Windenergie

1. Einleitung

Die weltweiten Vorräte an Öl, Gas und Uran sind in wenigen

Jahrzehnten erschöpft und auch die Kohlevorräte sind begrenzt. Fossile und atomare Ressourcen sind nicht unendlich. Auch die Entdeckung neuer Vorkommen kann das Ende nur hinauszögern. Die heute erwachsene Generation wird dies aller Voraussicht nach anhand steigender Preise erfahren. Die Jugend von heute wird wahrscheinlich schon die Folgen einer drastischen Verknappung der Rohstoffe Öl und Gas erleben. Selbst wenn noch einige zusätzliche Energievorräte entdeckt werden, kann das globale Ökosystem schon die Verbrennungen der jetzt bekannten Ressourcen nicht mehr verkraften. Daneben gefährdet die ungesicherte Entsorgung des Atommülls unsere Gesundheit und die unserer Nachkommen auf unabsehbare Zeit.

Die erneuerbaren Energien bieten dagegen ein unerschöpfliches Reservoir.

Eine Umstellung der Energieversorgung braucht aber jedoch Zeit. Aus diesem Grund ist es wichtig, schon heute mit dem Aufbau einer sauberen, sicheren und zukunftssicheren Energieversorgung zu beginnen.

In meinem Referat möchte ich eine Alternative, die Gewinnung von Energie durch Windkraftwerke näher erklären.

2. Was ist überhaupt Wind?

Luftbewegungen in der freien Natur werden als Wind bezeichnet. Wind entsteht durch den Druckausgleich zwischen Gebieten mit hohem Luftdruck und Gebieten mit niedrigem Luftdruck. Zum Beispiel, wenn über einem von der Sonne erwärmten Stück Land die Luft aufsteigt, dehnt sie sich dabei aus.

Die Luft über dem in der Nähe liegenden Meer bleibt kühler. Solche Luftunterschiede verursachen Luftdruckunterschiede, dadurch entstehen Luftströmungen. Es weht also ein Wind. Die Windrichtung dreht sich aber bei Nacht, da das Wasser wärmer ist, als das schneller abkühlende Stück Land. Der Druckausgleich geht immer vom Hochdruckgebiet zum Tiefdruckgebiet. Durch die Drehung der Erde erfolgt der Druckausgleich spiralförmig.

Wenn keine Luftströmung vorhanden ist, wird dies als Windstille bezeichnet. Als Sturm bezeichnet man eine starke Luftströmung. Einen kräftigen Windstoß nennt man Böe.

3. Was ist Windenergie?

Windenergie ist eine kostenlose Energie. Wir können sie nutzen, ohne andere Energieträger, wie Gas, Kohle oder Öl anzugreifen. Mit Windkraftanlagen lässt sich die Bewegungsenergie des Windes nutzbar machen. Die Energie kann der anströmenden Luft durch Turbinen mit Flächen unterschiedlicher Anzahl, Form, Größe und Kombination entzogen werden. Im Gegensatz zu früheren Windrädern entsteht die Drehung des Rotors nicht nur nach dem einfachen Widerstandprinzip, sondern auch durch aerodynamisch erzeugte Auftriebskräfte, die an den Rotorblättern wirksam werden. Am häufigsten werden tragflügelähnliche Konstruktionen, wie Rotorflügel oder -blätter, verwendet, um die Strömungsenergie der Luft in mechanische Rotationsenergie umzuwandeln. Der Energieentzug aus dem Wind erfolgt durch Verzögerung der Luftströmung. Sie wird an den Rotorblättern umgelenkt, wodurch diese in Bewegung versetzt werden. Die Form der Rotorblätter ähnelt dem Profil einer Flugzeugtragefläche, deren Oberseite stärker gewölbt ist als die untere Seite. Durch dieses Profil wird die Geschwindigkeit der anströmenden Luft an der Oberseite erhöht und an der Unterseite herabgesetzt. An der unteren Seite des Profils bildet sich im Bereich der verlangsamten Strömung ein Überdruck, an der oberen Seite dagegen Unterdruck. Diese unterschiedlichen Druckverhältnisse führen dazu, dass an dem Profil Auftriebskräfte wirksam werden. Durch diesen Auftrieb wird eine Flugzeugtragefläche nach oben gedrückt, das Rotorblatt einer Windkraftanlage erhält dadurch Antrieb in Drehrichtung. Bei einer Energieumwandlung durch reine Widerstandsflächen ist der Energieentzug aus der Luft geringer als bei auftriebsnutzenden Windrädern.

Der Einsatz dieser Windenergieanlagen beschränkt sich wegen niedriger Drehzahlen im Allgemeinen auf mechanische Antriebe. Die Konstruktionen sind überwiegend einfach und sehr massiv ausgeführt und können maximal 20% der in der Luft enthaltenden Strömungsenergie umwandeln.

Bei auftriebsnutzenden Anlagen wird ein ungefährer Wert von 45% erreicht.

Ein Windrad mit 100% Wirkungsgrad ist nicht möglich!

In Deutschland wird die Windenergie hauptsächlich zur Stromerzeugung genutzt.

