Wie funktioniert ein Windrad? Aufbau, Funktion und Stromerzeugung einfach erklärt

So funktioniert eine Windkraftanlage – das Grundprinzip einfach erklärt

Wenn wir über Windkraft sprechen, begegnen uns verschiedene Begriffe: Windrad, Windkraftanlage, Windturbine, Windenergieanlage. Im Alltag meinen wir damit aber meist dasselbe.

So wie viele „Schraubenzieher" sagen, obwohl das Werkzeug keine Schrauben zieht, sondern sie hinein- oder herausdreht, hat sich unter anderem der Begriff „Windrad" umgangssprachlich eingebürgert.

Fachlich korrekt ist allerdings nur der Begriff Windenergieanlage – denn er beschreibt präzise den Zweck: eine Anlage, die die Windenergie, also Bewegungsenergie des Windes, in elektrische Energie umwandelt.

Damit ist das Grundprinzip schon leicht erklärt: Der Wind strömt auf die Rotorblätter, deren Form Auftrieb erzeugt. Die Blätter drehen sich und setzen die Nabe in Bewegung. In der Gondel wird diese Drehung über Getriebe oder Direktantrieb an den Generator weitergegeben, der daraus elektrischen Strom erzeugt. Über Umrichter und Transformator wird die Energie schließlich ins öffentliche Netz eingespeist.

Während das Grundprinzip immer gleich bleibt, gibt es unter den Windenergieanlagen jedoch Unterschiede. Nicht jedes Windrad ist gleich aufgebaut – es gibt verschiedene Bauarten, die sich in Technik und Einsatzgebiet unterscheiden. Eine davon hat sich weltweit durchgesetzt.

Diese Windrad-Typen gibt es

Windkraft lässt sich auf verschiedene Arten zur Energiegewinnung nutzen. Im Laufe der Zeit haben sich daher auch mehrere Bauweisen entwickelt. Manche sind nur für kleine Anwendungen geeignet, andere wiederum haben sich weltweit als Standard durchgesetzt. Die wichtigsten Unterschiede liegen in der Ausrichtung der Rotorachse und in der Frage, ob ein Getriebe verwendet wird oder nicht.

Wir unterscheiden also in:

• Windkraftanlagen mit horizontaler Achse
• Windkraftanlagen mit vertikaler Achse
• Windkraftanlagen mit Getriebe
• Getriebelose Windkraftanlagen

Die mit Abstand wichtigste und bewährteste Bauart ist die horizontale Achse. Dabei drehen sich die Rotorblätter um eine horizontale Achse, die aktiv in den Wind ausgerichtet wird. Dieses Prinzip erreicht die höchsten Wirkungsgrade und eignet sich sehr gut für große Anlagen im Megawatt-Bereich. Genau das ist der Grund, weshalb es nahezu ausnahmslos dieser Anlagentyp ist, den wir im Alltag zu Gesicht bekommen.

Vertikale Windkraftanlagen sehen ganz anders aus: Die Rotorblätter stehen senkrecht nach oben, ähnlich wie bei einem Karussell. Der Wind kann von allen Seiten angreifen, die Anlage muss also nicht nachgeführt werden. Das klingt praktisch, hat aber Nachteile: Solche Rotoren können nur einen kleineren Teil der Windenergie nutzen und verschleißen schneller. Deshalb findet man sie fast nur in kleinen Nischenanwendungen, zum Beispiel bei Mini-Anlagen in Städten.

Auch die Antriebstechnik in der Gondel unterscheidet sich je nach Anlagentyp. Klassische Windräder arbeiten mit einem Getriebe, das die langsame Drehung des Rotors auf die für den Generator nötige Geschwindigkeit übersetzt. Bei modernen Direktantrieben wird der Rotor dagegen ohne Umweg direkt mit dem Generator verbunden.

