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2014 | Buch

Windkraftanlagen

Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit

verfasst von: Erich Hau

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Über dieses Buch

Das Handbuch behandelt die Technologie moderner Windkraftanlagen systematisch und umfassend. Nach einem Abriss der historischen Entwicklung der Windenergietechnik werden die physikalisch-technischen Grundlagen der Windenergiewandlung, der konstruktive Aufbau, die Einsatzkonzeptionen und Betriebseigenschaften der Windkraftanlagen, ihre Umweltverträglichkeit sowie die Wirtschaftlichkeit der Stromerzeugung aus Windenergie analysiert und an konkreten Beispielen dargestellt. Das erstmals vor 25 Jahren erschienene Buch vereint die Summe der Erfahrungen des Autors, ausgehend von seiner ingenieurwissenschaftlichen Tätigkeit bis zur Planung und Finanzierung von Projekten auf dem Gebiet der Windenergienutzung in den letzten Jahren.

Das Buch wendet sich in erster Linie an Personen, die beruflich mit der Entwicklung und dem Bau von Windkraftanlagen oder der Planung von Windenergieprojekten beschäftigt sind. Die bewusst vom Autor gewählte Darstellung der Inhalte ermöglicht es aber auch dem interessierten Laien und dem Studierenden sich in das Gebiet der Windenergietechnik an Hand des Buches einzuarbeiten.

Die 5. Auflage beinhaltet eine durchgehende Aktualisierung und Ergänzung fast aller Kapitel entsprechend dem neuesten Stand von Wissenschaft und Technik. Unter anderem werden die sich deutlicher abzeichnenden erfolgreichen Alternativen für die Konzeption des mechanischen Triebstranges differenzierter dargestellt und miteinander verglichen. Die verschiedenen Bauarten der Türme werden, vor dem Hintergrund der stetig zunehmenden Turmhöhen, unter technischen und wirtschaftlichen Aspekten gegenübergestellt. Bei den elektrischen Systemen sind es die Eigenschaften im Hinblick auf die im deutschen Verbundnetz immer wichtigere Netzverträglichkeit, die eine eingehendere Behandlung erforderte. Im Hinblick auf die Windenergienutzung wird den immer komplexer werdenden Aufgaben, die mit der Planung von Windparkprojekten verbunden sind, breiterer Raum gewidmet.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
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.
Erich Hau
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
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
4. Physikalische Grundlagen der Windenergiewandlung
Zusammenfassung
Die primäre Komponente einer Windkraftanlage ist ein Energiewandler, der die kinetische Energie der 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 Luftstrom mit Hilfe eines scheibenförmigen, rotierenden Windenergiewandlers folgt einer eigenen grundsätzlichen Gesetzmäßigkeit. Diese wurden bereits im neunzehnten Jahrhundert zu den Physikern Froude und Rankin erkannt.
Erich Hau
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.
Erich Hau
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.
Erich Hau
7. 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
8. 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.
Erich Hau
9. 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.
Erich Hau
10. 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.
Erich Hau
11. 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 inakzeptabel. Die Wirtschaftlichkeit verlangt darüber hinaus von der Regelung, daß in jedem Betriebszustand ein möglichst hoher Wirkungsgrad erzielt wird.
Erich Hau
12. Turm und Fundament
Zusammenfassung
Der Turmist ein wesentlicher Bestandteil einer Horizontalachsen-Windkraftanlage. Dieser Umstand ist sowohl ein Vor- als auch ein Nachteil. Nachteilig sind natürlich die Kosten, die einen beträchtilichen Teil 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.
Erich Hau
13. Windverhältnisse
Zusammenfassung
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.
Erich Hau
14. Leistung 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
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 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.
Erich Hau
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.
Erich Hau
17. Windenergienutzung im Küstenvorfeld der Meere
Zusammenfassung
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.
Erich Hau
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.
Erich Hau
19. Kosten von Windkraftanlagen und Anwendungsprojekten
Zusammenfassung
Die Nutzung der Windenergie zur Stromerzeugung ist aus ökologischen Gründen, insbesonderemit Blick auf den Klimawandel aber auch der Schonung der fossilen Energievorräte mittlerweile eine weitgehend akzeptierte energietechnische Notwendigkeit. Ungeachtet dieser Tatsachemuß die Frage nach den Kosten gestellt und beantwortet werden. Die Nutzung der erneuerbaren Energiequellen „um jeden Preis“ ist zumindest unter den heutigen Bedingungen kein realistisches Ziel. Die Diskussion um den richtigen Weg in der Energiewende hat dies überdeutlich werden lassen.
Erich Hau
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.
Erich Hau
Backmatter
Metadaten
Titel
Windkraftanlagen
verfasst von
Erich Hau
Copyright-Jahr
2014
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-642-28877-7
Print ISBN
978-3-642-28876-0
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-642-28877-7