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Title:Windenergie
Description:Ein einf眉hrendes Referat zum Thema Windenergie. Die Funktionsweise von Windkraftanlagen wird erkl盲rt. Dabei wird auch auf Geschichte und Zukunft der Windenergienutzung eingegangen.
Keywords:Windenergie, Windkraft, Windnutzung, regenerative, energien, leistung, windkraftanlagen, windenergieanlagen, WKA, Luv, Lee, Geschichte, Offshore, Windpark, Windparks, Zahlen, Daten, Deutschland, Effizienz, Zweiblattrotor, Einblattrotor, Dreiblattrotor, Rotor
Body:
Windenergie
Windenergie
Roh枚l
Sitemap
Impressum
Inhalt
1. Was ist Wind?
2. Windnutzung
3. Energie und Leistung
4. Das Gesetz von Betz
5. Verschiedene Windkraftanlagen
5.1 Anlagen mit horizontaler Achse
5.2 Anlagen mit vertikaler Achse
6. Technische Einzelheiten
6.1 Leel auml;ufer - (Lee)
6.2 Luvl auml;ufer - (Luv)
6.3 Leistungsregelung
6.4 Bestandteile einer Windkraftanlage
6.5 Optimierung von Windkraftanlagen
7. Geschichte zur Windenergienutzung
8. Offshore-Windparks
9. Zahlen und Daten zur Windenergie
9.4 Anteile der Windkraftanlagenanbieter
9.7 Windkraftanlagen in Deutschland
10. Effizienz von Windkraftanlagen
11. Probleme von Windkraftanlagen
12. Zuk uuml;nftiges zur Windenergienutzung
13. Nachweise und Quellen
ReferatText: copy; Raffael Trappe amp; Yu-Hin Tsang
1. Was ist Wind?
Als quot;Wind quot; bezeichnet man die Luftbewegung, die durch
gro szlig;r auml;umige Luftdruckunterschiede ausgel ouml;st wird.
Diese Luftdruckunterschiede werden durch die Sonneneinstrahlung
hervorgerufen. Luftschichten werden lokal unterschiedlich erw auml;rmt,
dadurch bilden sich Hoch- und Tiefdruckgebiete. Zum Druckausgleich
flie szlig;en dann Luftstr ouml;mungen, die Tr auml;ger der
Bewegungsenergie des Windes (kinetische Energie), vom Hoch- zum
Tiefdruckgebiet. Der Druckausgleich wird auch von
Landschaftsunterschieden beeinflusst. Die Enegieerzeugung durch
Windkraft geh ouml;rt zu den erneurbaren
Energiequellen. Sie ist im Gegensatz zur
Energieerzeugung in Kohle- oder Kernkraftwerken umweltfreundlich.
Jede mit Windkraftanlagen erzeugte kWh spart den Verbrauch fossiler Rohstoffe.
Rohstoffverbrauch f uuml;r eine kWh-Strom:
Braunkohle: 1,2 kg
Steinkohle: 0,3 kg
Angereichertes Uran: 0,0045 kg
Erdgas: 0,22 m sup3;
Schweres Heiz ouml;l: 0,2 l
2. Windnutzung
F uuml;r die Nutzung der Windenergie f uuml;r die Stromerzeugung kommen nur
Gebiete mit ausreichender Windgeschwindigkeit in Betracht. Ab einer
mittleren Windgeschwindigkeit (Jahresdurchschnitt der
Windgeschwindigkeit, gemessen in 10m H ouml;he) von 4-5 m/s kann eine
gute Leistung erzielt werden und die Windkraft ist geeignet
wirtschaftlich Elektrizit auml;t bereitzustellen. Bei niedrigeren
Windgeschwindigkeiten ist das Energieangebot zu gering, als dass
sich eine Nutzung lohnen w uuml;rde. F uuml;r die Standortbeurteilung
ist vor allem die Oberfl auml;chenstruktur der Landschaft wichtig. An
den K uuml;sten herrschen hohe Windgeschwindigkeiten, die aber
landeinw auml;rts durch die Bodenreibung und andere Hindernisse wie
W auml;lder, Bauwerke, unebenes Gel auml;nde oder die Zentren gro szlig;er
St auml;dte schnell abnehmen. Nur auf Bergen, die an die h ouml;heren
und schnelleren Windschichten reichen, werden wieder gr ouml; szlig;ere
Windgeschwindigkeiten gemessen. Die technischen Nutzungsm ouml;glichkeiten
des Windes h auml;ngen jedoch nicht einfach von der mittleren
Windgeschwindigkeit ab. Eine mittlere Windgeschwindigkeit von 5 m/s
kann sich beispielsweise aus einem uuml;ber 24 Stunden konstanten
Wind von 5 m/s ergeben, aber auch aus einem Orkan, der mit 30 m/s vier
Stunden lang tobt und eine darauffolgende 20 st uuml;ndige
Windstille. Es kommt also darauf an, wie h auml;ufig welche
Windgeschwindigkeit auftritt. Im Jahresdurchschnitt sind die Winde am
st auml;rksten und h auml;ufigsten im November, die meisten Flauten
im August und September.
Den g uuml;nstigsten Aufstellungsort findet
man, wenn man sich ein Standortgutachten einholt. Daf uuml;r werden
Windmessungen herangezogen, genauso wie die lokalen Hindernisse
B auml;ume, H auml;user etc. ber uuml;cksichtigt werden m uuml;ssen.
Deshalb sollte der Abstand der Windkraftanlage mindestens 15-20 mal
so gro szlig; wie die H ouml;he des Hindernisses sein oder die H ouml;he
der Windkraftanlage muss h ouml;her gew auml;hlt werden. Um den f uuml;r
die Energienutzung wirksamen Wind richtig zu erfassen ist es wichtig,
in der Nabenh ouml;he der geplanten Anlage zu messen. Die
Windgeschwindigkeit nimmt mit der H ouml;he uuml;ber dem Erdboden
exponentiell in Abh auml;ngigkeit von der Beschaffenheit
des Gel auml;ndes zu. Mit einer Formel lassen sich die Windgeschwindigkeiten in Abh auml;ngigkeit von der
Standardme szlig;h ouml;he (10 m) berechnen.
Beschreibung des Gel auml;ndesExponent a
Offenes Gel auml;nde mit wenigen und niedrigen Hindernissen, z. B. flaches Gras und Ackerland mit nur wenigen B auml;umen, Pr auml;rien, K uuml;sten, flache Inseln inl auml;ndischer Seen, W uuml;sten0,16
Gel auml;nde mit gleichf ouml;rmig gestreuten Hindernissen von 10 bis 15 m H ouml;he, z. B. Wohnsiedlungen, kleine St auml;dte, W auml;lder, Geb uuml;sch, kleine Felder mit B uuml;schen, B auml;umen und Hecken0,28
Gel auml;nde mit gro szlig;en und ungleichm auml; szlig;ig gestreuten Hindernissen, z. B. die Zentren der gro szlig;en St auml;dte, stark unebenes Gel auml;nde mit vielen hohen Hindernissen, wie B auml;ume etc.0,40
vx = v10*(x[m]/10[m])a
v10 = Windge shy;schwindigkeit in 10 m H ouml;he
vx = Windge shy;schwindigkeit in x m H ouml;he
a = Exponent der Bodenrauhigkeita = 0 ... 0,4
in 30 m H ouml;he:v30 = 5,2 m/s*(30[m]/10[m])0,16
v30 = 6,2 m/s
in 40 m H ouml;he:v40 = 5,2 m/s*(40[m]/10[m])0,16
v40 = 6,5 m/s
Als Beispiel wurde ein Standort an der Nordseek uuml;ste mit einer
Windgeschwindigkeit von 5,2 m/s in 10 m H ouml;he berechnet.
2.1 Beschleunigungseffekte: Der Tunnel-Effekt
Wenn wir uns zwischen hohen Geb auml;uden oder auf einem eingeschnittenen
Bergpa szlig; befinden, k ouml;nnen wir den gleichen Effekt
feststellen: Die Luft wird auf der Windseite von Geb auml;uden oder
Bergen komprimiert, und ihre Geschwindigkeit steigt betr auml;chtlich
an, w auml;hrend sie zwischen den Hindernissen hindurchbl auml;st. So
kann eine Windgeschwindigkeit, die in offenem Gel auml;nde z. B. 6 m/s
betr auml;gt, in einem nat uuml;rlichen Tunnel durchaus auf 9 m/s
kommen.
