Außerdem beugt man damit einer Überlastung des Stromnetzes vor, da sonst zu viel Energie auf einmal in die Netze fließen würde. Dies wiederum könnte zu Schäden unter anderem an Verteilern und Transformatoren führen und somit Stromausfälle verursachen.
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# Wunderwerk Windkraft­anlage: Interessante Fakten über einen der wichtigsten Bau­steine der Energie­wende

Für den Schutz unseres Klimas und die Unabhängigkeit unserer Energieversorgung müssen wir in Zukunft immer mehr auf erneuerbare Energien setzen. Dazu zählt auch die Energiegewinnung aus Wind. Bis 2030 sollen in Deutschland laut dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) insgesamt 71 Gigawatt (GW) Strom allein durch die Windkraftanlagen an Land („onshore“) gewonnen werden. Zusätzlich gibt es weitere Windkraftanlagen, die Energie auf dem Meer gewinnen („offshore“). Grund genug, mehr über die Hoffnungsträger der Energiewende zu erfahren!

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Inhalt

### Das erwartet Sie in diesem Artikel

## Wie viele Windkraftanlagen gibt es in Deutschland und wie viel Strom produzieren sie?

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2000 – so viele neue Windkraftanlagen müssen in Deutschland jedes Jahr gebaut werden, um die angestrebten Klimaziele bis zum Jahr 2030 zu erreichen. 30.000 Onshore-Windräder drehen sich bislang schon hierzulande. Das bedeutet also, dass mindestens halb so viele noch dazukommen werden – und das in den nächsten 8 Jahren.

Da viele der bestehenden Onshore-Windräder bereits gebaut wurden, bevor es Hochleistungs-Windkraftanlagen gab, bleiben einige Anlagen mit ihrer Leistung unter 1 MW. Aufgrund des verstärkten Ausbaus moderner Windanlagen konnte die durchschnittliche Leistung auf 1,8 MW pro Anlage erhöht werden. Und bis 2030 soll ein Teil älterer Windräder durch neuere Modelle ersetzt werden, um die Leistungskapazität weiter zu erhöhen.

Ende 2020 waren rund 1.500 Offshore-Windkraftanlagen in Deutschland am Netz, mit 7.770 MW Leistung. Damit liegt Deutschland auf dem 2. Platz im europäischen Vergleich, hinter Großbritannien. Bis 2025 sollen weitere Offshore-Windräder gebaut und somit die Leistung auf 10,8 GW gesteigert werden.

Die Menge gewonnener Windenergie steigt also stetig und hat einen immer größeren Anteil am deutschen Strommix.

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Jahre

Kumulierte Anlagen

2000

9359

2001

11438

2002

13759

2003

15387

2004

16543

2005

17574

2006

18685

2007

19460

2008

20301

2009

21164

2010

21607

2011

22297

2012

23030

2013

23645

2014

24867

2015

25980

2016

27270

2017

28675

2018

29213

2019

29456

2020

29608

2021

28230

2022

28443

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## Seit wann gibt es Windkraftanlagen und wer hat sie erfunden?

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Die Windenergie gehört zu den Energieformen, die Menschen schon am längsten nutzen, wie ein Blick in die Geschichte der Windkraft zeigt. Bereits vor zwei Jahrtausenden drehten sich die ersten Windmühlen. Per Windkraft haben etwa die Perser Getreide gemahlen und die Chinesen Wasser gepumpt. In Europa sind Windräder seit dem 12. Jahrhundert bekannt. Sie ähnelten damals vom Aufbau her bereits den heutigen Windkraftanlagen, erzeugten allerdings noch keinen Strom. Der Schotte James Blyth gilt als einer der ersten Erfinder, der Elektrizität mit Windkraft erzeugte: Im Juli 1887 soll Blyth erstmals Blei-Akkumulatoren mit Strom aus einem kleinen Windrad gespeist haben, um damit abends Glühbirnen in seinem Zuhause leuchten zu lassen. Danach nahmen sich die Dänen des Themas an und entwickelten das heute noch übliche Design mit drei Rotorblättern und schlankem Sockel. In Dänemark entstand 1991 auch der erste Offshore-Windpark vor der Insel Lolland. Die elf Windräder liefern heute noch zuverlässig Strom.

