Einführung in die Windenergietechnik

Frontmatter

1. Die Geschichte der Windenergie

Zusammenfassung

Wind wird wahrscheinlich seit mehr als 1500 Jahren als Energiequelle genutzt. In Zeiten, in denen andere Energiequellen nicht bekannt oder knapp waren, stellte Windenergie ein sehr erfolgreiches Mittel zur industriellen und wirtschaftlichen Entwicklung dar. Windenergie wurde zu einer Marginalquelle, als kostengünstige, einfach zu erschließende und reichlich vorhandene Energiequellen verfügbar wurden. Vom Standpunkt des Beitrags der Windenergie zur wirtschaftlichen Entwicklung aus betrachtet, kann man die Geschichte der Windenergie in vier sich überschneidende Zeitabschnitte einteilen. Außer im ersten Abschnitt liegt das Augenmerk hierbei auf der Stromerzeugung durch Wind.

Jos Beurskens

2. Die internationale Entwicklung der Windenergie

Zusammenfassung

Windenergie ist eine universelle Ressource. Sie kann als Lösung für eine Vielzahl der globalen Energieprobleme nicht nur theoretisch, sondern auch tatsächlich dienen. Mit ihrer Hilfe kann Strom erzeugt werden, die Leitenergie des 21. Jahrhunderts. Die Endlichkeit der fossilen Ressourcen sowie deren geografisch ungleichgewichtige Verteilung, die Folgen der Klimaveränderung aufgrund deren Verbrennung, die Gefahren des nuklearen Sektors, zuletzt dramatisch in Japan bzw. Fukushima erlebbar, finden zunehmend Antworten und Alternativen in der Stromerzeugung durch regenerative Quellen, allen voran durch die Nutzung der Windenergie. Im globalen Maßstab wird die Windenergie das Rückgrat einer klimafreundlichen Stromversorgung bilden.

Klaus Rave

3. Der Wind – von der Theorie zur Praxis

Zusammenfassung

Die Schwankungen der Windgeschwindigkeiten in der Atmosphäre gehören zu Prozessen mit Zeitintervallen von weniger als 1 Sekunde bis zu mehreren Monaten und räumlichen Strukturen von einigen Millimetern bis zu vielen hundert Kilometern (Bild 3.1). Die Skalenanalyse meteorologischer Bewegungssysteme in Raum und Zeit stammt aus der dynamischen Meteorologie und hilft, mathematische Formeln durch das Eliminieren von verzichtbaren Termen in den Bewegungsgleichungen (Navier-Stokes-Gleichungen) und damit auch die numerische Wettervorhersage für verschiedene Skalen zu vereinfachen. Für die Windenergie spielen verschiedene Skalen unterschiedliche Rollen: Effekte im mikroskaligen Bereich wie die Turbulenz sind wichtig für die Auslegung von Windenergieanlagen, da sie die mechanischen Lasten beeinflussen, während größere Skalen wichtig für den zu erwartenden Energieertrag sind.

Wiebke Langreder

4. Aerodynamik und Blattentwurf

Zusammenfassung

Die Aerodynamik der Windturbinen als quantitative Beschreibung der Umströmung von Teilen oder ganzen Windturbinen oder sogar Windfarmen wird in den Grundzügen dargestellt. Da nun umfassendere Darstellungen dieses Gebietes nun vorliegen [88,95], begnügen wir uns hier mit weniger Raum und verweisen zu einem gründlicheren Studium auf diese Werke und die Originalliteratur, insbesondere die Abschlussberichte zu den divesen-MexNext-Phasen [90 – 93].

Alois P. Schaffarczyk

5. Rotorblattstruktur

Zusammenfassung

Die wesentliche Komponente einer Windenergieanlage (WEA), die die Energie des Windes in eine mechanisch nutzbare Energieform umwandelt, ist das Rotorblatt. Es stellt im Gesamtkontext der Anlage einen bedeutenden Kostenfaktor dar und hat gleichzeitig herausragenden Einfluss auf den Ertrag der Anlage.

