Wie erzeugt eine Windkraftanlage Strom?
Immer wenn ich an einem Windpark in der Vorstadt vorbeifahre, sehe ich Reihen von großen Windrädern, die sich langsam drehen. Obwohl sie nicht gerade langsam oder wendig wirken, liefern sie Strom für Tausende von Haushalten. Viele fragen sich: Wie wandeln diese Rotorblätter, die sich im Wind drehen, unsichtbaren Wind in nutzbaren Strom um? Heute erklären wir Ihnen in einfachen Worten die Energieumwandlungstechnik der Windkraft.
Die grundlegende Logik der Windenergieerzeugung ähnelt einem Energiestaffellauf: Zuerst wird die kinetische Energie des Windes genutzt, dann in mechanische Rotationskraft umgewandelt und schließlich in elektrische Energie, die eine Glühbirne zum Leuchten bringt. Der gesamte Prozess ist in drei Schritte unterteilt, in denen jeweils spezialisierte Akteure ihren Beitrag leisten.
Der erste Schritt besteht darin, die Rotorblätter zum „Einfangen des Windes“ zu nutzen: Windenergie wird in Rotationskraft umgewandelt. Der Wind selbst ist strömende Luft mit unsichtbarer „kinetischer Energie“ – so wie starker Wind Laub wegwehen und Segelboote antreiben kann, treibt diese Kraft auch die Rotorblätter einer Windkraftanlage an. Die Rotorblätter sind jedoch nicht zufällig geformt. Ihre Form ähnelt der eines Flugzeugflügels: Eine Seite ist konvex, die andere flach. Wenn der Wind weht, ist die Luftgeschwindigkeit auf der konvexen Seite hoch und der Druck niedrig, während die Luftgeschwindigkeit auf der konkaven Seite niedrig und der Druck hoch ist. Dieser Druckunterschied erzeugt einen Auftrieb, der wie eine unsichtbare Hand das Rotorblatt um seine Achse dreht. In diesem Moment wird die kinetische Energie des Windes zur mechanischen Energie für die Rotation der Rotorblätter, und die erste Etappe dieses „Energiestaffellaufs“ ist geschafft.
Im zweiten Schritt wird mithilfe eines Beschleunigers die Rotationskraft erhöht. Die Rotorblätter drehen sich normalerweise recht langsam – meist nur 10 bis 20 Umdrehungen pro Minute – und diese geringe Drehzahl reicht nicht aus, um den Generator anzutreiben. Hier kommt ein Getriebe zum Einsatz: Es funktioniert wie ein Satz präziser Leistungsverstärker, die mithilfe von Zahnrädern unterschiedlicher Größe die von den Rotorblättern erzeugte langsame Rotation auf etwa 1500 Umdrehungen pro Minute beschleunigen. Ähnlich wie beim Fahrradfahren kann man durch leichtes Treten der Pedale die Drehzahl erhöhen. Der Beschleuniger schaltet das Windkraftsystem in einen höheren Gang, um genügend Energie für den nächsten Schritt der Stromerzeugung zu speichern.
Im dritten Schritt wird die Rotationskraft mithilfe eines Generators in elektrische Energie umgewandelt. Hierfür wird das Prinzip der elektromagnetischen Induktion genutzt, das wir bereits in der Schule kennengelernt haben – vereinfacht gesagt: „Magnetismus erzeugt Elektrizität.“ Das Untersetzungsgetriebe versetzt den mit Magneten ausgestatteten Rotor im Generator in Rotation, während der mit Kupferdraht umwickelte Stator ebenfalls im Generator fixiert ist. Wenn der Magnet des Rotors um den Stator rotiert, durchschneidet er das Magnetfeld in der Statorspule. Dies entspricht dem Bau einer Art „Bahn“ für Elektronen, die dadurch gerichtet im Kupferdraht fließen können – und so wird Strom erzeugt!
Der erzeugte Strom kann jedoch nicht direkt genutzt werden. Er muss mehrere Prozesse durchlaufen, wie z. B. Gleichrichtung und Spannungsstabilisierung, um ihn in Wechselstrom umzuwandeln, der den Netzstandards entspricht. Anschließend wird er über Übertragungsleitungen zu Umspannwerken transportiert, bevor er schließlich unsere Häuser und Büros erreicht und dort Beleuchtung und elektrische Geräte versorgt.
Sehen Sie, vom Wind, der die Rotorblätter berührt, bis zum elektrischen Strom, der die Glühbirne zum Leuchten bringt, ist der gesamte Prozess wie ein ineinandergreifendes „Energiewunder“ – es entsteht kein schwarzer Rauch durch die Verbrennung von Kohle, es werden keine nicht erneuerbaren Ressourcen verbraucht, und nur der Wind der Natur lässt die Windmühle unaufhörlich sauberen Strom erzeugen. Wenn Sie das nächste Mal die Rotorblätter eines Windparks rotieren sehen, werden Sie vielleicht daran erinnert, dass jede Umdrehung eine wunderbare Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie darstellt.
