Windkraftanlagen

Frontmatter

Kapitel 1. Windmühlen und Windräder

Zusammenfassung

Die Nutzung der Windenergie ist keine neue Technologie, sie ist die Wiederentdeckung einer traditionsreichen Technik. Wie bedeutend die Windkrafttechnik in der Vergangenheit war, lassen die übriggebliebenen Reste der historischen „Windkraftanlagen“ heute nicht mehr erkennen. So vollständig war der Siegeszug der billigen Energieträger Kohle und Öl und der bequemen Energieverteilung durch die Elektrizität, daß sich die Verlierer, die Windmühlen und Windräder, nur in unbedeutenden ökonomischen Nischen halten konnten. Heute, nachdem die Energieerzeugung durch Verbrennung von Kohle und Öl oder Spaltung von Uranatomen auf zunehmende Widerstände stößt — was auch immer die unterschiedlichen Gründe dafür sein mögen —, ist die Wiederentdeckung der Windkraft eine nahezu zwangsläufige Folge.

Erich Hau

Kapitel 2. Strom aus Wind — Die ersten Versuche

Zusammenfassung

Die großtechnische Nutzung der Elektrizität begann mit dem Bau der ersten Kraftwerke. Das erste Kraftwerk der Welt lief 1882 in New York mit einer Leistung von 500 kW. In Deutschland nahm 1884 in Berlin das erste Kraftwerk seinen Betrieb auf [1]. Bereits 1891 wurde das erste Drehstromkraftwerk gebaut. Die weitere Entwicklung der Kraftwerktechnik verlief stürmisch zu immer höheren Leistungen. Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts wurden fast alle großen Städte in den industrialisierten Ländern mit Strom versorgt.

Erich Hau

Kapitel 3. Bauformen von Windkraftanlagen

Zusammenfassung

Vorrichtungen, welche die kinetische Energie der Luftströmung in mechanische Arbeit umsetzen, sind in großer Vielfalt denkbar und in den skurrilsten Formen vorgeschlagen worden [1]. Die Museen und Patentämter sind voll von mehr oder weniger vielversprechenden Erfindungen dieser Art. Meistens bleibt die praktische Verwendbarkeit dieser „Windkraftanlagen“ jedoch weit hinter den Erwartungen der Erfinder zurück.

Erich Hau

Kapitel 4. Physikalische Grundlagen der Windenergiewandlung

Zusammenfassung

Die primäre Komponente einer Windkraftanlage ist ein Energiewandler, der die kinetische Energie der bewegten Luft, des Windes, in mechanische Arbeit umsetzt. Wie dieser Energiewandler im Detail beschaffen ist, ist zunächst noch gleichgültig. Der Vorgang des Entzuges von mechanischer Arbeit aus einem bewegten Luftstrom mit Hilfe eines scheibenförmigen, rotierenden Windenergiewandlers folgt einer eigenen grundsätzlichen Gesetzmäßigkeit.

Erich Hau

Kapitel 5. Aerodynamik des Rotors

Zusammenfassung

Der Rotor steht am Anfang der Wirkungskette einer Windkraftanlage. Seine aerodynamischen und dynamischen Eigenschaften sind deshalb in mehrfacher Hinsicht prägend für das gesamte System. Die Fähigkeit des Rotors, einen möglichst hohen Anteil der die Rotorkreisfläche durchströmenden Windenergie in mechanische Arbeit umzusetzen, ist offensichtlich eine direkte Folge seiner aerodynamischen Eigenschaften. Der damit weitgehend festgelegte Gesamtwirkungsgrad der Energiewandlung ist für die Windkraftanlage wie für jedes andere regenerative Energieerzeugungssystem von nicht zu unterschätzender Bedeutung im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit.