2.2 Beschleunigungseffekte: Der H uuml;gel-Effekt
Auf H uuml;geln ist die Windgeschwindigkeit h ouml;her, als in der
Umgebung. Doch je steiler der H uuml;gel ist desto rauher ist seine
Oberfl auml;che und somit entstehen Turbulenzen. Genauso wie beim
Tunnel-Effekt sollte sich der H uuml;gel sanft an die Landschaft
anpassen, sonst k ouml;nnten die zu gro szlig;en Turbulenzen das Plus
an Geschwindigkeit wieder zunichte machen.
3. Definition von Energie und Leistung
3.1 Energie
Physiker definieren den Ausdruck Energie als die Menge von Arbeit, die ein
physikalisches System verrichten kann. Entsprechend dieser Definition
kann Energie weder erzeugt noch verbraucht oder zerst ouml;rt werden.
Energie kann jedoch in verschiedene Formen umgewandelt werden: Die kinetische
Energie von bewegten Luftmolek uuml;len kann vom Rotor einer
Windkraftanlage in Rotationsenergie umgesetzt werden, diese wiederum
wird durch den angeschlossenen Generator in elektrische Energie
umgewandelt.
Da der gr ouml; szlig;te Teil der Windkraftanlagen Elektrizit auml;t
produziert, messen wir ihre Leistungsf auml;higkeit durch die Menge
an elektrischer Energie, die sie aus der kinetischen Energie des
Windes umwandeln k ouml;nnen. Diese Energie wird gew ouml;hnlich in
Kilowattstunden (kWh) oder Megawattstunden (MWh) f uuml;r einen
bestimmten Zeitraum angegeben, z. B. pro Jahr oder pro Stunde.
So wie bei der Solarenergie uuml;blich, wird der Energieertrag von
Windrotoren auch auf die Bezugsfl auml;che Quadratmeter bezogen.
Dabei ist jeder Quadratmeter der Rotorkreisfl auml;che
gemeint den der drehende Rotor aus der Windstr ouml;mung
herausschneidet. Umso gr ouml; szlig;er dieser Windkreis, desto
besser kann die Bewegungsenergie der Luftstr ouml;mung aufgenommen
werden. Diese Leistungsabgabe pro Quadratmeter Rotorfl auml;che
besagt, wieviel Elektrizit auml;t die Anlage aus der
Leistungsaufnahme pro Quadratmeter Rotorfl auml;che erzeugt.
Ertragszahlen von 100 kWh/m2 bis fast 1500 kWh/m2 Rotorkreisfl auml;che
(GROWIAN, siehe Geschichte der Windenergienutzung) sind zu erzielen.
100 kWh/m2 gilt f uuml;r das Binnenland und f uuml;r eine
Kleinanlage mit einer kleinen Turmh ouml;he, mehr als 1000 kWh/m2
f uuml;r den K uuml;stenstandort und eine gro szlig;e Anlage
mit hoher Turmh ouml;he. Umso gr ouml; szlig;er der Rotordurchmesser,
desto mehr Energie kann man dem Wind entziehen. Die kinetische
Energie des Windes h auml;ngt von der Luftdichte ab. Je quot;schwerer quot;
die Luft ist, umso mehr Energie k ouml;nnen Windkraftanlagen
entnehmen.
Die Turmh ouml;he spielt deshalb eine wichtige Rolle, da der Wind anfangs
mit wachsender H ouml;he uuml;ber Grund bei allen Landschaftsformen
relativ schnell zunimmt. Wirtschaftlich stellt der 100 m hohe Turm
eine Grenzh ouml;he dar, lohnt es sich doch nicht dar uuml;berhinaus
zu gehen. Die enorm wachsenden Turmkosten werden durch das quot;Plus quot;
an Energie bei T uuml;rmen mit uuml;ber 100 m nicht mehr aufgebracht.
Die Windenergie ist mit den genannten Ertragszahlen als regenerative
Energiequelle deshalb so interessant, weil die Solarenergie in
unseren Breiten auf dem Gebiet der W auml;rmeenergie nur ca.
400 kWh/m2 (Solarkollektoren) Energie bereitstellen kann
und die Photovoltaik mit besten Solarzellen (Silizium,
Monokristalline) sogar nur ca. 90 kWh/m2 liefert.
Der Auslastungsfaktor ist eine andere Art zur Feststellung des j auml;hrlichen
Energieertrages einer Windkraftanlage. Hierbei teilt man die
tats auml;chliche Energieproduktion durch den theoretischen,
maximalen Ertrag, wenn die Anlage bei Nennleistung die gesamten 8766
Stunden eines Jahres laufen w uuml;rde.
Bsp.: Anlage mit 600 kW installierter Nennleistung
und einer j auml;hrlichen Energieproduktion von 1,5 Mil. kWh
1500000[kWh]/(365,25 * 24[h] * 600[kW]) = 0,285
Der Auslastungsfaktor dieser Anlage w uuml;rde also 28,5 % betragen.
3.2 Leistung
Elektrische Leistung wird in Watt (W), Kilowatt (kW), Megawatt (MW)
etc. gemessen. Leistung ist Energie pro Zeiteinheit.
Leistung kann zu einem jeden beliebigen Zeitpunkt gemessen werden, w auml;hrend
Energie uuml;ber eine bestimmte Zeitspanne gemessen wird, z. B. eine
Sekunde, eine Stunde oder ein Jahr. Wenn eine Windkraftanlage eine
Nennleistung von 600 kW aufweist, so hei szlig;t das, dass sie 600
Kilowattstunden (kWh) an Energie pro Stunde erzeugt, vorausgesetzt,
da szlig; sie im Nennbetrieb, auch Vollastbetrieb genannt, arbeitet.
Bei starkem Wind mit z. B. mehr als 15 m/s Geschwindigkeit, arbeiten
viele Windkraftanlagen im Nennbetrieb.
Wenn ein Land wie D auml;nemark uuml;ber Windkraftanlagen mit einer
Leistung von z. B. 900 MW verf uuml;gt, so sagt das nicht aus, wieviel
Energie die Generatoren tats auml;chlich produzieren.
Windkraftanlagen laufen vielleicht nur 75 % der Stunden eines Jahres,
und nur einige Stunden pro Jahr arbeiten sie im Nennbetrieb. Um
herauszufinden, wieviel Energie Windkraftanlagen wirklich
produzieren, mu szlig; man die Verteilung der Windgeschwindigkeiten
f uuml;r jede Anlage kennen. Im Falle von D auml;nemark erhalten wir
durchschnittlich 2300 Stunden im Vollastbetrieb. Man braucht also nur
die 1500 kW installierte Leistung einer Anlage mit den 2300 Stunden
Vollastdauer zu multiplizieren und erhalten 3450000 kWh = 3,45 GWh
Energie pro Jahr. Das reicht aus um 1000-1500 Vier-Personen-Haushalte
mit elektrischer Energie zu versorgen.
In anderen Gebieten wie in Wales, Schottland oder im Westen von Irland
wird eine Vollastdauer von 3000 Stunden oder mehr erzielt. In
Deutschland liegt diese Zahl n auml;her bei 2000 Stunden.
4. Das Gesetz von Betz
Je mehr kinetische Energie dem Wind von einer Windkraftanlage entzogen
wird, umso st auml;rker wird der Wind abgebremst. Wenn wir versuchten,
die gesamte Energie aus dem Wind zu gewinnen, dann h auml;tte die
Luft hinter dem Rotor die Geschwindigkeit null, d. h. sie w uuml;rde
die Windkraftanlage nicht verlassen. In diesem Fall k ouml;nnten wir
dem Wind uuml;berhaupt keine Energie entziehen, da auf der anderen
Seite keine Luft mehr auf den Rotor einstr ouml;men k ouml;nnte.
Dieses Modell ist in der Realit auml;t aber nicht umsetzbar.
Man kann deshalb annehmen, dass man nur einen bestimmten Anteil der
kinetischen Energie des Windes in mechanische Energie umwandeln kann.
Das Betzsche Gesetz besagt, da szlig; eine Windkraftanlage h ouml;chstens
16/27 (oder 59,3 %) der kinetischen Energie des Windes in mechanische
Energie umwandeln kann. 85 % dieses Bestwertes bringen die heutigen
modernen Windkraftanlagen mit horizontaler Achse. Anlagen mit
vertikaler Achse bleiben aus physikalischen Gr uuml;nden unter diesen
Werten.