4. Geschichte der Windenergie

Seit Jahrtausenden ist das Windrad auf verschiedenen Erdteilen bekannt. Die ersten Windräder standen vor etwa 4000 Jahren in Mesopotamien, einer Landschaft zwischen Euphrat und Tigris. Etwa 1000 Jahre später standen diese Windräder auch im östlichen Mittelmeerraum und danach in China. Im 7.Jahrhundert wurden in Europa die ersten Windräder gebaut. Der Höhepunkt der Windmühlenzeit war im 17.Jahrhundert. Noch im Jahr 1875 wurden in Norddeutschland ca. 20000, in Holland ca. 9000 Windräder gezählt. In Amerika wurden bis zum ersten Weltkrieg über 6 Millionen Windmühlen betrieben, meistens zum Betrieb von Pumpen oder Generatoren. Windräder waren in vielen Teilen Europas, Asiens und Amerika bis in das 19.Jahrhundert eine wichtige Energiequelle.

Nach der Ölkrise in den 70er Jahren ist alternative Energie, also auch Windenergie, bei uns wieder interessanter geworden. 1973 sahen viele Industrieländer die Chance, sich durch die Nutzung der Windenergie von den anderen Ländern unabhängig zu machen. Die Regierungen förderten die Entwicklung von Windenergieanlagen. Zuerst wurden in Deutschland nur kleine bis mittlere Anlagen gebaut, so genannte Windenergiekonverter.

1983 folgte dann der Bau des legendären GROWIAN 1, einer GROßWIndANlage (siehe Bild), in Brunsbüttel, Schleswig- Holstein.

Diese größte Anlage der Welt hatte einen Rotordurchmesser von 100 Metern. Die Gondel mit dem Maschinenhaus wog allein 345 t und war so groß wie ein Einfamilienhaus. Der Turm bestand aus 3 cm dickem Stahl, war 96 Meter hoch und hatte einen Durchmesser von 3,5 Metern. GROWIAN erzeugte maximal 3 Megawatt Strom, das entspricht dem Energiebedarf von ca. 4000 Haushalten. Wegen technischer Probleme, die man nicht vorhersehen konnte, stand die Anlage sehr oft still. Das Forschungsprojekt wurde im Sommer 1987 beendet und GROWIAN abgebaut. Die Forscher hatten erkannt, dass den theoretischen Vorteilen dieser Großanlage sehr viele Schwierigkeiten in der technischen Ausführung entgegen standen. Die Kosten für dieses Projekt betrugen ca. 100 Millionen DM, eine Serienanfertigung dieser Anlage würde immerhin noch 20- 30 Millionen DM kosten. Seit dem setzen die Energieversorger auf kleinere Anlagen, die mit 20- 300 KW und durch ausgereiftere Technik weniger störanfällig sind. Es wurden so genannte Windparks gebaut. Der erste Windpark wurde 1987 mit 30 Anlagen in Deutschland eingeweiht. Als größter Windpark Europas gilt Niebüll, der 1990 mit 35 Anlagen gebaut wurde. Die Forschung an Großanlagen werden aber trotzdem fortgesetzt. 1990 wurde auf Helgoland der Konverter WKA60 mit 1,2 Megawatt in Betrieb genommen.

5. Die verschiedenen Arten der Windkraftanlagen

Eine Windkraftanlage wird normalerweise aus folgenden Bauteilen zusammengesetzt:

Man unterscheidet grundsätzlich zwischen horizontal laufenden Windrädern und Windkraftanlagen mit vertikaler Rotorwelle.

Horizontal laufende Windräder:

Für die Betriebsweise moderner Horizontalachsenkonverter gibt es zwei Möglichkeiten: Als Leeläufer oder als Luvläufer. Bei den Leeläufern drehen sich die Rotorblätter in Windrichtung hinter dem Turm. Das hat den Vorteil, dass die Rotorblätter bei starkem Wind nicht gegen den Turm gedrückt werden können. Bei den Luvläufern kann man dieses Risiko nicht ganz ausschließen, da der Rotor von vorn angeblasen wird und vor dem Turm läuft.

Leeläufer haben auch den Vorteil, dass sie sich selbstständig in Windrichtung ausrichten, während Luvläufer durch technische Maßnahmen dem Wind nachgeführt werden müssen. Ein Nachteil der Leeläufer ist, dass der Turm einen Windschatten erzeugt, wodurch Leistungseinbußen entstehen. Außerdem führt die sich sprunghaft verändernde Strömung im Turmschatten ständig zu stoßartigen Belastungswechseln der Rotorblätter. Um Schäden zu vermeiden, sind daher an der Blattaufhängung besondere Maßnahmen erforderlich.