Erich Hau

Kapitel 6. Belastungen und Strukturbeanspruchungen

Zusammenfassung

Windkraftanlagen sind besonderen Belastungen ausgesetzt. Der Natur des Windes entsprechend sind diese in hohem Maße wechselhaft. Wechselnde Belastungen sind schwerer zu ertragen als statische Belastungen, sie „ermüden“ das Material. Ein weiteres Problem liegt in den Dimensionen der Bauteile. Die Luft ist als Arbeitsmedium von geringer Dichte, so daß die erforderlichen Flächen zur Energiewandlung groß sein müssen. Mit der Dimension des Rotors wächst auch die Größe der anderen Bauteile, zum Beispiel die Höhe des Turmes. Große Strukturen verhalten sich unvermeidlich elastisch. Unter der Einwirkung der wechselnden Belastung ergibt sich dadurch ein komplexes aeroelastisches Wechselspiel, das Schwingungen anregt und hohe dynamische Belastungsanteile erzeugen kann. Die Strukturdimensionierung einer Windkraftanlage ist unter drei verschiedenen Aspekten zu sehen:

Erich Hau

Kapitel 7. Rotorblätter

Zusammenfassung

Der Rotor einer Windkraftanlage schließt — vom Standpunkt des konstruktiven Aufbaus aus betrachtet — mehrere Teilsysteme ein. Ausgehend von der Definition, daß der Rotor alle drehenden Teile der Anlage außerhalb des Maschinenhauses umfaßt, sind dies die Rotorblätter, die Nabe und der Blattverstellmechanismus. Diese drei Teilsysteme sind hinsichtlich ihrer konstruktiven Auslegung, ihrer Funktion und der Fertigungstechnik weitgehend eigenständige Komponenten.

Erich Hau

Kapitel 8. Mechanischer Triebstrang und Maschinenhaus

Zusammenfassung

Die Wandlung der kinetischen Energie der Luftströmung durch den Rotor wird von der Aerodynamik und dem Leichtbau geprägt. Assoziationen an den Flugzeugbau drängen sich auf und sind auch technologisch begründet. Ein völlig anderes Bild bietet sich dem Betrachter im Inneren des Maschinenhauses. Die Komponenten zur Wandlung der mechanischen in elektrische Energie repräsentieren sozusagen die konventionelle Kraftwerkstechnik. Man könnte daraus den Schluß ziehen, daß dieser Bereich „Stand der Technik“ sei und deshalb keine besonderen Probleme aufwerfen könne. Diese Anschauung ist nur zu einem Teil richtig.

Erich Hau

Kapitel 9. Elektrisches System

Zusammenfassung

Das elektrische System einer Windkraftanlage umfaßt alle Komponenten zur Wandlung der mechanischen Energie in elektrischen Strom sowie die elektrischen Hilfsaggregate und die gesamte Leittechnik. Neben dem mechanischen Triebstrang bildet das elektrische System somit den zweiten wesentlichen Funktionsbereich einer Windkraftanlage.

Erich Hau

Kapitel 10. Regelung und Betriebsführung

Zusammenfassung

Die Regelung und Betriebsführung einer Windkraftanlage muß in erster Linie den vollautomatischen Betrieb der Anlage sicherstellen. Jede andere Verfahrensweise, die irgendwelche Bedienvorgänge von Hand im normalen Betriebsablauf erfordert, wäre vom wirtschaftlichen Standpunkt aus betrachtet völlig unakzeptabel. Die Wirtschaftlichkeit verlangt darüber hinaus von der Regelung, daß in jedem Betriebszustand ein möglichst hoher Wirkungsgrad erzielt wird. Dieser Gesichtspunkt ist keineswegs selbstverständlich, sondern erfordert ein „intelligentes“ Regelungssystem.

Erich Hau

Kapitel 11. Schwingungsverhalten

Zusammenfassung

Schwingungsprobleme sind bei Windrädern eine alte Erscheinung. Bereits die Bockwindmühle des Mittelalters wurde auch als „Wippmühle“ bezeichnet, weil die Lagerung des ganzen Mühlenhauses auf einem Bock zum „Wippen“ führte. Dieser Nachteil war dann auch der Ansatzpunkt für die Weiterentwicklung zur standfesteren und damit ruhiger laufenden Holländer-Mühle.