Dieses Gesetz stammt von dem deutschen Physiker Albert Betz und wurde von
ihm im Jahr 1919 formuliert. Sein Buch quot;Wind-Energie quot;,
welches 1926 erschien, gibt einen guten Uuml;berblick uuml;ber
Windenergie und Windkraftanlagen in dieser Zeit.
Es ist eigentlich uuml;berraschend, da szlig; man in der Lage ist, eine
derart allgemeine Aussage zu treffen, die f uuml;r alle
Windkraftanlagen mit einem scheiben auml;hnlichen Rotor g uuml;ltig
ist.
Die ideale Windkraftanlage bremst den Wind also um 1/3 seiner
urspr uuml;nglichen Geschwindigkeit herab.
5. Verschiedene Arten von Windkraftanlagen
5.1 Anlagen mit horizontaler Achse
5.1.1 Windm uuml;hle
Bei der Windm uuml;hle
bl auml;st der Wind gegen 4-24 breite Fl uuml;gel. Sie wurde zur
mechanischen Energienutzung verwendet, z. B. zum Getreidemahlen oder
zum Antrieb von Wasserpumpen. Die Kraft der horizontal verlaufenden
Hauptachse wird durch eine Reihe von Zahnr auml;dern und Wellen auf
die M uuml;hle im unteren Teil des Geb auml;udes uuml;bertragen.
Die Windr auml;der laufen schon bei niedrigen Windgeschwindigkeiten an,
sie werden als quot;Lang-saml auml;ufer quot; bezeichnet, da eine
Fl uuml;gelspitze im Betrieb ungef auml;hr so schnell uml auml;uft,
wie der Betrag der Windgeschwindigkeit selbst.
Die Fl uuml;gel haben eine starre Befestigung, k ouml;nnen deshalb die
Energie des Windes nicht optimal ausnutzen.
5.1.2 Dreiblattrotor
Die mei szlig;ten modernen Windkraftanlagen haben drei Rotorbl auml;tter.
Diese sind, auml;hnlich wie Flugzeugtragfl auml;chen, aerodynamisch
optimiert. Im Gegensatz zu den Windm uuml;hlenfl uuml;geln k ouml;nnen
die neuen Rotorbl auml;tter einen gr ouml; szlig;eren Anteil der
Bewegungsenergie der Luftstr ouml;mung nutzbar machen. Sie werden als
Schnell auml;ufer bezeichnet, weil die Umfangsgeschwindigkeit einer
Rotorblattspitze im Normalbetrieb 6-12 mal so gro szlig; ist, wie
die aktuelle Windgeschwindigkeit. Bei Langsaml auml;ufern kann man
sagen, dass jedes zus auml;tzliche Fl uuml;gelblatt auch mehr
Leistung bringt, da der Startmoment dieser Windr auml;der damit
beschleunigt wird. Schnell auml;ufer mit wenigen Rotorbl auml;ttern
haben dagegen Startprobleme. Da der Rotor aber 40 % des Gesamtsystems
kostet, uuml;berlegt man sich lieber mit wieviel Rotorbl auml;ttern
man seine Anlage ausstattet. Der Dreiblattrotor hat aber eine bessere Windaufnahme als der Ein- oder Zweiblattrotor,
da die Luftstr ouml;mung nicht so schnell abreist.
Das Bild links zeigt eine d auml;nische NEG Micon Anlage mit drei Rotorbl auml;ttern. Sie
hat eine installierte Leistung von 1,5 MW. Der Rotordurchmesser
betr auml;gt 64 m.
5.1.3 Zweiblattrotor
Windkraftanlagen mit zwei Rotorbl auml;ttern haben den Vorteil, dass man sich die
Kosten f uuml;r ein Blatt und dessen Gewicht sparen kann. In letzter
Zeit setzen die Hersteller aber fast nur noch auf Dreiblattrotoren.
Warum sich der Zweiblattrotor nicht durchsetzt ist erstens auch darauf
zur uuml;ckzuf uuml;hren, dass er f uuml;r den gleichen Energieertrag
eine h ouml;here Drehzahl ben ouml;tigt. Weiterhin gibt es ein
Stabilit auml;tsproblem, wenn sich ein Rotorblatt in der obersten
Position befindet und das andere genau vor dem Turm steht.
5.1.4 Einblattrotor
Vom Einblattrotor gibt es nur sehr wenige Ausf uuml;hrungen. Da er nur
einen Fl uuml;gel hat ben ouml;tigt er einen Gegengewichtsarm. Seine
Umdrehungsphase ist ungleichf ouml;rmig wodurch Material und
Getriebe ebenfalls ungleichf ouml;rmig belastet werden. Aufgrund der
besseren Aerodynamik setzt man nur auf Zwei- und Dreiblattrotoren.
Das Bild links zeigt den Einblattrotor quot;Monopteros quot;.
Rechts der Kopf eines Einblattrotors mit dem Gegengewichtsarm.
5.2 Anlagen mit vertikaler Achse
5.2.1 Darrieus-Rotor
Der Darrieus-Rotor arbeitet mit vertikaler Rotationsachse. Die Leistung gegen uuml;ber
Horizontal-Achsen-Anlagen ist aber wesentlich geringer, da die 2 oder
3 seilkurvenf ouml;rmig gekr uuml;mmten Rotorbl auml;tter einen
halben Kreisumfang gegen den Wind machen m uuml;ssen. Ein weiterer
Nachteil der Anlagen besteht darin, dass sie nicht von alleine
anlaufen. Sie ben ouml;tigen deshalb zuerst Fremdenergie, um sich in
Bewegung zu setzen. Au szlig;erdem ist die Windgeschwindigkeit in
Bodenn auml;he relativ gering, was die Kostenersparung eines Turmes
nicht ausgleicht. Generator, Getriebe etc. befinden sich auf dem
Boden, wodurch z. B. die Wartung erleichtert wird.
Der gr ouml; szlig;te
Vorteil dieser Anlagen liegt aber daran, dass sie ohne einen
Mechanismus zur Windnachf uuml;hrung auskommen. Wenn sich die
Windrichtung oder Geschwindigkeit also auml;ndert, stellt das f uuml;r
die Darrieus-Anlagen kein Problem dar.
Die mei szlig;ten Darrieus-Rotoren sind in Amerika zu finden und eignen
sich gut f uuml;r Pumpen.
Hier sieht man eine ehemalige Testanlage der Firma Dornier. Sie
steht in Friedrichshafen und hat einen 12 m Durchmesser.
5.2.2 Savonius-Rotor
Er besteht aus zwei zylindrischen Halbschalen und ist von K uuml;hlwaggons
der Bahn und von K uuml;hllastwagen bekannt. Heute aber nur noch sehr
selten zu finden. Das Bild zeigt das Savonius-Prinzip.
6. Technische Einzelheiten der Windkraftanlagen
Die technischen Einzelheiten beziehen sich ausschlie szlig;lich auf
Anlagen mit horizontaler Achse, da alle modernen kommerziellen
Anlagen f uuml;r den Netzbetrieb mit dieser horizontalen
Antriebswelle hergestellt werden.
6.1 Leel auml;ufer
Leel auml;ufer haben ihren Rotor auf der windabgewandten Seite der Anlage - der
Leeseite. Sie haben den theoretischen Vorteil ohne Nachf uuml;rmechanismus
auszukommen, wenn Rotor und Gondel so konstruiert sind, dass sie dem
Wind passiv folgen. In der Praxis kann das aber zu Problemen, mit der
Kabelverlegung im Turm f uuml;hren, wenn sich die Anlage eine l auml;ngere
Zeit in eine Richtung dreht. Deshalb gibt es einen Verwindungsz auml;hler,
der der Anlage mitteilt, wann sie die Kabel wieder gerade drehen mu szlig;.
Ein Vorteil ist, dass die Rotorbl auml;tter flexibler
sein k ouml;nnen. Dies ist in Bezug auf Gewicht und Leistungsdynamik
ein Vorteil, da sie sich bei hohen Windgeschwindigkeiten etwas biegen
und so eine Teilbelastung des Turmes abfangen. Aufgrund dieser
Tatsache k ouml;nnen Leel auml;ufer billiger gebaut werden als
Luvl auml;ufer. Doch der gro szlig;e Nachteil ist der Windschatten
des Turmes, durch den die Leistung der Anlage abf auml;llt, wenn ein
Rotorblatt ihn durchf auml;hrt.