Dafür sind größere Generatoren mit Permanentmagneten verbaut, die auch bei niedrigen Drehzahlen Energie liefern. Der Vorteil: weniger bewegliche Teile, weniger Verschleiß und geringerer Wartungsaufwand – allerdings zu höheren Herstellungskosten.

Vom Fundament bis zur Rotorblattspitze – der Aufbau einer Windkraftanlage

Der Aufbau einer Windenergieanlage gliedert sich in Fundament, Turm, Gondel und Rotorblätter. Jede dieser Komponenten erfüllt eine spezifische technische Funktion. Jede Komponente erfüllt dabei eine klare Aufgabe – vom unsichtbaren Fundament tief im Boden bis zur Blattspitze, die den Wind einfängt. Erst wenn all diese Bauteile präzise zusammenspielen, wird aus bewegter Luft tatsächlich elektrischer Strom.

Fundament – das unsichtbare Schwergewicht

Von außen sieht man es nicht, doch ohne dieses Fundament würde keine Windkraftanlage der Welt stehen bleiben. Auf dem Land besteht es meist aus einer riesigen Betonplatte, 15 bis 30 Meter im Durchmesser, mehrere Meter dick, in die hunderte Tonnen Stahlarmierung eingearbeitet sind. Damit werden die enormen Kräfte aus Windböen, Rotorbewegung und Turmschwingungen sicher in den Boden geleitet.

Im Offshore-Bereich erfolgt die Gründung häufig über Stahlpfähle, die in den Meeresboden eingebracht und dort dauerhaft verankert werden. Bei größeren Wassertiefen kommen komplexe Gitterkonstruktionen, sogenannte Jackets, zum Einsatz. Und für die Zukunft werden sogar schwimmende Fundamente entwickelt, die mit Ankern am Meeresboden befestigt werden.

Turm – das Rückgrat der Anlage

Der Turm übernimmt die Tragfunktion für Gondel und Rotorblätter und sorgt durch seine Höhe für optimale Windanströmung. Obendrein trägt er gemeinsam mit dem Fundament das Gewicht von Gondel und Rotorblättern.

In den Anfangsjahren sahen die Türme von Windkraftanlagen noch anders aus, als wir sie heute kennen: stählerne Gittermasttürme. Heute haben sich glatte, geschlossene Türme durchgesetzt, die auch optisch angenehmer wirken. Dabei gibt es mehrere Bauweisen:

• Stahltürme bestehen aus vor Ort verschraubten Stahlsegmenten und sind die am weitesten verbreitete Bauweise.
• Betontürme werden eingesetzt, wenn höhere Nabenhöhen erforderlich sind; sie sind robust und vibrationsarm.
• Hybridtürme kombinieren beide Materialien – Beton im unteren Bereich für Stabilität, Stahl im oberen Bereich zur Gewichtsreduzierung.

Moderne Türme erreichen Höhen von 100 bis 160 Metern – und bei neuen Anlagen sogar noch mehr. Innen sind die Türme alles andere als leer: Hier verlaufen dicke Kabelstränge, die den erzeugten Strom aus der Gondel nach unten leiten. Daneben gibt es Steuer- und Datenleitungen sowie Leitungen für den Hilfsstrom, der für Dinge wie Beleuchtung, Aufzug oder die Steuerung der Anlage benötigt wird.

Im Inneren des Turms verlaufen Zugänge für das Servicepersonal. Ältere Anlagen wurden häufig ausschließlich über Leitern bestiegen. Moderne Turmkonstruktionen verfügen in der Regel über Aufzüge, um einen sicheren und effizienten Zugang zur Gondel zu ermöglichen. Leitern bleiben als zusätzlicher Notfallweg erhalten.

Die Gondel – das Maschinenhaus der Windkraftanlage

Die Gondel beherbergt die zentralen technischen Komponenten der Windenergieanlage, darunter Antrieb, Generator, Steuerungstechnik und Kühlsysteme. Hier wird die mechanische Energie des Rotors in elektrische Energie umgewandelt. An der Vorderseite führt die Hauptwelle die Drehung der Rotorblätter ins Innere. In vielen Anlagen sitzt dort ein Getriebe, das die langsame Drehbewegung der riesigen Blätter beschleunigt.

