kinetische Energie, also die Bewegungsenergie des Windes, nur teilweise in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Bereits davor muss er zunächst in mechanische Rotationsenergie gewandelt werden.

Am Ende des Turms eines jeden Windrads, an dem Punkt, an dem die Rotorblätter zusammengehalten werden, befindet sich die sogenannte Gondel. In ihr dreht sich der Rotor, der wiederum mit einem Generator verbunden ist. „Je schneller sich die Spule im Inneren des Generators dreht, desto mehr Strom wird erzeugt“, schreibt der Energiekonzern Enercity auf seiner Website. Damit dabei möglichst jeder aufkommende Wind genutzt werden kann, ist die Gondel beweglich. Sie kann sich also in Richtung des Windes bewegen. Auch jedes einzelne Rotorblatt kann sich so drehen, dass die Luft optimal in die Flügel greift.

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Durch solch ausgeklügelte Systeme ist es möglich zwischen 400 bis zu 1000 Volt elektrische Energie zu erzeugen. Nutzbar wird diese Spannung allerdings erst durch die sogenannte Transformation. Bei dieser wird die Energie so umgewandelt, dass der Endverbraucher zu Hause sie nutzen kann: In 50 Hertz-Frequenz-Strom. Diesen Umwandlungsjob übernimmt ein sogenannter Umrichter.

Eine moderne Windkraftanlage kann bis zu 3500 Haushalte im Jahr mit Strom versorgen, vorausgesetzt sie wird regelmäßig gewartet. „Windenergieanlagen sind durchgängig in Betrieb“, teilt das Unternehmen Enercon mit, dass zum Beispiel im Bergischen Land eine Vielzahl an Windrädern betreibt. Um einen solch fortwährenden Betrieb zu garantieren, werden die Anlagen einmal jährlich bei der sogenannten Hauptwartung grundlegend kontrolliert. Neben dieser Wartung fallen zudem eine sogenannte Windwartung (Verhalten der der Anlage unter starker Belastung, automatische Abschaltung bei zu starkem Wind) und eine Fettwartung (Austausch/Auffüllen von Fett und Sichtprüfung von Hauptkomponenten) an. Zudem findet alle vier Jahre eine erweiterte Hauptwartung statt. Durch die Komplexität der Windräder und „zunehmend moderne und damit auch anspruchsvollere mechanische, elektrische und elektronische Komponenten“ werde die Wartung von Jahr zu Jahr aufwendiger, sagt eine Enercon-Sprecherin. In anderer Hinsicht jedoch wird sie auch einfacher: Während Mechaniker zur Überholung alter Windkraftanlagen 45 Minuten lang zu Fuß den Aufstieg im Windrad meistern müssen, haben neue Anlagen einen Aufzug, der die Mechaniker innerhalb von zehn Minuten nach oben beförert. Den Schraubenzieher zu vergessen oder neue Teile in schwindelerregende Höhen zu schaffen sind damit kein Drama mehr. Nur noch die letzten Meter müssen zu Fuß abgegolten werden.