6.2 Luvl auml;ufer
Bei Luvl auml;ufern sitzt der Rotor auf der windzugewandten Seite der
Anlage - der Luvseite. Der Vorteil von Luvl auml;ufern besteht darin,
dass sie vom Windschatten des Turmes nicht beeinflusst werden. Der
Nachteil ist, dass der Rotor ziemlich starr sein mu szlig; und eine
gewisse Distanz zum Turm ben ouml;tigt, da es sonst zu
unkontrollierbaren Windverwirbelungen kommen kann. Au szlig;erdem ist
bei Luvl auml;ufern ein Mechanismus zur Windnachf uuml;hrung
notwendig, um den Rotor immer genau im Wind zu halten. Der weitaus
gr ouml; szlig;te Teil aller Windkraftanlagen ist nach dem
Luvl auml;ufer-Prinzip gebaut.
6.3 Leistungsregelung von Windkraftanlagen
Windkraftanlagen werden so gebaut, dass sie bei einer Windgeschwindigkeit von 15 m/s
den maximalen Ertrag erzielen. Es lohnt sich nicht den maximalen
Ertrag f uuml;r Anlagen auf eine h ouml;here Windgeschwindigkeit
auszulegen, da diese zu selten vorkommt. Man versucht, abh auml;ngig
von der Windgeschwindigkeit, die Anlagen immer auf dem selben Leistungsniveau zu halten. Daf uuml;r
gibt es folgende Regelungen:
6.3.1 Pitch-Regelung
Wenn der Wind zu stark wird startet automatisch eine Blattwinkelregelung.
Dabei werden die Rotorbl auml;tter um ihre L auml;ngsachse gedreht.
Somit wird die Angriffsfl auml;che bei starkem Wind verkleinert und
bei schw auml;cherem Wind vergr ouml; szlig;ert.
6.3.2 Passive Stall-Regelung
Hier sind die Rotorbl auml;tter mit einem fixen Winkel an der Nabe
befestigt. Die Rotorbl auml;tter sind aerodynamisch aber so
gefertigt, dass sich bei zu starkem Wind an der windabgewandten
Seite der Bl auml;tter Turbulenzen bilden. Dieser Str ouml;mungsabri szlig;
l auml; szlig;t die Auftriebskraft, die den Rotor antreibt,
zusammenbrechen.
6.3.3 Aktive Stall-Regelung
Immer mehr gro szlig;e Windkraftanlagen mit einer Leistung von 1 MW und
h ouml;her werden mit einer aktiven Stall-Regelung ausgeliefert. Es
ist eine Mischung zwischen Pitch-Regelung und passiver
Stall-Regelung. Die Rotorbl auml;tter k ouml;nnen also einen
Str ouml;mungsabri szlig; erzeugen und sich um ihre L auml;ngsachse
drehen. Der Vorteil ist, dass man die Leistungsabgabe genauer regeln
kann und es, wie bei der passiven Stall-Regelung, keinen
Leistungsabfall beim Str ouml;mungsabri szlig; gibt.
Tritt ein sehr starker Sturm oder Orkan auf, werden die Windkraftanlagen im
Notfall durch mechanische Bremsen zum Stillstand gebracht und
abgeschaltet, da sonst z. B. der Generator uuml;berhitzt wird. Eine
andere M ouml;glichkeit ist das aerodynamische Bremssystem. Bei
Anlagen mit Pitch-Regelung und aktiver Stall-Regelung werden die
Rotorbl auml;tter um rund 90 deg; um ihre L auml;ngsachse gedreht,
wodurch sie die Windstr ouml;mung so gut wie nicht mehr nutzen
k ouml;nnen. Bei passiver Stall-Regelung werden nur die Blatt-Spitzen
um 90 deg; verdreht. Das aerodynamische Bremssystem ist sehr sicher,
es stoppt den Rotor innerhalb weniger Umdrehungen.
6.4 Bestandteile einer Windkraftanlage
6.4.a Turm
H ouml;here T uuml;rme steigern generell die Energieproduktion der Anlage, weil
die Windgeschwindigkeit in der H ouml;he zunimmt. Zu gro szlig;en
Anlagen nimmt man auch einen gro szlig;en Turm. Man muss aber
auf die Kosten achten, da 10 m Turm etwa 15000 EUR kosten. Ein 50 m Turm
wiegt etwa 40 Tonnen, bei 60 m sind es schon 80 Tonnen. Man verwendet
bei den mei szlig;ten Windkraftanlagen konische Stahlrohrt uuml;rme,
das bedeutet der Durchmesser steigt zum Boden hin. Diese werden in
20 m bis 30 m St uuml;cken zum Aufstellungsort transportiert. Dort werden
sie dann mit dem Betonfundament verschraubt. Andere M ouml;glichkeiten
sind Gittert uuml;rme oder abgespannte Masten, da diese aber nicht
sehr stabil sind und auch nicht gut aussehen, werden sie kaum noch
benutzt. Au szlig;erdem hat man bei den Stahlrohrt uuml;rmen den
Vorteil, dass man einfacherer und sicherer Wartungsarbeiten
durchf uuml;hren kann.
6.4.b Gondel
Die Gondel, also das Geh auml;use, beinhaltet die wichtigsten Teile einer
Windkraftanlage wie Getriebe und Generator. Das Wartungspersonal kann
vom Turm aus in die Gondel einsteigen.
6.4.c Rotorbl auml;tter
Die Rotorbl auml;tter nehmen die Windenergie auf. Die Bewegung wird auf
die Nabe uuml;bertragen. Moderne Rotorbl auml;tter von gro szlig;en
Windkraftanlagen werden aus glasfaserverst auml;rktem Kunststoff
(GFK) hergestellt, z. B. aus glasfaserverst auml;rktem Polyester oder
Epoxid. Eine andere M ouml;glichkeit ist die Verwendung von
Kohlefaser oder Aramid (Kevlar), gew ouml;hnlich ist das aber f uuml;r
gro szlig;e Anlagen unwirtschaftlich. Auf dem Bild sieht man eine
Anlage mit einem Rotordurchmesser von 64 m.
6.4.d Rotornabe
In der Rotornabe sind die Rotorbl auml;tter befestigt. Die Rotornabe ist
mit der langsamlaufenden Antriebswelle des Getriebes verbunden.
6.4.e Langsamlaufende Antriebswelle
Die langsamlaufende Antriebswelle der Windkraftanlage verbindet die Nabe
mit dem Getriebe. Bei einer 600 kW-Anlage dreht sich der Rotor relativ
langsam, mit ca. 19 bis 30 Umdrehungen pro Minute. Die Welle
beinhaltet Hydraulikleitungen, welche die aerodynamischen Bremsen
versorgen.
6.4.f Getriebe
Das Getriebe liegt zwischen langsamer Antriebswelle und schneller
Abtriebswelle. Hier wird die relativ niedrige Drehzahl der
langsamlaufenden Antriebswelle in eine h ouml;here umgesetzt, damit
der Generator eine h ouml;here Leistung erzielen kann. Das
Uuml;bersetzungsverh auml;ltnis betr auml;gt rund 1:50.
6.4.g Schnellaufende Abtriebswelle
Die schnellaufende Abtriebswelle rotiert mit ungef auml;hr 1500 U/min und
treibt den elektrischen Generator an. Sie ist mit einer mechanischen
Scheibenbremse f uuml;r Notbremsungen ausger uuml;stet. Diese Bremse
wird ben uuml;tzt, wenn die aerodynamische Bremse versagt oder wenn
die Anlage repariert wird.
6.4.h Generator
Der Generator verwandelt mechanische Energie in elektrische Energie.
Generatoren f uuml;r Windkraftanlagen sind im Vergleich zu
herk ouml;mmlichen Kraftwerksgeneratoren im Netzverband etwas
ungew ouml;hnlich, da sie mit der schwankenden mechanischen Leistung,
also dem Drehmoment des Rotors arbeiten m uuml;ssen. Die
schnellaufende Abtriebswelle ist im Generator mit Magneten best uuml;ckt.
Im Stator (der silberfarbenen Einheit) sind Spulen
kreisf ouml;rmig verteilt. Wenn man die Zahl der Magneten verdoppelt
kann man erreichen, dass das Magnetfeld mit der halben
Geschwindigkeit rotiert, die Drehzahl des Generators kann also
niedriger sein.
Im Generator kann dann durch Induktion eine Spannung
erzeugt werden. Diese Spannung wird anschlie szlig;end mit einem
Transformator, der sich im Turm oder in der N auml;he der Anlage
befindet, auf 10000 V bis 30000 V hochtransformiert. Die Transformation
hat den Vorteil, dass die gleiche Leistung mit einem geringeren Strom
erzeugt werden kann und so die Netzeinspeisung vereinfacht wird. Es
gibt Anlagen mit einer Frequenz von 50 Hz, f uuml;r die mei szlig;ten
elektrischen Netze der Welt, oder mit 60 Hz f uuml;r Amerika.