Erich Hau

Kapitel 12. Der Turm

Zusammenfassung

Der Turm ist ein wesentlicher Bestandteil einer Horizontalachsen-Windkraftanlage. Dieser Umstand ist sowohl ein Vor- als auch ein Nachteil. Nachteilig sind natürlich die Kosten, die bis zu 20 % der Gesamtkosten einer Windkraftanlage ausmachen können. Auch der Transport und die Montage des Turmes sowie die Zugänglichkeit der Komponenten im Maschinenhaus werden mit zunehmender Turmhöhe nicht gerade einfacher. Auf der anderen Seite steigt die spezifische Energielieferung des Rotors mit zunehmender Turmhöhe an. Theoretisch ergibt sich die optimale Turmhöhe im Schnittpunkt der beiden Wachstumsfunktionen Baukosten und Energielieferung. Leider kann dieser Schnittpunkt nicht in allgemeingültiger Form angegeben werden. Bei größeren Anlagen steigen die Baukosten mit zunehmender Turmhöhe schneller als bei kleineren Anlagen. Eine noch größere Rolle spielt der Aufstellort. In Gebieten mit großer Oberflächenrauhigkeit, also im Binnenland, nimmt die Windgeschwindigkeit mit der Höhe langsamer zu. Unter diesen Voraussetzungen „lohnen“ sich höhere Türme eher, als zum Beispiel bei Offshore-Anwendungen, wo der umgekehrte Effekt vorhanden ist. Im Binnenland sind Turmhöhen von 80 m und darüber hinaus entscheidend für die wirtschaftliche Nutzbarkeit der Windenergie.

Erich Hau

Kapitel 13. Windverhältnisse

Zusammenfassung

Winddaten wurden in der Vergangenheit fast ausschließlich unter meteorologischen Gesichtspunkten gemessen und ausgewertet. Diese Daten sind jedoch mit Blick auf die technische Nutzung des Windes durch Windkraftanlagen nicht ausreichend. Sie sagen in der Regel kaum etwas über die Zunahme der Windgeschwindigkeit mit der Höhe oder die lokalen Windverhältnisse eines speziellen Geländes aus. Erst seit etwa zwanzig Jahren werden umfassende Windmessungen unter den besonderen Gesichtspunkten des Einsatzes von Windkraftanlagen vorgenommen. Mittlerweile stehen in den Ländern, in denen die Windenergienutzung verbreitet ist, flächendeckende Winddaten zur Verfügung. Vor allen Dingen die langfristige Auswertung der Energielieferung von existierenden Windkraftanlagen bildet eine zuverlässige Datenbasis.

Erich Hau

Kapitel 14. Leistungsabgabe und Energielieferung

Zusammenfassung

Die Bewertung der Leistungsfähigkeit von Windkraftanlagen ist häufig Anlaß für kontroverse Diskussionen. Wie bei allen Systemen zur Nutzung der Solarenergie sind die von der konventionellen Energietechnik übernommenen Kennwerte nur bedingt oder nur unter ganz bestimmten Voraussetzungen übertragbar.

Erich Hau

Kapitel 15. Umweltverhalten

Zusammenfassung

Von Energieerzeugung zu sprechen oder zu schreiben, ohne gleichzeitig die Auswirkungen auf die Umwelt abzuwägen, ist heute nicht mehr möglich. Windkraftanlagen verunreinigen weder die Atmosphäre mit Schwefel, Kohlenwasserstoffen, Stickoxyden oder Kohlendioxyd, noch stellen sie diese und folgende Generationen vor die Probleme im Umgang mit radioaktiven Abfällen. Angesichts dieser Tatsachen verdient die Nutzung der Windenergie unbesehen das Prädikat „umweltfreundlich“. Dennoch, völlig ohne Auswirkungen auf die Umwelt ist auch der Betrieb von Windkraftanlagen nicht.