In der Folge beschäftigten sich zahlreiche Wissenschaftler mit der Erforschung der Grundlagen der Windkraft. 1919 formulierte etwa der deutsche Physiker Albert Betz das bis heute geltende „Betz‘sche Gesetz“, wonach sich mit einer Windkraftanlage maximal 59,3 Prozent der kinetischen Energie des Winds nutzen lassen. 1941 baute der amerikanische Ingenieur Smith Putnam die erste Windkraftanlage, die mehr als ein Megawatt (MW) Nennleistung erreichte. Und in Deutschland beschloss das Bundesforschungsministerium 1978, eine große Versuchsanlage zu bauen: Die „Große Windenergieanlage“, kurz „Growian“, stand von 1983 bis 1987 im Kaiser-Wilhelm-Koog an der Nordseeküste in Schleswig-Holstein. Mit 100,4 Metern Rotordurchmesser und einer Nennleistung von drei MW war sie damals die weltweit größte gebaute Anlage – drehte sich allerdings wegen technischer Probleme nicht lange. Doch der Anfang war gemacht. Mittlerweile drehen sich hunderttausende von Windenergieanlagen - in allen Teilen der Erde!

Dabei ist die Geschichte der Windkraft noch lange nicht zu Ende. Mit innovativen, mutigen Ideen wird nach immer neuen, noch effizienteren Möglichkeiten gesucht, die Kraft des Windes für uns Menschen nutzbar zu machen. Bereits jetzt sind schwimmende Windkraftanlagen, die durch Stahlseile auf dem Meeresboden gehalten werden, Realität. Mehr darüber erfahren Sie im letzten Abschnitt.

### Vom Altertum bis zur Gegenwart: Die Geschichte der Windkraft

Dier ersten Windräder hatten eine vertikale Nabe. Sie wurden wahrscheinlich zuerst in Persien (dem heutigen Iran) gebaut und zum Mahlen von Mehl verwendet.

Die Holländer nutzten ab dem 16. Jahrhundert die Windkraft in großem Stil mit ihren berühmten Windmühlen. Diese waren unseren heutigen Windkraftanlagen in vieler Hinsicht erstaunlich ähnlich.

Ein schottischer Erfinder, James Blyth, war der erste Mensch, der im Schein einer Glühbirne saß, die mit Strom aus einer von ihm selbst konstruierten Windkraftanlage betrieben wurde.

In der 1980er Jahre machte in Deutschland GROWIAN, die Große Windenergieanlage, von sich reden. Die Anlage verfügte über lediglich zwei Rotorblätter und stand zu Testzwecken im Kaiser-Wilhelm-Koog bei Marne.

1991 entstand in Dänemark, vor der Insel Lolland, der erste Offshore-Windpark. Die elf Windräder liefern noch heute zuverlässig Strom.

Die Zukunft der Windkraftnutzung wird spannend: Schwimmende Windkraftanlagen, die durch Stahlseile am Meeresboden verankert werden, sind bereits Realität. Ebenso wird Flugdrachen geforscht, die den Wind in großen Höhen von 200 bis 400 Metern einfangen.

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## Wie und wann gelang der Windkraft der Durchbruch?

