Windkraftanlage

Eine Windkraftanlage (WKA) oder Windenergieanlage (WEA) wandelt Bewegungsenergie des Windes in elektrische Energie um und speist sie in ein Stromnetz ein. Umgangssprachlich werden auch die Bezeichnungen Windkraftwerk und Windrad verwendet.

Windkraftanlagen sind heute die wichtigste Form der Nutzung von Windenergie. Die dominierende Bauform ist der dreiblättrige Auftriebsläufer mit horizontaler Achse und Rotor im Luv eines hohen, einen Generator enthaltenden Turms. Zwischen Rotor und Generator kann sich ein zu höherer Drehzahl übersetzendes Zahnradgetriebe befinden. Das gemeinsame Maschinengehäuse (auch als Gondel bezeichnet) ist auf einem rohrförmigen Turm montiert und wird samt Rotor der Windrichtung per Elektromotor nachgeführt.

Windkraftanlagen können in allen Klimazonen genutzt werden. Sie werden an Land (onshore) und in Offshore-Windparks im Küstenvorfeld oder direkt im Wasser der Meere installiert. Heutige Anlagen speisen direkt in das Stromnetz ein. Sie weisen durch die verwendete Leistungselektronik im Gegensatz zu älteren Anlagen mit direkt netzgekoppeltem Asynchrongenerator eine sehr gute Netzverträglichkeit auf. Die Nennleistung neu installierter Windkraftanlagen liegt an Land meist im Bereich von 2 bis über 6 MW, während die größten bisher entwickelten Offshore-Anlagen bis 26 MW reichen.

Eine Gruppe von Windkraftanlagen wird Windpark genannt. Kleinanlagen im Leistungsbereich von wenigen 100 Watt bis zu mehreren kW werden als Windgeneratoren bezeichnet. Diese können als Inselanlage wirtschaftlich sein.

Geschichte der Windkraftanlagen

mini|Plan des Windrades zur Stromerzeugung von Josef Friedlaender vor der Elektrischen Ausstellung im Wiener Prater (Rotunde) 1883 mini|Anlage von Charles F. Brush von 1888

Windmotoren, Testanlagen und gescheiterte Großprojekte Die erste belegte windbetriebene Anlage zur Stromerzeugung errichtete 1883 der österreichische Ingenieur Josef Friedländer anlässlich der Internationalen Elektrizitätsausstellung 1883, sie stand im Eingangsbereich des Ausstellungsgeländes vor der Rotunde im Wiener Prater. Bei dem Windrad handelte es sich um eine Windturbine des Halladay-Bautyps, die in Nordamerika auf Farmen zum Pumpen von Wasser eingesetzt wurden. Josef Friedländer adaptierte die Anlage zur Erzeugung von Elektrizität. Das Windrad hatte einen Durchmesser von 6,6 Metern und trieb einen Dynamo am Boden an, der Strom in mehrere Batterien einspeiste, die wiederum Werkzeuge und Lampen sowie eine Dreschmaschine betrieben. 1887 baute der Schotte James Blyth eine Anlage, um Akkumulatoren für die Beleuchtung seines Ferienhäuschens aufzuladen. Seine einfache, robuste Konstruktion mit einer vertikalen Achse von zehn Metern Höhe und vier auf einem Kreis von acht Metern Durchmesser angeordneten Segeln hatte eine bescheidene Effizienz. Nahezu zeitgleich orientierte sich Charles Francis Brush in Cleveland, Ohio mit einer 20 Meter hohen Anlage an den damals recht fortgeschrittenen amerikanischen Windpumpen. Bei Pumpen kommt es eher auf das Drehmoment als auf die Drehzahl an; Brush verwendete eine zweistufige Übersetzung mit Riementrieben, um einen 12-kW-Generator anzutreiben.

Der Däne Poul la Cour kam um das Jahr 1900 durch systematische Versuche – unter anderem an aerodynamisch geformten Flügelprofilen in Windkanälen – zum Konzept des Schnellläufers, bei dem nur wenige Rotorblätter ausreichen, die Energie der Strömung über die ganze Rotorfläche auszunutzen. Während des Ersten Weltkrieges waren über 250 Anlagen dieses Typs in Dänemark in Betrieb.Robert Gasch, Jochen Twele (Hrsg.): Windkraftanlagen. Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb. Springer, Wiesbaden 2013, S. 30. Auch in anderen Staaten wurden im frühen 20. Jahrhundert Windmotoren zur dezentralen Stromerzeugung errichtet. Mit der flächendeckenden Elektrifizierung in der Zwischenkriegszeit verschwanden viele dieser Anlagen wieder,Matthias Heymann: Die Geschichte der Windenergienutzung 1890–1990. Frankfurt am Main / New York 1995, S. 107. zumal die mit Gleichstromgeneratoren und Akkuspeichern ausgerüsteten Windmotoren nicht mit Wechselstrom-Stromnetzen kompatibel waren.

Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde in verschiedenen Staaten die Windenergieforschung vorangetrieben. Staaten wie Frankreich und Großbritannien investierten bis ca. 1965 große Summen in die Windkraftforschung.Matthias Heymann: Die Geschichte der Windenergienutzung 1890–1990. Frankfurt am Main/New York 1995, S. 302. Die durch die Luftfahrt vorangetriebene Verbesserung der Profilgeometrien in den 1950er und 1960er Jahren auf Gleitzahlen weit über 50 erlaubte extreme Schnellläufer mit nur noch einem Einblattrotor. Rotoren mit mehr als zwei Blättern galten als rückständig. Angesichts niedriger Energiepreise wurden mit Ausnahme von wenigen Prototypen aber kaum Anlagen errichtet.

Zu einer Renaissance der Windenergienutzung kam es ab den 1970er Jahren unter anderem infolge der Umwelt- und Energiedebatte und zweier Ölkrisen. In den 1970er und 1980er Jahren wurde eine Vielzahl verschiedener Konstruktionen erprobt, wobei sich letztlich Turbinen mit horizontaler Achse durchsetzten.Omar Ellabban, Haitham Abu-Rub, Frede Blaabjerg: Renewable energy resources: Current status, future prospects and their enabling technology. Renewable and Sustainable Energy Reviews 39, (2014), 748–764, S. 755, doi:10.1016/j.rser.2014.07.113. In einigen Staaten (wie Deutschland und USA) setzten die Entwickler zunächst auf anspruchsvolle industrielle Großprojekte wie den zweiflügeligen GROWIAN; diese hatten aber große technische Probleme und erwiesen sich als Fehlschläge. Ausgehend von Dänemark, wo es außer den Kenntnissen zum Bau von Kleinanlagen auch eine idealistische Kundschaft für derartige Anlagen gab, setzte sich das Dänische Konzept zahlreicher robuster Anlagen kleiner Leistung durch, die anfangs häufig von Kleinunternehmen und Bastlern mit zunächst einfachen Mitteln hergestellt wurden.Vgl. Matthias Heymann: Die Geschichte der Windenergienutzung 1890–1990. Frankfurt am Main/New York 1995, S. 409.

Die in den 1980er Jahren auch zu Tausenden in die USA exportierten Anlagen hatten drei starre Rotorblätter (also ohne Blattwinkelverstellung) und eine ohne Frequenzumrichter ans Netz gekoppelte Asynchronmaschine mit ein oder zwei festen Drehzahlen. Die Leistung wurde durch beabsichtigten Strömungsabriss begrenzt. Archetyp dieses sehr erfolgreichen Konzeptes war die von Johannes Juul konstruierte und 1957 in Betrieb genommene Gedser-Windkraftanlage.Alois Schaffarczyk (Hrsg.): Einführung in die Windenergietechnik. München 2012, S. 37. Sie arbeitete bis zu ihrer vorläufigen Stilllegung 1966 und wurde 1977 für ein gemeinsames Testprogramm von dänischen Wissenschaftlern und NASA für einige Jahre wieder in Betrieb genommen.Erich Hau: Windkraftanlagen: Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit. Berlin/Heidelberg 2014, S. 40.

Auf Basis dieser nach heutigen Maßstäben kleinen Anlagen fand dann in den 1990er und 2000er Jahren die weitere Entwicklung hin zu Großturbinen mit variabler Drehzahl und verstellbaren Rotorblättern statt. Seither ist Dänemark das Land mit dem größten Windkraftanteil an der Stromerzeugung.

Technische Entwicklung seit den 1990er Jahren mini|Vergleich, Entwicklung und Höhen von Windkraftanlagen; die seit Ende September 2026 mit 300 m Naben- und 365 m Gesamthöhe höchste Windkraftanlage der Welt, der GICON-Höhenwindturm zwischen den Windparks Klettwitz-Nord und Klettwitz-Süd ganz rechts in grau, hier Šejkow-Höhenwindrad, Šejkow = sorbischer Name von Schipkau Mit dem Stromeinspeisungsgesetz von 1991 begann der Aufschwung der Windenergie auch in Deutschland; er setzte sich mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (in Kraft seit dem 1. April 2000) fort. Diese politischen Rahmenbedingungen trugen dazu bei, dass deutsche Windkraftanlagenhersteller heute weltweit zu den Technologie- und Weltmarktführern zählen.