Erich Hau

Kapitel 16. Anwendungskonzeptionen und Einsatzbereiche

Zusammenfassung

Der Einsatz von Windkraftanlagen läßt sich aus verschiedenen Blickwinkeln betrachten. Die Verwendung der erzeugten Energie, die organisatorische Einbindung in die Struktur der Energieversorgung sowie die betrieblichen Anwendungskonzeptionen in bezug auf energiewirtschaftliche und räumliche Verhältnisse charakterisieren das Spektrum der Einsatzmöglichkeiten. Von wesentlicher Bedeutung ist dabei die Größe der Anlagen. Die Anwendungs- und Einsatzgebiete für kleine Windkraftanlagen mit einer Leistung von einigen zehn Kilowatt sind a priori anders als für große Anlagen im Megawatt-Leistungsbereich.

Erich Hau

Kapitel 17. Windenergienutzung im Küstenvorfeld der Meere

Zusammenfassung

Die Nutzung der Windenergie „Offshore“, das heißt die Seeaufstellung von Windkraftanlagen im Küstenvorfeld der Meere, hat sich in den letzten Jahren von einer einstigen Vision der Windenergiepioniere zu einer beginnenden Realität entwickelt. Die Entwicklung der Windenergienutzung schreitet auch in diesem Bereich mit großen Schritten voran — allen Skeptikern zum Trotz. Welche Motive treiben diese Entwicklung an?

Erich Hau

Kapitel 18. Planung, Errichtung und Betrieb

Zusammenfassung

Die Realisierung von schlüsselfertigen Projekten zur Windenergienutzung beinhaltet weit mehr als die Herstellung oder den Kauf einer Windkraftanlage. Die Energieerzeugung aus Windenergie ist ein Eingriff in die bestehende energietechnische Infrastruktur und mehr noch in die Umwelt der unmittelbaren Umgebung. Damit stößt sie zwangsläufig auf den Widerstand derjenigen, die diesen Eingriff nicht für notwendig halten oder ihn nicht wollen. In diesem Spannungsfeld bewegt sich die Planung von Windenergieprojekten. Sie ist damit weniger ein technisches Problem als vielmehr die in der Regel langwierige Bemühung, die verschiedenen Interessen auszugleichen bis eine konsensfähige Lösung gefunden ist.

Erich Hau

Kapitel 19. Kosten von Windkraftanlagen und Anwendungsprojekten

Zusammenfassung

Ausgangspunkt aller Wirtschaftlichkeitsüberlegungen bei der Nutzung der Solarenergie sind die Herstellkosten der Anlagen. Die geringe Dichte des Energieträgers ist dafür verantwortlich, daß alle Systeme zur Nutzung der Sonnenenergie großflächig und materialintensiv und damit letztlich teuer in der Herstellung sind. Eine Kernfrage der Solarenergienutzung lautet deshalb: Sind die spezifischen Herstellkosten der Anlagen nicht so hoch, daß die Energieerzeugungskosten wegen des hohen Kapitaleinsatzes — trotz der eingesparten Brennstoffkosten — unwirtschaftlich werden? Dieses Schicksal teilen bis heute noch die meisten regenerativen Energieerzeugungssysteme.

Erich Hau

Kapitel 20. Wirtschaftlichkeit

Zusammenfassung

Die Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen ist angesichts der Begrenztheit und der negativen Umweltauswirkungen der Nutzung fossiler Energieträger oder der Sicherheitsfragen im Zusammenhang mit der Nutzung der Atomenergie ein Ziel, das nicht allein unter wirtschaftlichen Aspekten gesehen werden darf. Das heißt jedoch nicht, daß die Nutzung der erneuerbaren Energiequellen „um jeden Preis“ ein sinnvolles Unterfangen darstellt. Exorbitante Energiepreise sind weder betriebs- noch volkswirtschaftlich zu vertreten. Die betriebswirtschaftliche und die volkswirtschaftliche Rentabilität sind jedoch zwei verschiedene Gesichtspunkte.

Erich Hau

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