Windkraftanlagen

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 Ö1 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.

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 [5]. 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.

Vorrichtungen, welche die kinetische Energie der Luftströmung in mechanische Arbeit umsetzen, sind in großer Vielfalt denkbar und in den skurrilsten Formen vorgeschlagen worden. 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.

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.

Der Rotor steht am Anfang der Wirkungskette einer Windkraftanlage. Seine aerodynamischen und dynamischen Eigenschaften sind deshalb in mehrfacher Hinsicht prägend für das gesamte System.

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. Darüber hinaus ist die Luft 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.

Der Rotor einer Windkraftanlage schließt vom Standpunkt des konstruktiven Aufbaus 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.

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 dürfe. Diese Anschauung ist nur zu einem Teil richtig.

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 in einer Windkraftanlage.

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

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.

Der Turm ist ein wesentlicher Bestandteil einer Horizontalachsen-Windkraftanlage. Dieser Umstand ist sowohl ein Vor- als auch ein Nachteil. Nachteilig sind natürlich die aufzuwendenden Kosten, die bis zu 20 % der Gesamtkosten der Windkraftanlage ausmachen können. Auch werden die Montageprobleme und die Zugänglichkeit der Komponenten im Maschinenhaus mit zunehmender Höhe des Turmes immer schwieriger zu lösen. Auf der anderen Seite steigt die spezifische Energielieferung des Rotors mit der Turmhöhe an. Man könnte vermuten, daß sich die optimale Turmhöhe im Schnittpunkt der beiden Wachstumsfunktionen Baukosten und Energielieferung von selbst ergibt. Leider kann dieser Schnittpunkt nicht in allgemeingültiger Form angegeben werden. Bei größeren Anlagen steigen die Baukosten mit zunehmender Turmhöhe schneller an als der rechnerisch ermittelte Energiezuwachs auf der Basis der statistisch zu erwartenden Windgeschwindigkeitszunahme mit der Höhe. Andererseits zeigt die Erfahrung, daß für kleinere Anlagen mit Turmhöhen bis zu 30 m der Zuwachs an Energieausbeute die Baukosten für eine Turmhöhe bis etwa zum Zweifachen des Rotordurchmessers kompensiert. Selbstverständlich spielt hierbei die Bauart des Turmes und das Turmkopfgewicht der Windkraftanlage eine entscheidende Rolle.

Die Bewertung der Leistungsfähigkeit von Windkraftanlagen ist häufig ein 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.

Die Errichtung einer Windkraftanlage am Aufstellort ist eine Aufgabe — und in vielen Fällen leider auch ein Problem -, das neben dem Hersteller auch den Benutzer der Anlage unmittelbar berührt. Auch wenn die technische Durchführung der Montage und die Inbetriebnahme in der Regel vom Hersteller übernommen wird, sieht sich der Betreiber zumindest mit dem Problem der Baugenehmigung konfrontiert.

Die wichtigste Voraussetzung für den erfolgreichen Einsatz von Windkraftanlagen sind gute Windverhältnisse. So banal diese Feststellung auch ist, so wichtig ist sie und kann deshalb nicht oft genug wiederholt werden. Wo kein Wind weht, sind im wahrsten Sinne des Wortes alle weiteren Einsatzüberlegungen gegenstandslos. Dieser Abschnitt beginnt deshalb ganz bewußt mit einer Darstellung der Winddaten, die für den Einsatz von Windkraftanlagen von Bedeutung sind.

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 oder Kohlendioxyd, noch stellen sie diese und folgende Generationen vor die Probleme der radioaktiven Abfallbeseitigung. Angesichts dieser Tatsache verdient die Nutzung der Windenergie unbesehen das Prädikat „umweltfreundlich“. Dennoch, völlig ohne Auswirkungen auf die Umwelt sind auch Windkraftanlagen nicht.

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

Die regenerative Energieerzeugung ist angesichts der Begrenztheit und der Umweltproblematik der konventionellen Energieträger 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 betriebswirtschaftlich noch volkswirtschaftlich zu vertreten. Die betriebswirtschaftliche und die volkswirtschaftliche Rentabilität sind jedoch zwei verschiedene Aspekte.