Der weltweite Durchbruch der Windkraft startete Ende der 1980er Jahre im US-amerikanischen Kalifornien: Günstige steuerliche Investitionsbedingungen, Energiepreiskrisen und ein steigendes Umweltbewusstsein trieben damals den Ausbau dort zügig voran. Ab Anfang der 1990er Jahre drehten sich auch in Europa immer mehr Windräder. Hier spielten politische Rahmenbedingungen ebenfalls eine wesentliche Rolle für den zunehmenden Bau der Anlagen: In Deutschland galt zunächst ab 1991 das Stromeinspeisungsgesetz (StromEinspG), dann ab 2000 die Förderung über das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG). Heute sind längst förderfreie Windparks in Planung – die EnBW will 2025 mit He Dreiht einen der größten Offshore-Windparks in Betrieb nehmen, der zudem unabhängig von staatlicher EEG-Förderung ist.

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Jahre

Einspeisung in Terawattstunden (TWh)

2000

9.5

2001

10.5

2002

16.1

2003

19.1

2004

26

2005

27.8

2006

31.3

2007

40.5

2008

41.1

2009

39.4

2010

38.6

2011

49.9

2012

51.7

2013

52.7

2014

58.5

2015

80.6

2016

79.2

2017

105.7

2018

111.4

2019

125.9

2020

131.9

2021

122.4

2022

123.5

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## Wie funktionieren Windkraftanlagen?

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Als kostenfreier Energieträger steht Wind unbegrenzt zur Verfügung. Windenergieanlagen nutzen diese Kraft der Natur. Als Herzstück einer Windkraftanlage formt der Rotor mit seinen Glas- oder Karbonfasern verstärkten Rotorblättern die Bewegungsenergie des Windes zunächst in mechanische Rotationsenergie um. Wie an den Tragflächen eines Flugzeugs erzeugt die Windströmung an den aerodynamisch geformten Rotorblättern einen Auftrieb, der den Rotor in Rotation versetzt. In der Gondel, dem Maschinenhaus oben auf dem Turm, ist dieser Rotor mit einem Generator verbunden. Der Generator wandelt die mechanische Rotationsenergie in elektrische Energie um. Die Stromerzeugung in einer Windkraftanlage funktioniert also ganz ähnlich wie ein Fahrrad-Dynamo.

Sobald der Wind mit mindestens 3-4,5 Metern pro Sekunde (m/s) weht, schalten sich die Anlagen ein. Durch die drehbare Gondel stehen die Rotoren immer im Wind. Auch bei wechselnden Windgeschwindigkeiten kann die Drehzahl konstant gehalten werden, da die einzelnen Rotorblätter um ihre Längsachse verstellbar sind. Bereits ab 3 Umdrehungen pro Minute ist ein Windrad effizient! Entscheidend für einen ergiebigen Stromertrag sind vor allem hohe mittlere Windgeschwindigkeiten und die Größe der Rotorfläche. Bei zunehmender Höhe über dem Erdboden weht der Wind stärker und gleichmäßiger. Es gilt: Je höher die Windenergieanlage und je länger die Rotorblätter, desto besser kann die Anlage das Windangebot vor Ort ausnutzen. Weil der Wind im Binnenland weniger stark weht als in Küstenregionen, müssen die Anlagen hier in der Regel höher sein als im küstennahen Flachland. Der Bau einer Onshore-Windkraftanlage lohnt sich überall dort, wo die sogenannte Windleistungsdichte für den wirtschaftlichen Betrieb hoch genug ist. Die Windleistungsdichte ist ein Maß dafür, wie viel Leistung der Wind beim Durchströmen des Rotors an einem Standort im Mittel für die Nutzung von Windenergieanlagen bereitstellt.

## Drehen Windräder bei Sturm durch?

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Ist das Wetter stürmisch, kann die Windenergie bis zu 60 Prozent des deutschen Strommixes ausmachen. Dann werden Windräder allerdings auch ganz besonders beansprucht. Denn die Nabe als Zentrum der Windkraftanlage, um das sich die Rotorblätter drehen, liegt in der Regel in über 100 Metern Höhe. Dort ist der Windstrom deutlich kräftiger, was bei Stürmen eine starke Belastung für die Rotorblätter darstellt.

