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Kurz gesagt: Ein Generator nutzt die elektromagnetische Induktion: Bewegt sich ein Leiter in einem Magnetfeld, entsteht in ihm eine Spannung. Praktisch jeder Strom aus dem Netz – ob aus Kohle, Kernkraft, Wind oder Wasser – wird so erzeugt. Der Unterschied liegt nur darin, was den Generator antreibt.
Kraftwerke unterscheiden sich in der Wärmequelle. Am Ende dreht überall dasselbe Bauteil.
Das Prinzip
Michael Faraday entdeckte 1831: Ändert sich das Magnetfeld durch eine Leiterschleife, entsteht in der Schleife eine elektrische Spannung.
Man kann dafür entweder den Magneten bewegen oder die Spule – entscheidend ist die Änderung. Bleibt alles stehen, fließt kein Strom.
Ein Generator ist damit das genaue Gegenstück zum Elektromotor: Der Motor macht aus Strom Bewegung, der Generator aus Bewegung Strom. Viele Maschinen können beides – deshalb kann ein Elektroauto beim Bremsen Energie zurückgewinnen.
Der Aufbau
Rotor. Der drehende Teil, meist der Elektromagnet.
Stator. Der feststehende Teil mit den Spulen, in denen die Spannung entsteht.
Erregung. Der Magnet ist bei großen Generatoren kein Dauermagnet, sondern ein Elektromagnet, der über einen kleinen Teil des erzeugten Stroms gespeist wird.
In Kraftwerken drehen sich Generatoren mit 3.000 Umdrehungen pro Minute – genau die Drehzahl, die bei der üblichen Polzahl die 50 Hertz des Netzes ergibt.
Wechselstrom und Gleichstrom
Bei einer Umdrehung wechselt die Richtung der Spannung zweimal – es entsteht von Natur aus Wechselstrom.
Für Gleichstrom braucht es entweder einen Kommutator, der die Anschlüsse mitdreht, oder einen nachgeschalteten Gleichrichter. In Autos übernimmt das die Lichtmaschine mit eingebauter Elektronik.
Was den Generator antreibt
Dampf aus Kohle, Gas, Biomasse oder Kernspaltung – über eine Turbine.
Wasser in Wasserkraftwerken.
Wind über den Rotor.
Verbrennungsmotor in Notstromaggregaten.
Die einzige verbreitete Ausnahme ist die Photovoltaik: Solarzellen erzeugen Strom direkt aus Licht, ganz ohne bewegliche Teile.
Der Fahrraddynamo
Das anschaulichste Beispiel: Ein Magnet dreht sich an einer Spule vorbei, es entsteht Spannung. Je schneller man fährt, desto heller das Licht – und desto stärker der spürbare Widerstand. Energie kommt nicht aus dem Nichts.
Wer die Induktion entdeckt hat
Michael Faraday wies 1831 nach, dass ein bewegter Magnet in einer Spule eine Spannung erzeugt. Kurz darauf beschrieb Joseph Henry denselben Effekt unabhängig davon. Aus dieser Beobachtung entstand die gesamte elektrische Energieversorgung.
Entscheidend ist nicht der Magnet selbst, sondern die Änderung des magnetischen Flusses durch die Spule. Bleibt alles in Ruhe, entsteht keine Spannung. Bewegung ist die Voraussetzung.
Werner von Siemens entwickelte 1866 das dynamoelektrische Prinzip, bei dem der Generator sein eigenes Magnetfeld erzeugt. Damit wurden große Maschinen ohne Dauermagnete möglich. Das war die Grundlage der Elektrifizierung.
Wie ein Kraftwerk daraus Strom macht
In fast allen Kraftwerken treibt eine Turbine den Generator an. Ob die Turbine von Wasserdampf, von Wasser, von Wind oder von Verbrennungsgasen bewegt wird, ändert am Generator nichts. Der Unterschied liegt allein in der Antriebsquelle.
Dampfkraftwerke erhitzen Wasser, der Dampf treibt die Turbine und wird danach wieder abgekühlt. Ob die Wärme aus Kohle, Gas, Biomasse oder Kernspaltung stammt, ist für den Ablauf unerheblich. Der Wirkungsgrad hängt vor allem von Temperatur und Druck ab.