6.4.i Elektronischer Regler
Der elektronische Regler beinhaltet einen Computer, der st auml;ndig das
Verhalten der Anlage uuml;berpr uuml;ft und die Windnachf uuml;hrung
steuert. Im Fall eines Problems (z. B. Uuml;berhitzung des Getriebes
oder des Generators) stoppt er die Anlage automatisch und informiert
via Telefonverbindung den Computer des Betreibers.
6.4.j Hydrauliksystem
Das Hydrauliksystem wird ben ouml;tigt, um die aerodynamischen Bremsen
wieder freizugeben.
6.4.k Windnachf uuml;hrung
Die Einrichtung f uuml;r die Windnachf uuml;hrung verwendet einen
Elektromotor, um die Gondel mit dem Rotor immer richtig in den Wind
zu drehen. Dieser Drehkranz, links im Bild, sitzt
zwischen Gondel und Turm und wird vom Elektromotor angetrieben.
6.4.l Anemometer und Windfahne
Das Anemometer und die Windfahne werden zur Messung der
Windgeschwindigkeit und Windrichtung eingesetzt. Der elektronische
Regler verwendet die elektrischen Signale des Anemometers dazu, um
die Anlage einzuschalten. Bei einer Geschwindigkeit von mehr als
25 m/s wird die Anlage automatisch abgeschaltet, um Sch auml;den zu
vermeiden.
6.4.m K uuml;hlsystem
Generatoren werden durch Wasser- oder Luftk uuml;hlung vor Uuml;berhitzung
gesch uuml;tzt.
6.4.x Netzanbindung
Die Netzanbindung kann direkt oder indirekt erfolgen. Direkte
Netzanbindung hei szlig;t, dass der Generator direkt mit dem
Wechselstrom des Netzes verbunden ist. Das hat den Nachteil, dass die
Anlage immer mit der ziemlich gleichen Drehzahl arbeiten muss. Indirekte
Netzanbindung bedeutet, dass der Generatorstrom durch eine Reihe
elektronischer Bauteile fliessen muss, welche den Strom an den
Netzstrom anpassen. Der Nachteil sind die hohen Kosten. Man ben ouml;tigt
einen Gleichrichter und zwei Wechselrichter, einen zur Regelung des
Statorstromes und einen zweiten zur Umwandlung des erzeugten Stromes
auf Netzfrequenz. Die Grafik zeigt den Prozess bis zur Netzfrequenz.
6.5 Optimierung von Windkraftanlagen
Man wei szlig;, dass wenn man den Rotordurchmesser
verdoppelt, eine viermal so gro szlig;e Fl auml;che erh auml;lt. Das
bedeutet, dass auch die Leistung vervierfacht wird. Die Gr ouml; szlig;e
des Rotordurchmessers wird aber auf die lokalen Windverh auml;ltnisse
optimiert. Ein gr ouml; szlig;erer Generator braucht nat uuml;rlich
mehr Leistung, also st auml;rkere Winde, um sich uuml;berhaupt zu
drehen. Wenn wir also eine Anlage in einer Gegend mit wenig Wind
aufstellen wollen, k ouml;nnen wir die j auml;hrliche
Energieproduktion dadurch optimieren, dass wir einen relativ kleinen
Generator f uuml;r eine gegebene Rotorgr ouml; szlig;e verwenden. Der
Grund, warum wir von einem relativ kleinen Generator in einem Gebiet
mit weniger Wind mehr Energie erhalten, liegt darin, dass die Anlage
einfach mehr Stunden pro Jahr l auml;uft.
Ein kleiner Generator kann mit weniger Kraft (Drehmoment) gedreht werden
als ein gro szlig;er Generator. Wenn wir einen gro szlig;en Rotor an einen
vergleichsweise kleinen Generator anschlie szlig;en, wird dieser sehr
viele Stunden im Jahr Elektrizit auml;t produzieren. Er wird aber nur
einen kleinen Teil des Energiegehaltes in Strom verwandeln k ouml;nnen,
wenn die Windgeschwindigkeit sehr gro szlig; ist. Andererseits ist
ein gro szlig;er Generator bei hohen Windgeschwindigkeiten sehr
effizient, aber bei schwachem Wind wird er sich nicht drehen. Deshalb
sehen sich die Hersteller von Windkraftanlagen die Verteilung der
Windgeschwindigkeiten genau an und sie berechnen den Energiegehalt
des Windes f uuml;r verschiedene Windgeschwindigkeiten, um die
Idealkombination von Rotor- und Generatorgr ouml; szlig;e am
jeweiligen Standort herauszufinden.
7. Die Geschichte zur Windenergienutzung
Schon 3000 v. Chr. nutzten die alten Auml;gypter die Kraft des
Windes, als man mit Segelschiffen gr ouml; szlig;ere Strecken uuml;ber
das Meer zur uuml;cklegen wollte.
Erst 1000 v.Chr. gab es die ersten Windm uuml;hlen, die mechanische
Energie erzeugten, z.B. Getreide mahlen.
Im 7. Jhr. n. Chr. wurden schon von den Persern Windm uuml;hlen mit
vertikaler Achse verwendet.
Seit dem 12. Jhr. gab es Windm uuml;hlen mit horizontaler Achse in
Europa, die sogenannten quot;Bockwindm uuml;hlen quot;, sie hatten den
Rotor unver auml;nderlich immer in der gleichen Position. Somit
waren sie stark von der Windrichtung abh auml;ngig.
14. Jhr.:
Der Windwagen des Italieners Guido von Vigevano. Der Windwagen
sollte wahrscheinlich zu milit auml;rischen Zwecken eingesetzt
werden. Der Rotordurchmesser der Windfl uuml;gel betrug ca. 6 m bis 8 m. Bei
passendem Wind k ouml;nnte der Wagen eine Geschwindigkeit bis zu
50 km/h erreicht haben.
Im 18. und 19. Jhr. standen
schon uuml;ber 10000 Windm uuml;hlen im holl auml;ndischen
und norddeutschen K uuml;stengebiet.
1891: Poul la Cour (1846-1908) gilt als der Vater der modernen
Windkraftanlagen f uuml;r die Stromerzeugung. Im Jahr 1891 baute er
die weltweit erste
Windkraftanlage zur Erzeugung von Elektrizit auml;t.
La Cour war auch einer der Pioniere der modernen Aerodynamik und
verf uuml;gte uuml;ber einen eigenen Windkanal f uuml;r seine
Experimente.
Um 1900 standen vor allem in Amerika viele Windr auml;der, die
quot;western mills quot;. Mit ihren vielfl uuml;geligen
Blechrotoren eigneten sie sich besonders gut als Wasserpumpen. Ihr
direkter mechanischer Antrieb eignet sich f uuml;r einen
Grundwasserspiegel bis 35 m Tiefe.
Mit Hilfe der Windfahne wurde der Turmkopf mit den Fl uuml;geln immer der
Windrichtung nachgef uuml;hrt.
Bis 1930 wurden die Windr auml;der wegen der immer wechselnden
Windrichtung von Wasserr auml;dern, Dampfmaschinen und schlie szlig;lich
Turbinen verdr auml;ngt.
Um 1930 hatte Hermann Honnef als Erster die Idee,
Windkraftanlagen auf dem Wasser zu errichten, die sogenannte
quot;Offshore quot;-Aufstellung.
1931 hatte der franz ouml;sische Ingenieur Georges Darrieus seine Idee von
Windkraftanlagen mit vertikal verlaufender Hauptachse zum Patent
angemeldet.
In den Jahren 1940-1950 geh ouml;rte die d auml;nische
Firma F.L. Smidth zu den Pionieren der Windenergie, sie
fertigten Windkraftanlagen mit zwei und drei Rotorbl auml;ttern.
1942 hatte Ulrich H uuml;tter, seiner Zeit Dozent an der Ingenieurschule
Weimar, die Theorie aufgestellt, alle modernen quot;Freifahrenden
Turbinen quot; mit 2 oder 3 Rotorbl auml;ttern zu best uuml;cken.
1957 gab es das quot;Urmodell quot; der modernen Windkraftanlagen, die
StGW-34, nach Ulrich H uuml;tter.
