Windkraftanlagen

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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. 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 – , war die Wiederentdeckung der Windkraft eine nahezu zwangsläufige Folge.

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.

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.

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.

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.

6. Belastungen und Strukturbeanspruchungen

Zusammenfassung

Windkraftanlagen sind besonderen Belastungen ausgesetzt. Auf den ersten Blick scheint die Standfestigkeit bei schweren Stürmen und Orkanen das Hauptproblem zu sein. Die andauernden, wechselnden Belastungen – auch bei normalen Windverhältnissen – sind aber ebenso problematisch. Wechselnde Belastungen sind schwerer zu ertragen als statische Belastungen, sie ,,ermüden“ das Material.

7. Rotorblätter

Zusammenfassung

Der Rotor einer Windkraftanlage umfaßt – vom Standpunkt des konstruktiven Aufbaus aus betrachtet – mehrere Teilsysteme. Ausgehend von der Definition, daß man unter dem Rotor alle drehenden Teile der Anlage außerhalb des Maschinenhauses versteht, 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.

8. Mechanischer Triebstrang und Maschinenhaus

Zusammenfassung

Die Wandlung der kinetischen Energie der strömenden Luft durch den Rotor wird von den Forderungen der Aerodynamik und des Leichtbaues 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.

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 Rotor und dem mechanischen Triebstrang bildet das elektrische System somit den dritten wesentlichen Funktionsbereich einer Windkraftanlage.

10. Regelung und Betriebsführung

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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 inakzeptabel. 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. Das Regelungssystem soll darüber hinaus einen Beitrag dazu leisten, die mechanischen Belastungen für die Windkraftanlage so gering wie möglich zu halten.

11. Schwingungsverhalten

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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.

12. Der Turm

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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. 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. Eine entscheidende Rolle spielt der Aufstellort. In Gebieten mit großer Oberflächenrauhigkeit, also im Binnenland, nimmt die Windgeschwindigkeitmit 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 100 m und darüber hinaus entscheidend für die wirtschaftliche Nutzbarkeit der Windenergie.

13. Windverhältnisse

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Winddaten wurden in der Vergangenheit fast ausschließlich unter meteorologischen Gesichtspunkten gemessen und ausgewertet. Diese älteren Daten sind jedoch mit Blick auf die technische Nutzung des Windes durch Windkraftanlagen nicht ausreichend. Sie sagen nur wenig über die Eigenschaften des Windes in Höhen bis zu 150 m aus, insbesondere über die Zunahme der Windgeschwindigkeit mit der Höhe, oder die lokalen Windverhältnisse eines speziellen Geländes aus. Erst seit etwa dreißig 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. Außerdem bildet die langfristige Auswertung der Energielieferung von existierenden Windkraftanlagen eine zusätzliche Datenbasis.

14. Leistungsabgabe und Energielieferung

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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.

15. Umweltverhalten

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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 Kohlendioxyd, Schwefel, Kohlenwasserstoffen oder Stickoxyden noch stellen sie diese und folgende Generationen vor die Probleme des Umganges 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.

16. Anwendungskonzeptionen und Einsatzbereiche

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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.

17. Windenergienutzung im Küstenvorfeld der Meere

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Die Nutzung der Windenergie ,,Offshore“, das heißt die Seeaufstellung von Windkraftanlagen im Küstenvorfeld der Meere, ist in den letzten Jahren zur Realität geworden und wird zumindest in Deutschland als ein entscheidendes Zukunftspotential der erneuerbaren Energien angesehen. Die Entwicklung schreitet in diesem Bereichmit großen Schritten voran – allen Skeptikern zum Trotz. Welche Motive treiben diese Entwicklung an?

18. Planung, Errichtung und Betrieb

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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.

19. Kosten von Windkraftanlagen und Anwendungsprojekten

Zusammenfassung

Die Nutzung der Windenergie zur Stromerzeugung ist aus öklogischen Gründen, insbesondere mit Blick auf den Klimawandel aber auch der Schonung der fossilen Energievorräte mittlerweile eine weitgehend akzeptierte energietechnische Notwendigkeit. Ungeachtet dieser Tatsache muß die Frage nach den Kosten gestellt und beantwortet werden. Die Nutzung der erneuerbaren Energiequellen ,,um jeden Preis“ ist zumindestens unter den heutigen Bedingungen kein realistisches Ziel.

20. Wirtschaftlichkeit der Stromerzeugung aus Windenergie

Zusammenfassung

Die Energieerzeugung ist angesichts der Begrenztheit der fossilen Energieträger und der negativen Umweltauswirkungen die durch ihre Verbrennung verursacht werden oder der Sicherheitsfragen im Zusammenhang mit der Nutzung der Atomenergie ein Thema, 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 Realität sind jedoch zwei verschiedene Dinge.

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