Kündigt sich sogar ein Orkan an, werden die Windkraftanlagen vorsorglich abgeschaltet und die Rotorblätter in eine Position gebracht, in der sie dem Wind möglichst wenig Angriffsfläche bieten. Diese Maßnahmen werden ab einer Windgeschwindigkeit von 90 km/h ergriffen, um die Windkraftanlagen vor Schaden zu schützen.

Außerdem beugt man damit einer Überlastung des Stromnetzes vor, da sonst zu viel Energie auf einmal in die Netze fließen würde. Dies wiederum könnte zu Schäden unter anderem an Verteilern und Transformatoren führen und somit Stromausfälle verursachen.

Regionale Abschaltungen von Windrädern bei Sturm werden einfach durch das nationale Stromnetzwerk kompensiert. So verhindert man, dass es zu lokalen Stromengpässen kommt.

## Wieviel Strom produziert ein Windrad?

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Unter guten Bedingungen – also an einem windreichen Standort, zum Beispiel auf einem Hügel oder an der Küste – kann ein modernes Windrad durchschnittlich 15 Mio kWh Strom jährlich erzeugen. Damit können 4.000 Haushalte ein ganzes Jahr lang mit grünem Strom versorgt werden.

## Sind Windräder eigentlich laut?

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Wenn sich die Rotorblätter einer Windenergieanlage drehen, verursacht das eine Schallemission, das heißt: es macht ein Geräusch. Durch die fortlaufende Optimierung der Rotorblattprofile konnten die Geräusche deutlich reduziert werden. Zur Einhaltung der Vorgaben aus der technischen Anleitung zum Schutz gegen Lärm (TA Lärm) aufgrund der Schallausbreitung von Windenergieanlagen hat sich in Baden-Württemberg ein Vorsorgeabstand von 700 m zu bewohnten Siedlungsflächen etabliert. In dieser Entfernung erfüllen die Schallwerte die Vorgaben, das heißt der Schall kann zwar noch wahrgenommen werden, ist aber so leise, dass er als nicht störungsrelevant angesehen wird.

## Und was ist mit dem Schatten von Windkraftanlagen?

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Bei Sonneneinstrahlung entsteht ein Schatten hinter den Windrädern. Wenn Wind weht, drehen sich die Räder des Windrads, wodurch ein bewegter Schatten entsteht („Diskoeffekt“). Dieser kann für diejenigen, die nahe der Windräder wohnen, natürlich störend sein.

Der Schattenwurf einer Windkraftanlage wird deshalb bereits im Genehmigungsverfahren berücksichtigt. Auf Wohnhäuser darf nicht mehr als 30 Stunden pro Jahr und 30 Minuten am Tag der Schatten eines Windrads fallen.

## Warum werden Windräder nicht in der Stadt gebaut?

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Daran ist die sogenannte Windscherung schuld: Wind verwirbelt über unebenem Gelände in Bodennähe sehr stark. Die nutzbare Energie aus dem Wind nimmt dadurch ab. Um Wind zur Stromerzeugung nutzen zu können, muss man über bebautem Gebiet also sehr hoch über die Gebäude hinaus gehen. Je höher, desto weniger Verwirbelung. Dies ist der Hauptgrund dafür, dass Onshore-Windräder eben nicht in Städten, sondern in Wäldern und auf Wiesen und Feldern gebaut werden: Dort liefern sie mehr Ertrag.

## Wie lange ist die durchschnittliche Lebensdauer einer Windkraftanlage?

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Eine Windkraftanlage kann 20-30 Jahre stehen, bevor sie zurückgebaut werden muss. Ausrangierte Windkraftanlagen können zu großen Teilen recycelt werden. An den Standorten von veralteten Anlagen werden oftmals neue, größere und damit ertrag­reichere Windkraftanlagen gebaut (sogenanntes Repowering).

Das Repowering von Windkraft ist ein entscheidender Schritt, um die hohen Ausbauziele für Windkraft zu erreichen und somit erheblich zum Klimaschutz beizutragen.