1958 setzte Ulrich H uuml;tter die quot;Offshore quot;-Aufstellung von
Windkraftanlagen das erste Mal um und lie szlig; auf einer
Ouml;lplattform im Golf von Mexiko die Allgaier WE10KW-Anlage
bauen. Dort ersetzte sie ein Dieselaggregat.
1980 wurde GROWIAN
in Brunsb uuml;ttel gebaut. Die Grosse Windenergieanlage
stand auf dem Kaiser-Wilhelm-Koog bei Marne an der Nordseek uuml;ste.
Sie hatte bei einem 100 m hohen Turm einen Rotordurchmesser von
ebenfalls 100 m. GROWIAN sollte sich bei einer Windgeschwindigkeit von
5,4 m/s einschalten und eine Leistung von 3 MW haben. Doch 1987 wurde
GROWIAN aufgrund zuvieler Pannen abgerissen (Wind war zu stark, das
Material zu schwach).
1990: Nach den Problemen mit GROWIAN errichtete man auf der Insel
Helgoland einen kleineren Nachfolger, genannt GROWIAN II oder WKA-60.
Doch auch beim kleinen GROWIAN gab es Probleme mit Blitzschlag an den
CFK-Rotorbl auml;ttern. Die Anlage sollte eine Leistung von 1,2 MW
bringen.
Seit 1996 werden immer mehr Windparks errichtet, bei denen
Windkraftanlagen r auml;umlich konzentriert werden, so kann die
Stromerzeugung optimal genutzt werden.
Als Beispiel wurden im
US-Bundesstaat Iowa 275 Windkraftanlagen installiert. Sie
sollen 100000 MWh pro Jahr liefern. Nach Angaben lokaler Beh ouml;rden
handelt es sich um das bis 2001 gr ouml; szlig;te Windkraft-Projekt
der Erde. Amerika war bei riesigen Windparks schon immer vorne mit
dabei, so wurden in den 80er Jahren tausende von
Windkraftanlagen nach Kalifornien geliefert. In Palm
Springs wurden uuml;ber 1000
dieser Micon 55 kW Anlagen installiert.
Rund die H auml;lfte der
in Kalifornien aufgestellten Windkraftanlagen sind d auml;nischer
Herkunft. Mit dem Auslaufen des kalifornischen F ouml;rderprogrammes
im Jahre 1985 verschwand der amerikanische Markt uuml;ber Nacht.
Seither gab es nur mehr wenige kleine Installationen, obwohl der
Markt in letzter Zeit anscheinend wieder etwas w auml;chst.
Bis zur Jahrtausendwende war Deutschland der wichtigste Markt der Welt und auch das
Land mit der meisten installierten Leistung aus Windkraft.
Seit 1997 werden in sehr kalten Gebieten auch schwarze Rotorbl auml;tter
verwendet, da es so nicht so schnell zum Eisansatz kommt. Das
Sonnenlicht wird nicht so stark reflektiert, wie bei hellen
Rotorbl auml;ttern.
1998 wurde in Holtriem, Ostfriesland, der bis dahin gr ouml; szlig;te Windpark
Europas fertiggestellt. Zum Einsatz kommen 35 ENERCON-66 Anlagen mit
je 1,5 MW Leistung.
Nach 2001 wurden immer mehr Megawatt-Anlagen hergestellt. Wo der Standard davor
noch bei 400 kW bis 700 kW-Anlagen lag, geht der Trend zu
Megawatt-Anlagen. Neben der deutschen Enercon GmbH bieten die
d auml;nischen Hersteller NEG Micon, Bonus Energy und Vestas Wind
Systems schon seit 2001 2 MW-Anlagen an. Die d auml;nische Nordex AG hatte im Jahr 2001
sogar schon eine 2,5 MW Anlage im Angebot. Die Anlagen arbeiten immer
effizienter und werden weiter optimiert.
8. Offshore-Windparks
Da die Windverh auml;ltnisse auf dem Meer besonders g uuml;nstig sind,
werden zunehmend Offshore-Windparks geplant, sie nutzen die dort vorhandenen hohen und relativ konstanten
Windgeschwindigkeiten aus. Die Oberfl auml;che von Meeren und Seen
ist verst auml;ndlicherweise sehr glatt, deshalb ist die Rauhigkeit
bei schwachem (und konstantem) Wind gering. Bei st auml;rker
werdendem Wind wird ein Teil der Windenergie zur Wellenbildung
benutzt, d. h. die Rauhigkeit steigt an. Nachdem die Wellen gebildet
sind, nimmt die Rauhigkeit wieder ab.
Aufgrund der geringen Rauhigkeit sind die Windverwirbelungen auf dem Meer
sehr schwach, d. h. die Windgeschwindigkeit auml;ndert sich nicht
sehr stark mit der Nabenh ouml;he einer Anlage. Deshalb ist es hier
sinnvoll, relativ niedrige T uuml;rme zu benutzen.
Die deutsche Umweltkontor Renewable Energy AG plant, in Zusammenarbeit
mit einem spanischen und einem schweizerischen Unternehmen, im
Atlantik in der N auml;he von Cadiz, einen Offshore-Windpark auf
einem 50 km2 gro szlig;en Areal zu errichten. Geplant sind zun auml;chst
100 Anlagen mit einer Nennleistung von mindestens 2 MW. Das
Projektvolumen w uuml;rde sich danach auf 200 MW belaufen. Die
Entfernung der Windenergieanlagen zur K uuml;ste betr auml;gt 15 km bis 25 km,
die Wassertiefen liegen bei 15 m bis 25 m. Die Realisierung sollte ab 2005
erfolgen. Die Gesamtinvestition f uuml;r dieses Projekt wird bei
300 Mio EUR bis 350 Mio. EUR liegen.
Neben diesem Projekt soll auch das Umweltkontor-Projekt quot;Adlergrund quot;,
nord ouml;stlich von R uuml;gen, von 69 Windkraftanlagen auf 155
erweitert werden. Die Nuzfl auml;che wird von 40 km2 auf
60 km2 vergr ouml; szlig;ert, die Gesamtnennleistung soll
sich dann auf 540 MW belaufen. Die Gesamtinvestitionen steigen somit
auf ca. 1,5 Mrd. EUR an. Nach der derzeitigen Planung sollen Anlagen
mit einer Nennleistung von 3,5 MW und einem Rotordurchmesser von 100 m
installiert werden.
Nach dem d auml;nischen quot;Aktionsplan 21 quot; sollen noch vor dem
Jahr 2027, Offshore-Windkraftanlagen mit einer Gesamtleistung von 4000 MW in
Betrieb gehen. D auml;nemark will dann mit seinen gesamten
Windkraftanlagen 50 % seines gesamten Elektrizit auml;tsverbrauchs
durch Windenergie abdecken.
Da Offshore-Winde normalerweise um 50 % mehr Energie enthalten als die
Winde von vergleichbaren, nahen Standorten im Flachland, ist die
Nutzung von Offshore-Energie recht attraktiv.
9. Zahlen und Daten zur Windenergie
Im Jahr 2001 arbeiteten weltweit uuml;ber 55000 Anlagen mit einer
installierten Leistung von etwa 14000 MW. Europa hatte dabei einen
Anteil von etwa 10000 MW. Die Windenergienutzung
in Deutschland ist in den letzten Jahren sehr stark
angestiegen, sie kommt auf etwa 5500 MW installierter Leistung und
macht dabei uuml;ber ein Drittel der totalen Kapazit auml;t aus.
Deutschland ist zur Zeit der wichtigste Windenergiemarkt der Welt.
Die Anzahl der Windkraftanlagen in Deutschland ist im Jahr 2000 auf
etwa 9000 angestiegen.
9.1 Gesamtzahl der Windkraftanlagen in Deutschland
9.2 Gesamtleistung in MW
9.3 Durchschnittswert der installierten Leistung pro Windkraftanlage in kW
9.4 Anteile der Windkraftanlagen Anbieter in Deutschland mit den installierten Einheiten zwischen 1982 und 1999
9.5 Anteile der Windkraftanlagen Anbieter in Deutschland mit der installierten Leistung zwischen 1982 und 1999
9.6 Anteile der Windkraftanlagen Anbieter in Deutschland mit der installierten Leistung 1999
9.7 Windkraftanlagen in Deutschland
Installierte LeistungWKA%MW%GWh%
5 - 80 kW7468,943,10,9560,6
80,1 - 200 kW6207,494,21,91671,8
200,1 - 400 kW85910,3227,84,64274,6
400,1 - 750 kW460755,12580,152,0481751,5
Mehr als 750 kW152418,22013,240,6388741,5
Diese Tabelle (Stand: 30.6.2000) zeigt die Anzahl der Windkraftanlagen
(WKA) in Deutschland, unterteilt in ihre Leistungsklasse, mit der
gesamten installierten Leistung und dazu in der letzen Spalte den
j auml;hrlichen Energieertrag, der in das Versorgungsnetz eingespeist
wurde. Man erkennt, dass die gro szlig;en Anlagen sehr effizient
arbeiten.