Bei getriebelosen Anlagen ist der Rotor direkt mit einem besonders großen Generator verbunden – darum werden sie auch als Windkraftanlagen mit Direktantrieb bezeichnet. In jenem Generator entsteht dann elektrischer Strom, der über Umrichter und weitere Technik netztauglich und einspeisbar gemacht wird.

Neben Antrieb und Generator sind auch Kühlsysteme verbaut, die die Hitze der Komponenten abführen. Außerdem befindet sich in der Gondel auch die gesamte Steuerungstechnik, welche die Windgeschwindigkeit, Richtung und Belastung der Anlage überwacht. Ebenso sind auch hydraulische Systeme verbaut, die zum Beispiel die Rotorblätter verstellen.

Nicht nur die Blätter müssen optimal im Wind stehen, sondern auch die ganze Gondel. Dazu ist sie auf einem großen Drehkranz montiert, auf welchem sie durch Elektromotoren automatisch in die richtige Richtung gedreht wird – eine Funktion, die Fachleute Azimutantrieb nennen. So nutzt die Anlage den Wind stets so effizient wie möglich.

Nabe und Rotorblätter – die Flügel der Anlage

An der Vorderseite der Gondel sitzt die Nabe. Sie verbindet die Rotorblätter mit der Hauptwelle und damit mit dem Inneren der Anlage. In der Nabe steckt auch das sogenannte Pitch-System. Damit lassen sich die Blätter um ihre eigene Achse drehen – flacher, wenn der Wind zu stark weht, oder steiler, wenn möglichst viel Energie eingefangen werden soll. Diese Blattverstellung schützt die Anlage vor Schäden und sorgt dafür, dass sie bei jeder Windstärke effizient arbeitet.

Die Rotorblätter selbst sind die auffälligsten Teile einer Windkraftanlage. Mit teils mehr als 80 Metern erreichen sie fast die Länge eines Fußballfelds. Gefertigt werden sie aus Verbundwerkstoffen wie Glas- oder Kohlefaser, die gleichzeitig leicht und extrem stabil sind.

Trotz ihrer Größe sind die Blätter Präzisionsbauteile. Schon kleine Veränderungen im Winkel oder in der Form beeinflussen, wie effizient sie den Wind nutzen. Gleichzeitig müssen sie enormen Belastungen standhalten: Bei Sturm wirken Kräfte, die viele Tonnen betragen. Deshalb sind die Kanten der Blätter mit Blitzschutz und oft auch mit spezieller Beschichtung versehen, damit sie Witterung und Einschlägen standhalten.

Und ein weiteres Detail prägt moderne Anlagen: Fast alle besitzen drei Rotorblätter. Warum ist das so? Diese Zahl ist das Ergebnis eines technischen Kompromisses. Mit drei Blättern läuft der Rotor ruhig, verursacht wenig Vibrationen und nutzt den Wind effizient aus.

Zwar wäre ein Betrieb mit zwei Rotorblättern auch möglich und durch die Materialeinsparung kostengünstiger, doch zweiflüglige Anlagen laufen unruhiger. Vier oder mehr Blätter würden die Anlage dagegen schwerer und teurer machen, ohne nennenswert mehr Leistung zu erzeugen. So haben sich drei Rotorblätter als internationaler Standard etabliert.

Welche Bauweise auch zum Einsatz kommt: Entscheidend ist, wie effizient die Energie des Windes genutzt werden kann. Dazu lohnt ein Blick auf die einzelnen Schritte der Umwandlung – vom Wind bis zum Stromnetz.