Malo Rosemeier, Alexander Krimmer

6. Der Triebstrang

Zusammenfassung

Die in diesem Kapitel als Windenergieanlagen (WEA) bezeichneten Maschinen dienen zur Wandlung der Bewegungsenergie des Windes in elektrische Energie. Als Antrieb dieser Maschinen kommt ein Rotor zum Einsatz, der als Repeller dem Wind kinetische Energie entzieht. Diese mechanische Energie bzw. Leistung setzt sich wie bei jedem konventionellen Kraftwerk aus einer rotatorischen Bewegung mit der Drehfrequenz ω bzw. Drehzahl n und der Kraft dieser Bewegung, dem Drehmoment M, zusammen.

Hans Kyling

7. Turm und Gründung

Zusammenfassung

Heutige Windenergieanlagen ragen in schwindelerregende Höhen. Die durchschnittliche Anlagenkonfiguration erreichte in Deutschland im Jahr 2020 eine Nabenhöhe von 135 m und eine Gesamthöhe von ca. 196 m (inklusive der Rotorblätter) [1]. Die derzeit höchste Onshore-Anlage erreicht mittels eines Hybridturmes eine Höhe von knapp 178 m und reiht sich mit einer Gesamthöhe von ca. 246 m in die Liga mit den höchsten Wolkenkratzern in Deutschland ein.

Torsten Faber

8. Leistungselektronik-Generatorsysteme für Windenergieanlagen

Zusammenfassung

Die mechanische Leistung, die mithilfe des Rotors der Windenergieanlage aus dem Wind gewonnen wird, wird über den Generator in elektrische Energie umgeformt und in das elektrische Netz eingespeist.

Friedrich Fuchs

9. Steuerung und Regelung von Windenergiesystemen

Zusammenfassung

Windenergieanlagen (WEA) oder mehrere in einem Windpark (WP) zusammengefasste WEA sind komplexe Systeme, deren Betrieb eine weitgehende Automatisierung sowohl des Gesamtsystems als auch der Teilsysteme erfordert. Dabei wird erwartet, dass Windenergiesysteme (WES) hinsichtlich der Zuverlässigkeit, der Effizienz und der Betriebsführung mindestens die Anforderungen an konventionelle Kraftwerke erfüllen. Im Unterschied zu konventionellen Kraftwerken kann dabei die Energiezufuhr, die sich aufgrund der Windgeschwindigkeit sehr stark und sehr schnell ändert, nicht beeinflusst werden. Für den selbsttätigen und sicheren Betrieb und die weitgehend selbsttätige Anpassung des Betriebs von WES an unterschiedliche Einsatzbedingungen ist daher eine komplexe Automatisierungstechnik erforderlich, die die Aufgaben auf unterschiedliche Teilsysteme verteilt.

Reiner Schütt

10. Netzintegration von Windenergieanlagen

Zusammenfassung

Mittlerweile hängt die Stabilität der elektrischen Netze in vielen Ländern maßgeblich von den Eigenschaften moderner Windenergieanlagen (WEA) ab. Moderne WEA zeichnen sich durch ihre Nennleistung im Bereich mehrerer Megawatt (MW) und durch die Fähigkeit zum flexiblen Betrieb aus. Für eine einzelne WEA sind mehrere MW eine große Leistung. Für das Netz bedeutet der Ersatz konventioneller Kraftwerke durch WEA jedoch, dass wenige große Kraftwerke (Nennleistungen jeweils im Bereich vieler hundert MW) durch viele, geografisch verstreute, WEA ersetzt werden.

Clemens Jauch

11. Offshore-Windenergie

Zusammenfassung

Der Anteil der Offshore-Windenergie an der Stromversorgung in Europa hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Bis Ende des Jahres 2020 war eine Kapazität von ca. 25 GW in Europa vollständig in Betrieb genommen. Es existieren mittlerweile 116 Offshore-Wind-parks, die 12 europäischen Ländern zugeordnet werden können. Dafür wurden insgesamt 5402 Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) installiert, wovon sich ca. 79 % in der Nordsee, 9 % in der Ostsee und 12 % in der Irischen See befinden. Das Bild 11.1 zeigt einerseits die kumulierte Leistung und anderseits den jährlichen Zubau für die Offshore-Windenergie in Europa.

Christian Keindorf

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