Im Bestreben nach immer niedrigeren Stromgestehungskosten wurden die Windkraftanlagen im Laufe der Entwicklung sukzessive größer.Adam Chehouri et al.: Review of performance optimization techniques applied to wind turbines. In: Applied Energy 142, (2015), 361–388, S. 363, doi:10.1016/j.apenergy.2014.12.043. Die mittlere Nennleistung der in Deutschland neu installierten Windkraftanlagen betrug 164 kW im Jahr 1990, im Jahr 2000 erstmals über 1 MW, im Jahr 2009 erstmals über 2 MW. Im Jahr 2011 lag sie bei über 2,2 MW, wobei Anlagen mit einer installierten Leistung von 2,1 bis 2,9 MW mit einem Anteil von 54 % dominierten. Zur Ertragssteigerung wird u. a. der Rotordurchmesser vergrößert. Eine Verdopplung der Rotorblattlänge bewirkt gemäß der Kreisformel eine Vervierfachung der Rotorfläche. Noch bis Ende der 1990er Jahre lag der Durchmesser neu errichteter Anlagen meist unter 50 Meter, nach etwa 2003 meist zwischen 60 und 90 Meter. (PDF; 2,4 MB). DEWI. Abgerufen am 28. Januar 2012. Bis 2024 wuchs der durchschnittliche Rotordurchmesser neuer Onshore-Anlagen in Deutschland auf 151 m, die durchschnittliche Nabenhöhe auf 146 m und die Nennleistung auf 5,46 MW, mit deutlichen Unterschieden aufgrund regionaler Windhöffigkeit.Status des Windenergieausbaus an Land in Deutschland. Fachagentur Wind und Solar. Abgerufen am 15. Januar 2026.

Weltweit überstieg die Durchschnittsleistung neu installierter Anlagen im Jahr 2017 erstmals die 2,4-MW-Marke. Der Trend geht zu größeren Anlagen: So begannen um das Jahr 2020 herum verschiedene Hersteller mit der Markteinführung von Onshore-Plattformen im Leistungsbereich um ca. 6 MW. Mit Stand 2024 sind Onshore-Anlagen der 7-MW-Klasse Stand der Technik.Status des Windenergieausbaus an Land in Deutschland. Fachagentur Wind und Solar. Abgerufen am 16. Januar 2025. Im Offshore-Bereich werden mit Stand 2021 Anlagen mit Nennleistungen zwischen 6 und 10 MW und Rotordurchmessern über 150 Metern installiert. Neu entwickelte Offshore-Anlagen verfügen bei Rotordurchmessern von ca. 220 Metern über Nennleistungen zwischen 13 und 15 MW.

mini|hochkant=1.4|Um Hindernissen auszuweichen, werden die bis über 80 Meter langen Rotorblätter in der Höhe aufstell- und schwenkbar auf selbstangetriebenen Transportplattformen, sog. „Bladeliftern“ montiert und können dann nach Bedarf ausgerichtet werden

Moderne Schwachwindanlagen besitzen Rotordurchmesser bis über 160 Meter und Nabenhöhen bis über 160 Meter. Enercon setzt seit etwa 1995 auf getriebelose Anlagen und war zunächst lange der einzige Hersteller von Anlagen mit Direktantrieb; doch nutzen inzwischen deutlich mehr Hersteller ein getriebeloses Design, das nun als „zweite Standardbauweise“ gilt. Im Jahr 2013 betrug der weltweite Marktanteil der getriebelosen Anlagen 28,1 %.

Windkraftanlagen wurden bis etwa 2010 stationär per Dockmontage gefertigt. Seitdem setzen Hersteller aus Kostengründen zunehmend auf Serienfertigung im Fließbandverfahren und auf eine Industrialisierung und Standardisierung ihrer Produkte. Parallel dazu setzen sich – wie im Automobilbau seit langem Standard – modulare Plattformstrategien durch, bei denen auf der gleichen technischen Basis Anlagentypen bzw. -varianten für verschiedene Windklassen entwickelt werden, z. B. durch unterschiedliche Rotorgrößen bei weitgehend identischem Triebstrang oder mit unterschiedlichen Generatorkonzepten bei gleichem Rotordurchmesser.

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