Energieumwandlung: So wird aus Wind Strom

Der Wind selbst ist zunächst nichts anderes als bewegte Luft. Trifft er auf die Rotorblätter einer Windenergieanlage, passiert jedoch das Entscheidende: Die Blätter haben ein aerodynamisches Profil – ähnlich wie die Tragflächen eines Flugzeugs. Strömt Luft an dieser gewölbten Form vorbei, legt sie auf der einen Seite einen etwas längeren Weg zurück als auf der anderen. Dadurch entstehen Druckunterschiede: Auf der gewölbten Seite sinkt der Druck, auf der flacheren steigt er. Diese Differenz erzeugt eine Kraft, die die Rotorblätter in Bewegung setzt – man spricht vom Auftrieb.

Anders als bei einem Ventilator, der aktiv Luft bewegt, ist das Auftriebsprinzip also genau umgekehrt: Der Wind liefert die Energie, und die speziell geformten Blätter wandeln ihn in eine Drehbewegung um. Je schneller beziehungsweise stärker der Wind weht und je größer die Fläche der Rotorblätter ist, desto größer ist das erzeugte Drehmoment.

Diese mechanische Energie wird anschließend in der Gondel der Windkraftanlage weiterverarbeitet. Bei vielen Anlagen sitzt dort zunächst ein Getriebe. Dessen Aufgabe: Die langsame Drehung des Rotors – oft nur zehn bis zwanzig Umdrehungen pro Minute – auf die deutlich höhere Drehzahl des Generators zu übersetzen.

Ein Generator braucht in der Regel mehrere Hundert bis über 1.500 Umdrehungen pro Minute, um effizient Strom zu erzeugen. Das Getriebe wirkt dabei ähnlich wie die Gangschaltung beim Fahrrad: Mit der richtigen Übersetzung wird aus langsamer, kräftiger Bewegung eine schnelle Rotation.

Ein anderes Konzept verfolgen dagegen die getriebelosen Anlagen – sogenannte Direktantriebe. Hier ist der Rotor direkt mit dem Generator verbunden. Das bedeutet: Der Generator muss mit den langsamen Drehzahlen des Rotors arbeiten können und die Bewegungsenergie umwandeln.

Um trotzdem genug Strom zu erzeugen, sind Direktantriebs-Generatoren deutlich größer gebaut und besitzen eine Vielzahl von Polen sowie sehr starke Permanentmagnete. Dadurch können sie schon bei niedrigen Drehzahlen ein starkes Magnetfeld erzeugen und elektrische Energie liefern.

Der Vorteil von Windkraftanlagen ohne Getriebe liegt in der einfacheren Mechanik: weniger Zahnräder, weniger Schmiermittel, weniger Reibungspunkte. Damit sinkt die Gefahr von Ausfällen, und die Wartung wird insgesamt überschaubarer.

Doch Generatoren dieser Bauart sind massiv und schwer. Weil sie direkt im Maschinenhaus sitzen, steigt das Gesamtgewicht der Gondel erheblich – was wiederum Anforderungen an Turm und Fundament erhöht und die Herstellungskosten nach oben treibt.

Ob mit oder ohne Getriebe, beide Konzepte haben ihre Stärken. Während man bei Windkraftanlagen an Land oft auf die bewährte Getriebetechnik setzt, um auch bei mittleren Windgeschwindigkeiten effizient zu arbeiten, kommen Direktantriebe verstärkt im Offshore-Bereich zum Einsatz. Dort sorgen hohe Windgeschwindigkeiten und der Wunsch nach möglichst wartungsarmer Technik dafür, dass die großen und schweren, aber robusten Generatoren ihre Vorteile ausspielen können.

Vom Generator ins Stromnetz – Windstrom nutzbar machen

Wenn der Generator in einer Windkraftanlage Strom erzeugt, ist das lediglich Anfang – denn von hier aus landet er nicht etwa direkt in der Endverbraucher-Steckdose. Damit dieser Strom auch wirklich im Alltag nutzbar ist, muss er technisch an das öffentliche Netz angepasst werden.