9.8 Deutschlandweite Nutzung von Windkraft
BundeslandEnergie shy;verbrauch in GWh(von 1998)M ouml;g shy;licher j auml;hr shy;licher Energie shy;ertrag von Wind shy;kraft shy;an shy;lagen in GWhAn shy;teile des ge shy;sam shy;ten Energie shy;ver shy;brauchs, be shy;reit shy;ge shy;stellt von WKA in %
Schleswig-Holstein13131248518,9
Mecklenburg-Vorpommern617571811,6
Niedersachsen4619227155,9
Sachsen-Anhalt128687055,5
Brandenburg137306875,0
Th uuml;ringen99022382,4
Sachsen184733742,0
Rheinland-Pfalz256472441,0
Hessen329572400,7
Nordrhein-Westfalen1335537660,6
Bremen5167160,3
Hamburg12701290,2
Saarland7336110,2
Bayern66063670,1
Baden-W uuml;rttemberg59312460,1
Berlin152400,0
Deutschland gesamt47705293542,0
An dieser Tabelle sieht man, dass in einigen Bundesl auml;ndern wie
Schleswig-Holstein oder Mecklenburg-Vorpommern schon ein gro szlig;er
Teil des Energiebedarfs von der Windenergie abgedeckt wird. In ganz
Deutschland gesehen ist der Anteil der Windenergie mit 2% (1998,
im Jahr 2001 etwa 2,4%) dennoch gering.
An diesen Werten erkennt man auch, dass die Windenergie gegen uuml;ber
den konventionellen Energien etwas abgeschlagen wirkt, obwohl
Deutschland zu den L auml;ndern geh ouml;rt, die relativ viel auf
Windenergie setzen. Die globalen Verh auml;ltnisse zeigen: Allein
alle Kernkraftwerke weltweit haben eine Leistung von etwa 360 GW, die
Windenergie derzeit etwa 14 GW - aber mit einer steigenden Tendenz. Bis
2010 soll in Europa der Anteil regenerativer Energietr auml;ger an
der Stromversorgung auf bis zu 22 % verdoppelt werden.
9.9 Installierte Leistung und Anzahl von WKA in Deutschland
BundeslandInstal shy;lierte Leis shy;tung zwi shy;schen 01. #x200B;01. #x200B;2011 und 31. #x200B;12. #x200B;2011 in MWInstal shy;lierte Leis shy;tung ins shy;gesamt bis zum 31. #x200B;12. #x200B;2011 in MWAnzahl von instal shy;lierten WKA zwi shy;schen 01. #x200B;01. #x200B;2011 und 31. #x200B;12. #x200B;2011Ge shy;samt shy;an shy;zahl an WKA zum 31. #x200B;12. #x200B;2011
Niedersachsen431,057039,421825501
Brandenburg181,104600,51923053
Sachsen-Anhalt148,903642,31682352
Schleswig-Holstein299,783271,191212705
Nordrhein-Westfalen159,903070,86842881
Rheinland-Pfalz258,001662,631121177
Mecklenburg-Vorpommern97,701627,30381385
Sachsen33,05975,8218838
Th uuml;ringen48,65801,3324601
Hessen99,30687,1147665
Bayern164,52683,6075486
Baden-W uuml;rttemberg17,00486,389378
Bremen19,50140,86973
Saarland15,60127,00989
Hamburg3,3753,40160
Berlin0,002,0001
Nordsee3,00155,00631
Ostsee0,0048,30021
Deutschland gesamt2007,4229075,0289522297
Die Tabelle zeigt die installierte Leistung sowie die Anzahl der Windkraftanlagen im Jahr 2011 und insgesamt zum 31.12.2011. Quelle: DEWI.
10. Windkraftanlagen und Wirtschaftlichkeit
Viele Bauern, vor allem in Norddeutschland, nutzen die Windenergie f uuml;r
ihren Nebenverdienst und Eigenbedarf oder sogar als ihre
Haupteinkommensquelle, seit das traditionelle Agrarkulturgesch auml;ft
weniger profitabel ist. Sie leihen Windentwicklern ihr Land oder
entwickeln und arbeiten in Gemeinschaften selbst an
Windenergieprojekten mit.
Das Aufstellen einer Windkraftanlage verursacht hohe Kosten. Man kann
davon ausgehen, dass durchschnittlich 1 Kilowatt installierter
Leistung 600 $ - 1000 $ kostet. Der Preis inklusive Montage und Abnahme
f uuml;r Anlagen im Bereich von 0,1 MW bis 2 MW liegt also zwischen
75000 EUR und 2 Mio. EUR. F uuml;r
den Aufbau einer Anlage gibt es heute auch keine Bezuschu szlig;ung
mehr. Diese staatliche F ouml;rderung wurde vor einigen Jahren
gestrichen. Hinzu kommen Betriebs- und Wartungskosten. Moderne
Windkraftanlagen sind f uuml;r eine Lebensdauer von 120000
Betriebsstunden in 20 Jahren ausgelegt. Die tats auml;chliche
Lebensdauer einer Windkraftanlage h auml;ngt sowohl von der Qualit auml;t
der Anlage als auch von den lokalen klimatischen Verh auml;ltnissen
ab, z. B. von der St auml;rke der Turbulenzen an einem Standort.
Anlagen im Offshore-Bereich k ouml;nnen z. B. wegen der geringeren
Turbulenzen im Meer eine l auml;ngere Lebensdauer haben, was zu einer
Kostensenkung f uuml;hrt. Die Erfahrung zeigt, dass die
Betriebskosten normalerweise sehr niedrig sind, wenn die Anlagen neu
sind. Sie steigen etwas, sobald die Anlagen auml;lter werden. Bei
auml;lteren d auml;nischen Windkraftanlagen (25 kW-150 kW) betragen die
j auml;hrlichen Wartungskosten im Durchschnitt 3 % der urspr uuml;nglichen
Investitionssumme. Bei neueren Anlagen liegen die Wartungskosten bei
1,5 % bis 2 % der urspr uuml;nglichen
Investitionssumme. Es bleiben aber noch die Einnahmen durch
das Stromeinspeisungsgesetz, wodurch diese Projekte noch
wirtschaftlich bleiben. In Deutschland bekam der Anlagenbetreiber 2001
noch 16,52 Pf/kWh. Auf mehrere Jahre betrachtet lohnt sich also
der Betrieb einer Windkraftanlage.
Die deutsche Windindustrie hat bis zum Jahr 2001 schon mehr als 25000 neue Arbeitspl auml;tze
geschaffen, z. B. in der Herstellung, der Zulieferung, Konstruktion
und Forschung und nat uuml;rlich bei den Kabelverlegungsarbeiten.
11. Probleme von Windkraftanlagen
11.1 Blitzsch auml;den
Mit der steigenden H ouml;he von Windkraftanlagen gibt es auch ouml;fters
Blitzeinschl auml;ge, vor allem bei auml;lteren Anlagen mit einer
Gesamth ouml;he von bis zu 60 m, deren Rotorbl auml;tter noch nicht
mit einem Blitzschutzsystem ausgestattet sind. Blitzsch auml;den
verursachen erhebliche Reparaturkosten verbunden mit Ausfallzeiten
und Ausfallkosten. Uuml;ber die Jahre betrachtet gibt es aber einen
Abw auml;rtstrend der Blitzsch auml;den.
11.2 Materialbelastung
Die Materialien und der gesamte Aufbau einer Windkraftanlage m uuml;ssen
Extremlasten standhalten. Sie sind schwankenden Winden und damit
schwankenden Kr auml;ften ausgesetzt. Das gilt besonders dann, wenn
sie in Gegenden mit sehr turbulentem Wind stehen. Teile, die einer
st auml;ndig wiederholten Biegebelastung ausgesetzt sind, wie z. B.