## Welche Arten und Bauformen von Windkraftanlagen gibt es?

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Zum Thema

Offshore-Windkraftanlagen erzeugen mitten im Meer Energie. Die EnBW Windparks Hohe See und Albatros zum Beispiel liefern zusammen genug grüne Energie, um ganz München mit Strom zu versorgen.

Mehr Windkraftanlagen gibt es allerdings an Land: In Deutschland ist in sogenannten Onshore-Windparks 55.000 MW Leistung installiert.

Jeder Eigenheimbesitzer kann sich theoretisch sein eigenes kleines Windrad aufs Dach oder in den Garten stellen. Ab einer Höhe von 10 m ist dafür grundsätzlich eine Baugenehmigung erforderlich.

## Wie hoch sind Windräder?

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Ein Windrad ist im Durchschnitt 90 bis 130 m hoch (Nabenhöhe), der Rotordurchmesser liegt bei bis zu 90 m und die Nennleistung bei 2 – 5 Megawatt (MW), offshore (im Meer) bis zu 15 MW. Die Windkraftanlagen der neuen Generation erreichen bisweilen beeindruckende Ausmaße: Bis zu 240 m hoch können sie, inklusive Rotorblättern, werden. Übrigens: Das größte Windrad der Welt steht aktuell in Deutschland: Bereits 2017 wurde bei Stuttgart mit 246,5 Metern die größte Windkraftanlage errichtet. Was bringt das eigentlich?

Um möglichst viel Windertrag zu ernten, muss man die Windkraftanlagen zum einen dahin bauen, wo viel Wind weht; zum anderen gilt: je höher hinaus, desto mehr Wind. Und das wird dann so richtig belohnt: Wenn der Wind doppelt so schnell weht, erhöht sich die Leistung der Windenergieanlage nicht etwa um den Faktor zwei, sondern ist acht Mal so hoch. Doppelt so lange Flügel vervierfachen die Leistung sogar. Außerdem brauchen große Windräder im Verhältnis zur installierten Leistung weniger Fläche und liefern mehr Energie. Im Endeffekt wird die Energieerzeugung mit großen Windkraftanlagen also immer billiger.

## Wie kommt der Strom vom Windrad zu mir nach Hause?

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Der von Windenergieanlagen auf dem Meer (offshore) erzeugte Strom wird auf einer Umspannplattform von 33 Kilovolt (kV) auf 150 kV hochtransformiert. Danach wird er durch 18 cm dicke Unterseekabel an Land geführt. Sowohl bei offshore als auch bei onshore, das heißt an Land erzeugtem Strom sorgt ein Umspannwerk für die zur Fernübertragung erforderliche Spannung von 380 kV. Danach ist der Weg ins Verbundnetz frei.

Die Zukunft ist Windkraft

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In Zeiten knapper werdender Rohstoffe und großer energiepolitischer Herausforderungen ist mittlerweile jedem klar: Die Energie der Zukunft ist zu großen Teilen aus Wind gemacht. Neue Technologien und Innovationen zeigen, dass wir bei der Nutzung der Windkraft erst am Anfang stehen. Da geht noch was…

## Schwimmende Windkraftanlagen

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Die schwimmende Windkraftanlage Nezzy² in der Ostsee

Offshore-Windkraft hat ungeheures Potenzial, das jedoch weltweit noch nicht vollständig genutzt werden kann, weil derzeit Offshore-Windkraftanlagen nur bei einer Wassertiefe von maximal 50 Metern mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand im Meeresboden installiert werden können. Das begrenzt die Anzahl geeigneter Meeresflächen. Um die Möglichkeiten der regenerativen Energiegewinnung zu erweitern, untersucht die EnBW gemeinsam mit dem norddeutschen Ingenieurunternehmen aerodyn eine neue Offshore-Technologie, bei der Windkraftanlagen auf der Wasseroberfläche schwimmen. Der Prototyp der schwimmenden Windkraftanlage Nezzy² (Maßstab 1:10) wurde zunächst auf einem Baggersee bei Bremerhaven und dann in der Ostsee bei Wind und Wellen getestet. Die Tests sind positiv verlaufen. Nun soll das Modell der schwimmenden Windkraftanlage mit einem weiteren Partner in Originalgröße in China getestet werden.