Photovoltaik ist die Ausnahme: Dort entsteht Strom ohne Bewegung direkt im Halbleiter. Ein Generator ist nicht beteiligt. Deshalb liefert sie Gleichstrom, der erst umgewandelt werden muss.
Warum die Netzfrequenz genau stimmen muss
Im europäischen Verbundnetz drehen sich alle Generatoren synchron und erzeugen Wechselstrom mit 50 Hertz. Wird mehr Strom verbraucht als eingespeist, sinkt die Frequenz leicht, im umgekehrten Fall steigt sie. Die Frequenz ist damit ein direktes Maß für das Gleichgewicht.
Netzbetreiber halten sie in einem engen Band um 50 Hertz und regeln laufend nach. Weicht sie zu stark ab, werden automatisch Lasten oder Erzeuger abgeschaltet. Das schützt die Anlagen vor Schäden.
Die Trägheit der großen rotierenden Massen wirkt dabei stabilisierend, weil sie Änderungen verlangsamt. Mit dem Rückgang konventioneller Kraftwerke sinkt diese Trägheit. Deshalb werden zunehmend elektronische Verfahren eingesetzt, die sie nachbilden.
Generator und Motor sind dieselbe Maschine
Eine elektrische Maschine lässt sich in beide Richtungen betreiben: Führt man Bewegung zu, entsteht Strom, führt man Strom zu, entsteht Bewegung. Physikalisch ist es derselbe Aufbau. Nur die Betriebsart unterscheidet sich.
Genau das nutzen Elektrofahrzeuge beim Bremsen: Der Antrieb arbeitet dann als Generator und lädt die Batterie. Fachlich heißt das Rekuperation. Ein Teil der Bewegungsenergie wird so zurückgewonnen.
Dasselbe Prinzip steckt in Pumpspeicherkraftwerken, wo dieselbe Maschine pumpt und später Strom erzeugt. Der Wirkungsgrad über beide Richtungen liegt bei etwa achtzig Prozent. Es ist bis heute der wichtigste großtechnische Stromspeicher.
Notstrom und mobile Geräte
Tragbare Stromerzeuger bestehen aus einem Verbrennungsmotor und einem Generator in einem Gehäuse. Sie liefern typischerweise ein bis zehn Kilowatt und werden auf Baustellen, in Kleingärten und als Notstrom eingesetzt. Der Betrieb in geschlossenen Räumen ist wegen der Abgase lebensgefährlich.
Für empfindliche Geräte sind sogenannte Inverter-Generatoren geeignet, die den erzeugten Strom elektronisch aufbereiten. Einfache Modelle liefern eine unsaubere Spannung, die Netzteile beschädigen kann. Auf dieses Merkmal sollte man beim Kauf achten.
Warum Generatoren gekühlt werden
In den Wicklungen entsteht Wärme, weil auch gute Leiter einen Widerstand haben. Große Kraftwerksgeneratoren werden deshalb mit Wasserstoff oder mit Wasser gekühlt. Ohne Kühlung würde die Isolierung der Wicklungen schnell zerstört.
Wasserstoff wird verwendet, weil er Wärme gut abführt und wenig Reibungsverluste erzeugt. Der Umgang damit verlangt allerdings hohe Sicherheitsvorkehrungen. Kleinere Maschinen kommen mit Luftkühlung aus.
Häufige Fragen
Wer hat den Generator erfunden?
Auf Faradays Entdeckung von 1831 folgten viele Bauformen; Werner von Siemens entwickelte 1866 das dynamoelektrische Prinzip.
Warum 50 Hertz?
Eine historische Festlegung; in Nordamerika sind es 60 Hertz.
Kann ein Motor als Generator arbeiten?
Ja, viele Bauformen funktionieren in beide Richtungen.
Was ist der Wirkungsgrad?
Große Generatoren erreichen über 95 Prozent – die Verluste stecken in der Wärmeerzeugung davor.
Quellen
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