Rotorbl auml;tter, k ouml;nnen nach und nach Risse ausbilden, bis sie
der Belastung nicht mehr standhalten und brechen. Ein historisches
Beispiel daf uuml;r ist die gewaltige GROWIAN-Anlage, die nach
dreiw ouml;chigem Betrieb stillgelegt werden mu szlig;te. Die
Materialerm uuml;dung ist wie bei Metallen in der Industrie, auch bei
Windkraftanlagen ein Problem. Es gibt aber Strukturdynamikmodelle,
mit denen man das Verhalten einer Windkraftanlge analysieren kann um
so den Anlagenbauern eine sichere Maschinenkonstruktion zu
erm ouml;glichen.
11.3 Natur- und Umweltbelastung
Viel wird von der Natur- und Umweltbelastung, verursacht durch die
Anlagen, gesprochen. Doch hier muss man widersprechen, da z. B. V ouml;gel
die Anlage als Hindernis erkennen k ouml;nnen und sie umfliegen. In Natur- und
Vogelschutzgebieten findet dar uuml;ber hinaus kein Ausbau der
Windenergie statt. Die geringen ben ouml;tigten Standfl auml;chen der
Anlagen beeintr auml;chtigen den Naturschutz ebenfalls kaum.
11.4 L auml;rmbel auml;stigung
Ein weiterer Punkt ist die L auml;rmbel auml;stigung bzw. die
Schallentwicklung der Anlagen. Messungen haben aber ergeben, dass ab
einer Windgeschwindigkeit von etwa 8 m/s die Windger auml;usche
st auml;rker sind, als die der Anlage selbst. Die Grenzger auml;usche
f uuml;r reine Wohngebiete liegen nachts bei 35 dB(A) (Dezibel(A), A
steht f uuml;r leisen Schall, B und C f uuml;r lauten; diese Skala
wird aber nur selten verwendet), in allgemeinen Wohngebieten bei
40 dB(A) und in Mischgebieten bei 45 dB(A), doch da man in der N auml;he
von Wohngebieten, wegen den Geb auml;udeumstr ouml;mungen, sowieso
keine Windkraftanlagen aufstellt und einen Sicherheitsabstand von
100 m einh auml;lt, stellen die Anlagenger auml;usche eigentlich auch
keine Probleme dar.
11.5 quot;Optische Umweltverschmutzung quot;
Neben der oben genannten Natur- und Umweltbelastung wird von
Windenergiegegnern oft eine quot;optische Umweltverschmutzung quot;
angeprangert. Doch schon um die Jahrtausendwende standen in
Norddeutschland uuml;ber 20000 Windm uuml;hlen und dort geh ouml;rten
sie zum Ortsbild einfach dazu. Vielleicht hat man sich schon bald
auch an die neueren Windkraftanlagen gew ouml;hnt, wo sie doch
umweltfreundlich Elektrizit auml;t bereitstellen. Der Trend zu den
gro szlig;en Anlagen, die mehrere kleine von der Leistung ersetzen
k ouml;nnen, hat einen weiteren Vorteil: Da gro szlig;e Anlagen
mei szlig;tens mit einer geringeren Drehzahl arbeiten, ziehen diese
weniger Aufmerksamkeit auf sich, als mehrere kleinere Anlagen mit
schnell drehenden Rotorbl auml;ttern. Windkraftanlagen werden oft
nach geometrischen Strukturen in die Landschaft gesetzt, um dem Auge
des Betrachters entgegenzukommen. Ob Windkraftanlagen nun in die
Landschaft passen oder nicht ist Geschmackssache.
12. Zuk uuml;nftiges zur Windenergienutzung
12.1 Vortec Diffusers
Die Menschen haben schon gro szlig;e Bem uuml;hungen gemacht um den Wind
zu konzentrieren, damit die nat uuml;rliche Windgeschwindigkeit zu
erh ouml;hen und das Energieverh auml;ltnis zu vergr ouml; szlig;ern.
Windtunnel-Untersuchungen haben ein hoffnungsvolles Ergebnis
gebracht, dass von der neuseel auml;ndischen Vortec Energy World
Power Company nun in die Realit auml;t umgesetzt werden soll. Sie
haben Vortec-Anlagen (Vortex - Wirbel, Strudel) entwickelt um diesen Effekt zu erzielen.
Der Diffuser erzeugt einen atmosph auml;rischen Unterdruck, der mehr Luft
gegen die Rotorbl auml;tter bl auml;st, wodurch mehr Energie erzeugt
werden soll als von einer herk ouml;mmlichen Anlage bei gleich gro szlig;em
Rotordurchmesser. Mit dem Rotationsring wird die Anlage immer in
Windrichtung gedreht. Ein auf dem Festland installierter Vortec soll
eine installierte Leistung von bis zu 3,5 MW haben. Der Vortec ist so
konstruiert, dass er sogar extrem starken Wind, bis zu 70 m/s,
standh auml;lt. Durch den Diffuser soll sogar die kritisierte
L auml;rmentwicklung von Rotoren einged auml;mmt werden.
Der quot;Vortec 7 quot; hat einen Rotordurchmesser von 54 m und soll eine Leistung
von bis zu 3,5 MW erreichen. Die Rotordrehzahl betr auml;gt 27 U/min,
die drei Rotorbl auml;tter werden durch die Pitch-Regelung verstellt.
Die Vortec Energy World Power Company plant nun Vortec-Anlagen auf dem
Meer zu installieren. Der auf dem Bild gezeigte Offshore-Vortec,
hat einen Rotordurchmesser von 66 m und soll eine Leistung von 5 MW
erbringen.
12.2 Schwebende Windkraftanlage
Eine Erfindung des deutschen Ingenieurs Herbert Beuermann k ouml;nnte der
Durchbruch der Windenergienutzung sein. Er hat eine schwebende
Anlage entwickelt, die an einem scheibenf ouml;rmigen Zeppelin
befestigt und in etwa 400 m H ouml;he stationiert ist.
Das Schwebekraftwerk wird an vier Seilen verankert und kann bei heftigem Sturm zur Erde
gekurbelt werden. Der scheibenf ouml;rmige Zeppelin ist mit Gas
gef uuml;llt. Bei einem m ouml;glichen Absturz, zum Beispiel durch
Druckverlust, k ouml;nnen Fallschirme entgegen wirken. Der Antrieb
dieses H ouml;henkraftwerks besteht aus vier bis sechs Halbkugeln von
je 16 m Durchmesser. Eine Anlage soll eine Nennleistung von 2 MW haben.
Das H ouml;henkraftwerk hat gegen uuml;ber den auf dem Boden
stationierten Anlagen viele Vorteile, es kann uuml;berall betrieben
werden, ist damit nicht von der Landschaftsumgebung abh auml;ngig.
Die Anlage kann rund um die Uhr Energie liefern, da der Wind in
dieser H ouml;he konstant mit 20 m/s bl auml;st.
Beuermann hat ausgerechnet, dass ein H ouml;henkraftwerk 24 mal soviel Energie
liefern kann wie ein gleichdimensioniertes auf der Erde. Dieses Modell wird bereits getestet.
Durch die st auml;ndige Weiterentwicklung und Optimierung werden
Windkraftanlagen mit horizontaler Achse immer wirtschaftlicher und
damit eine st auml;rkere Konkurrenz zu den konventionellen Energien.
Die Bem uuml;hungen bei gro szlig;angelegten Windenergieprojekten
unterstreichen den positiven Trend in Richtung Windenergie. Ob
diese quot;Zukunftsanlagen quot; eine Alternative zu den erprobten
Windkraftanlagen werden k ouml;nnen ist fraglich, ihr wirkliches
K ouml;nnen m uuml;ssen sie zuerst in Praxistests unter Beweis
stellen.
13. Bildnachweise und Quellen
Bundesministerium f uuml;r Wirtschaft und Technologie 1995-2000; Bundesverband Windenergie e. V. (BWE);
Irish Wind Energy Association Annual Conference, April 2000 (IWEC); quot;Die Erneuerbaren quot; - Strom und W auml;rme aus regenerativen Energien, Neuauflage 1999;
www.vortecenergy.co.nz; www.WINDPOWER.dk; www.wind.fgw.de; www.wind-energie.de;
P.M. Magazin; rororo Technik Lexikon; www.ifb.uni-stuttgart.de; Microsoft Encarta 98;
Bertelsmann Universal Lexikon; quot;Strom aus regenerativen Energien quot;, Umwelt Aktuell; Deutsches Windenergie Institut (DEWI);
Internationales Wirtschaftsforum Regenerative Energien (IWR), 2000; PreussenElektra.
R. Trappe, Y.-H. Tsang; Technisches Gymnasium; April 2001 - letzte Auml;nderung: Oktober 2012; DC; (14p).
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