## Flugwindkraftanlagen

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Die Flugwindkraftanlage "SkyPower100" erzeugt Strom mit fliegenden Drachen.

Erst kürzlich hat Deutschlands erste Flugwindkraftanlage mit dem Projektpartner EnBW wichtige Tests erfolgreich abgeschlossen. Gemäß der Faustregel „Je höher, desto Wind“ erzeugt der Flugdrache „SkyPower100“ erneuerbaren Strom aus kräftigen Winden in Höhen von 200 bis 400 Metern – und erschließt so völlig neue Potenziale der Energieerzeugung.

Geforscht wird außerdem an Windrädern, die in bisher unerreichte Höhen aufragen können, ohne instabil zu werden – dank frischem Wind in der Technologie und dem Erfindergeist einiger leidenschaftlicher Ingenieurinnen und Ingenieure.

## Vertikale Windkraftanlagen

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Windkraftanlagen mit vertikalen Rotor­blättern auf dem Dach eines Neubaus

Windkraftanlagen, bei denen die Rotorblätter vertikal statt horizontal verlaufen, haben einige interessante Vorteile. Sie sind leiser, für Vögel besser zu erkennen, und vor allem sind sie platzsparender. Wenn sie auch noch ansprechend designt sind, dann sind solche Mini-Windkraftanlagen durchaus ein Hingucker im eigenen Vorgarten oder sogar auf dem Balkon.

Bei vertikalen Windkrafträdern gibt es verschiedene Bauformen, wie die Darrieus- und Savonius-Rotoren oder auch Mischformen. Vertikale Windkraftanlagen für Einfamilienhäuser scheinen auf den ersten Blick attraktiv, doch in Wohngebieten herrscht oft nur ein geringes Windaufkommen, da andere Gebäude den Wind blockieren. Windräder mit horizontalen Rotoren sind zudem vergleichsweise effizienter als vertikale Windkraftanlagen.

## Private Kleinwindkraftanlagen

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An Windkraftanlagen „für den Hausgebrauch“ arbeiten auch die Entwicklerinnen und Entwickler der 0-Wind-Turbine, die man auch als Kleinwindkraftanlage bezeichnet. Damit kann Wind unabhängig von der Richtung, in die er weht, eingefangen werden. Dieses Modell würde sich also insbesondere für Städte und Gegenden mit dichter Bebauung eignen, in denen der Wind dauernd seine Richtung ändert.

## Windräder ohne Flügel

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Die Windkraftanlage von Vortex Bladeless kommt ohne Rotorblätter aus. (Quelle: Vortex Bladeless / Foto: Raúl Martín)

Spannend: Windkraftanlagen ohne Rotorblätter werden durch Wind-Verwirbelungen in Schwingung gesetzt und erzeugen so elektrische Spannung. Die Vorteile: Die Wind-Spargel sind kostengünstiger, brauchen weniger Platz und sind geräuscharmer; der Schattenwurf fällt ebenfalls weg. Allerdings erzeugen rotorblattlose Windkraftanlagen auch weniger Strom als herkömmliche Windräder mit drei Rotorblättern.

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### Zeitstrahl: Die Geschichte der Windkraft

Quelle: EnBW

### SVG-Animation: Repowering einer Windkraftanlage

Quelle: EnBW

### SVG-Animation: Hauptbestandteile einer Windkraftanlage

Quelle: EnBW

### Seitliche Ansicht einer Windkraftanlage

Quelle: EnBW

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