Langsamläufer:

Die Langsamläufer sind Windkonverter einfacher Bauart. Sie haben meistens viele, im Querschnitt etwas schwächere Flügel. Die Flügel addieren sich zu einer großen Flügelfläche und eine solche hat ein sehr großes Anlaufmoment. Das bedeutet, dass schon ein relativ leichter Wind genügt, um es in Gang zu bringen. Dieses Windrad ist für niedrige Drehzahlen gebaut, deshalb wird es eher für langsame Antriebe, wie Pumpen etc. verwendet. Im Mittelmeerraum werden diese Anlagen noch häufig eingesetzt. Für die Stromerzeugung ist diese Anlage aber nicht zu gebrauchen, da ein Generator mindestens 800- 3000 Umdrehungen pro Minute benötig, um Strom zu erzeugen.

Diese Anlage hat einen Wirkungsgrad von etwa 20- 30%.

Schnellläufer:

Zwei bis vier aerodynamische Flügel zeichnen diesen Typen aus. Somit ergibt sich eine kleine Flügelfläche und dadurch ein geringes Anlaufmoment. Das bedeutet, dass ein etwas stärkerer Wind zum Anlauf benötigt wird. Die Schnellläufer erzeugen hohe Drehzahlen und sind deshalb für die Stromerzeugung geeignet. Je weniger Flügel man verwendet und desto schmaler das Profil des Flügels ist, desto größer wird die Drehzahl und somit die Leistung des Generators. In Praxis werden oft Windräder mit zwei Flügeln verwendet, da sie um einiges leichter zu bauen sind. Der Wirkungsgrad solcher Anlagen liegt bei 30- 50%.

Darrieus- Rotoren:

Diese Windräder sehen aus wie Zwiebelschalen. Aus welcher Richtung der Wind kommt ist bei dieser Anlage egal. Die Rotoren haben den Vorteil, dass sie nicht in einer bestimmten Höhe montiert werden müssen, denn sie funktionieren auch in Bodenhöhe. In Westeuropa gilt dieser Rotor als veraltet und wird kaum mehr genutzt. In den Entwicklungsländern spielt diese Anlage aber noch eine wichtige Rolle bei der Energieerzeugung.

6. Offshoreanlagen

In keinem anderen Land wird mit Windenergie so viel Strom erzeugt wie in Deutschland. Doch die geeigneten Standorte sind sehr begrenzt.

Immer mehr Unternehmen planen, Windenergieanlagen auf dem offenen Meer zu installieren, so genannte Offshoreanlagen. Das Meer bietet viele Vorteile. Hier weht der Wind nicht nur stärker, sondern auch die Fläche scheint nahezu unbegrenzt zu sein. Auch der Lärm, der durch die Propeller entsteht, würde auf dem Meer niemand stören. Großen Windparks auf dem Meer könnte die Zukunft gehören. Eine Studie im Auftrag der europäischen Union ergab, dass die Meeresbrise vor den Küsten den Stromverbrauch der EU zweimal decken könnte. Allerdings müsste der Horizont dazu beinahe komplett von Rotoren eingerahmt werden. Die Ostsee ist für solche Anlagen besser geeignet als die Nordsee, den wegen des Nationalparks Wattenmeer, müssten die Anlagen auf der Nordsee weit weg von der Küste gebaut werden. Je tiefer die Wassertiefe und der Abstand zu Küste ist, desto teurer werden auch die Anlagen. Da beim Bau von Windkraftanlagen auch Rücksicht auf militärische Sperrgebiete und Seeverkehrswege genommen werden muss, kann man nur etwa 10% des theoretischen Potenzials genutzt werden.

Noch dreht sich an der deutschen Küsten kein Rotor. Ganz anders sieht es aber bei unseren Nachbarn aus. Vor der niederländischen und dänischen Küste erzeugen schon seit einigen Jahren Windkraftanlagen elektrischen Strom. Dies ist allerdings erst der Anfang: Die Niederlande wollen bis 2020 Anlagen mit einer Leitung von 2750 Megawatt installieren, ein Großteil davon im Offshore- Bereich. Noch größere Pläne hat Dänemark, wo der Wind in 30 Jahren 5500 MW und somit die Hälfte des Energiebedarfs liefern soll. Den Großteil sollen mit 4000 MW Anlagen auf dem Meer liefern. Auch in Schweden, Großbritannien und Neuseeland gibt es Projekte für Offshoreanlagen.

7. Heutiger Stand der Entwicklung

Die regenerativen Energiequellen sind im Prinzip unerschöpflich. In der Praxis kann man nur einen geringen Teil der Windenergieanlagen wirtschaftlich nutzen. Da der Wind nicht immer vorhanden ist, müssen Speicher für die Energie entwickelt werden, damit sie auch in windstillen Zeiten verfügbar ist.

Beim heutigen Stand der Technik ist die Windenergie noch nicht in der Lage, die Versorgung ganzer Regionen zu sichern. Heute kann man leider durch Windenergie erst nur ca. 6- 8% der Leistung der Atomkraftwerke erreichen.

8. Quellen

Bundesverband WindEnergie e. V.

www.energie-online.de

www.energieinfo.de

www.windkraft.de

www.prowind.de

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Was ist überhaupt Wind?

3. Was ist Windenergie?

4. Geschichte der Windenergie

5. Die verschiedenen Arten der Windkraftanlagen

6. Offshoreanlagen

7. Heutiger Stand der Entwicklung

8. Quellenverzeichnis