Sobald sich der Rotor einer Windenergieanlage dreht, setzt er im Generator elektrische Energie frei: Drehstrom. Doch was heißt das überhaupt? Viele kennen die Begriffe Gleichstrom, Wechselstrom und Drehstrom – nicht allerdings die Unterschiede:

• Gleichstrom (DC) fließt immer in eine Richtung – wie das Wasser in einem Gartenschlauch. Typisch dafür sind Batterien oder Akkus.
• Wechselstrom (AC) ändert ständig seine Richtung – mal fließt er „vorwärts", mal „rückwärts". Das passiert in einem festen, schnellen Rhythmus, bei uns in Europa in einer Frequenz von 50 Hertz – also 50 Mal pro Sekunde.
• Drehstrom ist eine besondere Form des Wechselstroms: Statt nur einer Schwingung verlaufen drei Wechselströme, zeitlich um 120 Grad versetzt, nebeneinander. Man kann sie sich wie drei Wellen vorstellen, die nacheinander anrollen. Diese Kombination erzeugt in einer Spule ein gleichmäßig rotierendes magnetisches Feld – daher der Name.

Allerdings hat der „unangepasste" Drehstrom direkt aus der Windkraftanlage einen Haken: Seine Frequenz und Spannung hängen direkt davon ab, wie stark der Wind weht und wie schnell sich der Rotor dreht. Weht der Wind schwach, sinkt die Frequenz; bläst er stark, steigt sie.

Das ist ähnlich wie bei einem Fahrrad-Dynamo: Fährt man langsam, leuchtet die Lampe nur schwach. Fährt man schneller, leuchtet sie stärker. Doch unser Stromnetz verlangt nach einer konstanten Frequenz von 50 Hertz. Daher kommt der im Generator erzeugte Windstrom im ersten Schritt in einen Umrichter – und dieser hat zwei Aufgaben:

Er wandelt den schwankenden Wechselstrom aus dem Generator zunächst in Gleichstrom um.

Anschließend formt er daraus wieder sauberen Wechselstrom mit genau 50 Hertz, passend zum Netz.

Damit ist der Strom nun im richtigen „Takt", jedoch fehlt jetzt noch die richtige Spannung. Eine Windkraftanlage erzeugt meist Niederspannung von einigen Hundert bis wenigen Tausend Volt. Für den Transport über große Distanzen wäre das zu verlustreich. Deshalb folgt im zweiten Schritt der Transformator, der die Spannung anhebt.

Das regionale Mittelspannungsnetz arbeitet meist mit rund 20.000 Volt (20 Kilovolt). Über Schalt- bzw. Umspannanlagen kann der Strom dort direkt eingespeist oder auf Hochspannung (etwa 110 Kilovolt) – weitertransformiert werden. Kurz vor den Häusern senkt eine Ortsnetzstation die Spannung wieder auf 400/230 Volt.

So schließt sich der Kreis: Aus bewegter Luft wird elektrischer Strom, der in mehreren Stufen aufbereitet, angepasst und verteilt wird, bis er am Ende bei uns als nutzbare Energie ankommt – egal ob für Licht, Herd oder Smartphone-Ladegerät.

Energiespeicher als „Zwischenlager" für Windstrom

Windenergie gibt es in Hülle und Fülle, aber er weht nicht zu festen Zeiten. Dafür mal kräftig, mal gar nicht und mal genau dann, wenn wir eigentlich wenig Strom brauchen. Gleichzeitig verlangt unser Stromnetz ständige Balance: Stromerzeugung und Verbrauch müssen im selben Moment weitestgehend im Gleichgewicht stehen.

Gibt es ein Überangebot an Strom, droht das Netz zu überlasten. Zu wenig Energie hingegen mündet im schlimmsten Fall in einen Blackout. Nun kann man den Wind selbst nicht festhalten und bei Bedarf loslassen – den produzierten Windstrom allerdings schon. Und so dienen Speicher wie eine Art Zwischenlager für Windenergie: Sie nehmen Überschüsse auf und stellen sie dann bereit, wenn sie wirklich gebraucht werden.

