Windkraft
Windkraft ist Sonnenenergie. Die Sonne erwärmt die Erdoberfläche unterschiedlich stark. Dies ist durch z.B. geographische Verhältnisse bedingt. Aus Folge dessen erwärmt sich auch die Luft an verschieden Orten unterschiedlich stark. Daraus entstehen Luftdruckunterschiede (erwärmte Luft dehnt sich aus) und somit Ausgleichsströmungen - Wind.
Der Mensch ist schon sehr lange in der Lage die Kraft des Windes zu nutzen. Segelboote, Getreidemühlen, windbetriebene Wasserpumpen gab es mehr denje in der Vergangenheit.
Technik
Eine Windkraftanlage besteht aus einem Turm, einer Gondel mit Generator und einen Rotor. Nach der Art des Rotors findet die Haupteinteilung der Windkraftanlagen statt.
Man unterscheidet waagerecht und senkrechte Rotorachsen. Zu den senkrechten Rotorachsen zählen der Darrieus-Rotor, der Heidelberg-Rotor und der Savonius-Rotor. Rotoren in senkrechter Achse müssen nicht dem Wind nachgeführt werden. Sie arbeiten bei größeren Nennleistungen jedoch nicht so wirtschaftlich wie Anlagen mit waagerechten Rotoren.
Die meist verbreitetsten Anlagen besitzen eine Rotorachse in waagerechter Lage, mit wenigen Rotorblättern um eine möglichst hohe Drehzahl zu erreichen. Höhere Drehzahlen stellen geringere Anforderungen an die Generatoren, somit wird die Wandlung in elektrische Energie wirtschaftlicher. Diese Anlagen müssen den Wind nachgeführt werden, dazu ist die Gondel auf dem Turm um 360 Grad drehbar angebracht. Die Verstellung geschieht über einen Hilfsantrieb.
Windkraftanlagen mit einen waagerechten dreiblättrigen Rotor besitzen zur Zeit die größte Wirtschaftlichkeit und haben sich demzufolge durchgesetzt. Fast alle Anlagen besitzen diese Form.
Moderne Windkraftanlagen unterscheiden sich äußerlich kaum, die Unterscheide liegen jedoch in der Gondel. Man unterscheidet Windkraftanlagen mit fester Generatordrehzahl und Schaltgetriebe und Windkraftanlagen ohne Getriebe und einen Generator mit variabler Drehzahl.
Anlagen mit fester Generatordrehzahl:
Die Drehzahl des Generators ist durch seine Polpaarzahl und die Netzfrequenz festgelegt. (Drehzahlen: 3000 U/min, 1500 U/min, 750 U/min, 350 U/min, ...) Je höher die Polpaarzahl umso niedriger die Drehzahl und umso teurer der Generator. Deshalb befindet sich zwischen Rotor und Generator ein Getriebe. Dies ist in Stufen schaltbar um eine Anpassung der Rotordrehzahl an die Windverhältnisse zu realisieren. Bei dieser Form der Anlage sind also nur feste Rotordrehzahlen realisierbar, welches einen Nachteil darstellt, da die Rotordrehzahl als Parameter zur optimalen Windausnutzung nur begrenzt zur Verfügung steht. Gleichzeitig müssen diese Anlagen beim Start erst auf Drehzahl gefahren werden, bis eine Zuschaltung an das Netz erfolgen kann.
Anlagen mit variabler Generatordrehzahl:
Zwischen Rotor und Generator befindet sich meist kein Getriebe. Es entstehen also auch keine Getriebeverluste. Die variable Generatordrehzahl hat keinen Einfluss auf die Frequenz des Generators, da dieser mittels einer Leistungselektronik so erregt wird, dass er jederzeit 50 Hz bei 400 V abgibt. Anlagen im Megawatt - Bereich arbeiten mittlerweile fast alle nach diesem Prinzip, da sich große Ströme besser beherrschen lassen als große Kräfte. Diese Anlagen bringen bei schwachen und mittleren Wind relativ höhere Leistungen, da sie die Rotordrehzahl besser an die Windverhältnisse anpassen können. Die Anlagen starten ausschließlich mit der Kraft des Windes.
Pro/Kontra
Windkraft ist zweifellos eine der Säulen der zukünftigen Energieversorgung. Sie ist wirtschaftlich, umweltfreundlich und elektrische Energie ist großtechnisch erzeugbar.
Windkraftanlagen besitzen jedoch auch Nachteile, sie erzeugen Lärm und passen nicht zu jeder Landschaft. Die Aufstellungsorte sollten also mit der nötigen Sorgfalt gewählt werden.
Wind ist vor allen im Binnenland nicht konstant, dadurch kann die abgegebene Leistung der Anlagen innerhalb von Momenten stark schwanken. Dies ist zweifellos eine Herausforderung für die Energiekonzerne, da in Zeiten einer momentanen Windflaute die Lichter der Kunden nicht dunkler werden dürfen. Windkraftanlagen eigenen sich also nicht zur Grundlastdeckung der Netze. Betrachtet man jedoch mehrere Windparks so kompensieren sich diese Schwankungen der abgegebenen Leistung in das Netz jedoch teilweise.
Das Problem besteht darin, dass die Energieversorgen nicht in der Lage sind bei einem schnellen Leistungsabfall der in das Netz einspeisenden Windenergieanlagen, die erforderlichen Anlagen in so kurzer Zeit anzufahren. Um also eine Windflaute besser abfangen zu können wird immer eine bestimmte Reserve vorgehalten ohne das die Energie benötigt wird.
Lösungen bestehen in intelligenten Windvorhersage-Systemen, Offshore-Windkraftanlagen, neuen Kraftwerkkonzepten (virtuelles Kraftwerk) oder in der Wasserstoffwirtschaft. Die meisten Lösungsvarianten würden bedeuten, dass die "Energieversorger" zu "Energiedienstleister" werden.
Zahlen/Fakten
Anlagenwerte:
Windenergieanlagen zur kommerziellen Nutzung werden zwischen 250 kW und 4500 kW angeboten.
Die Turmhöhen betragen 30 bis 130 m, je höher der Turm umso wirtschaftlicher.
Der Rotordurchmesser beträgt 30 m bis 120 m, je größer der Rotordurchmesser umso niedriger ist auch die Rotordrehzahl.
Die Kosten des Stromes aus Windkraft für die reine Erzeugung betragen ca. 3-5 Cent/KWh.
Die Zukunft
Windkraft im Binnenland stößt mehr und mehr auf Widerstand, da sich viele Menschen durch Lärm, Schattenwurf und Aussehen der Anlagen gestört fühlen. Im Binnenland ist die Windintensität außerdem zu stark fluktuierend und im Jahresmittel im Vergleich zur Küstenlage schwächer. Es bedarf zur Windkraft also erlesener Standorte.
Das größte zukünftigste Potential besitzen mit Sicherheit die Offshore-Windparks. Auf Grund der Temperaturunterschiede zwischen Festland und Wasserfläche durch den Tag und Nachtrhythmus kommt es zu gleichmäßigen, starken Ausgleichsströmungen zwischen Festland und See. Windparks im Gigawatt - Bereich Nennleistung sind keine Utopie. Mehrere Offshore-Windparks vor den Küsten der Nordsee sind bereits in Planung. (Natürlich werden keine Offshore-Parks in Naturschutzgebieten wie dem Wattenmeer geplant!)
Bücher
Das große Solar- und Windenergie Werkbuch |
Windenergie Die Herausforderung |
Handbuch Windenergie Technik |
Wind: Strom für Haus und Hof |