Batteriespeicher sind die schnellen Helfer. Sie reagieren innerhalb von Sekunden, wenn die Netzfrequenz schwankt. Man kann sie sich wie riesige Powerbanks vorstellen: Container voller Lithium-Ionen-Zellen, die überschüssigen Windstrom aufnehmen und Minuten bis Stunden später wieder abgeben. Ein Beispiel ist der Batteriespeicher in Jardelund in Schleswig-Holstein, einer der größten Europas. Er stabilisiert das Netz direkt dort, wo besonders viel Windstrom produziert und eingespeist wird.

Für längere Zeiträume braucht es größere Lösungen. Hier kommen Pumpspeicherkraftwerke ins Spiel – die älteste Speichertechnologie überhaupt. Ihr Prinzip ist einfach: Bei Stromüberschuss wird Wasser in ein höher gelegenes Becken gepumpt. Sobald mehr Strom gebraucht wird, fließt es zurück ins Tal, treibt Turbinen an und erzeugt erneut Strom.

Deutschlands größtes Beispiel ist Goldisthal in Thüringen mit einer Leistung von über 1.000 Megawatt. Dieses Pumpspeicherkraftwerk kann tagelang Energie bereitstellen, als wäre sie eine gigantische Batterie in den Bergen.

Darüber hinaus gewinnen auch sogenannte Power-to-X-Technologien an Bedeutung. Also solche Anlagen, die Strom in andere Energieformen überführen. Zwei Beispiele:

• Power-to-Gas: In Falkenhagen (Brandenburg) und Werlte (Niedersachsen) wird Windstrom genutzt, um per Elektrolyse Wasserstoff oder Methan zu erzeugen. Diesen kann man speichern, ins Gasnetz einspeisen oder später wieder in Strom zurückverwandeln.
• Power-to-Heat: In Hamburg-Wedel laufen Heizkraftwerke mit großen Elektrodenkesseln, die überschüssigen Windstrom in Fernwärme umwandeln. So heizen Windräder indirekt ganze Stadtviertel.

Wind ist eine wetterabhängige Energiequelle. Speichertechnologien können Überschüsse aufnehmen und bei Bedarf wieder abgeben, sodass Windstrom auch dann verfügbar ist, wenn wenig Wind weht.

Windkraftanlagen – am Ende zählt das Zusammenspiel

Wer an einem Windrad vorbeifährt, sieht meist nur die großen Rotorblätter, die sich im Wind drehen. Doch erst der Blick ins Detail zeigt, wie viel Technik darin steckt: ein massives Fundament, das die Kräfte abfängt. Türme, die auf über 100 Meter Höhe wachsen. Gondeln, in denen Generatoren und Steuerungstechnik arbeiten. Und Rotorblätter, die so lang wie ein Fußballfeld sein können. Zusammengenommen entsteht daraus eine Anlage, die im ersten Moment unspektakulär wirkt, aber über Jahre hinweg kontinuierlich Strom für etliche Haushalte liefert.

In Deutschland stammt heute rund ein Drittel des erzeugten Stroms aus Windenergie – Tendenz steigend. Und auch die Technik hat sich in den vergangenen Jahrzehnten von ersten Prototypen mit wenigen Kilowatt zu Hightech-Anlagen im Megawattbereich entwickelt. Gleichzeitig werden laufend Verbesserungen erprobt: leichtere Materialien für Rotorblätter, höhere Türme für gleichmäßigere Winde, oder Speicherlösungen, die Schwankungen ausgleichen.

Damit ist die Windkraft zu einem zentralen Bestandteil der Stromversorgung geworden – getragen von Ingenieurskunst, präziser Fertigung und kontinuierlicher Weiterentwicklung. Wer also das nächste Mal an einer Anlage vorbeifährt, sieht ein hochkomplexes System, das perfekt zusammenspielt und die Energiewende im Alltag möglich macht.