Kein Folientitel - Stiftung Deutsches Technikmuseum Berlin

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„Technik von Windkraftanlagen“
Fortbildung für Lehrer zur Ausstellung
„Windstärken“
Deutsches Technikmuseum Berlin
Dipl.-Ing. Jan Liersch
Key Wind Energy GmbH
Bundesallee 171
10715 Berlin
[email protected]
09/2012
Technik der Windenergie
Stiftung Deutsches Technikmuseum Berlin
1
Einführung
Geschichte der Windenergienutzung
Physik des Windes
Windenergienutzung
 Politische und wirtschaftliche Rahmenbedingungen
 Märkte in Deutschland und weltweit
Die Technik dahinter – gängige Windenergieanlagen
 Onshore - Windparks
 Offshore – Windparks
 Kleine Windkraftanlagen
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2
Standardbauform von Windenergieanlagen
WEA Standardbauform:
Luvläufer
(Rotor vor dem Turm)
drei Rotorblätter
horizontale Rotorachse
aktive Windnachführung
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3
An der Windenergienutzung beteiligte Fachrichtungen
Rotorblätter
- Faser- und Verbundstofftechnik
- Aerodynamik
- Strukturmechanik /Leichtbau
Wind
Meteorologie
Turbulenzforschung
Standortbegutachtung
Turm
- Maschinenbau
- Bauwesen
Elektrische Komponenten
- Elektrotechnik
- Elektronik / Regelungstechnik
- Leittechnik
- Netzanschluss
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Gondel / Triebstrang
- Maschinenbau
- Mechanik
- Elektrotechnik
- Automatisierungstechnik
- Schmierstoffe
Fundament
- Bauwesen
- Geologie
4
Evolution der Windmühlen
Project GmbH
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5
Turmwindmühlen & Holländermühle
Mittelmeer-Typ
Holländische Kappwindmühle
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6
Erfindungen und empirische Entwicklungen
 Automatische Windnachführung:
Senkrecht zum Hauptrotor
orientiertes Seitenrad, dreht
automatisch durch
Getriebeübersetzungen
den Turmkopf in den Wind
 Zwei bis drei simultan arbeitende
Mahlsteine zur Anpassung der
Mahlleistung an die
Windgeschwindigkeiten
 Regelung des Windrotors
Jalousieflügel zur Reduktion der
effektiven Flügelfläche bei
steigendem Wind
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Alte und neue “Windmühlen” Deutschland
Im Hintergrund: ENERCON E40 (1994), Getriebelos, 40 m Rotor, 500 kW installierte Leistung
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Deutsches Forschungsprojekt GROWIAN
 Name: Große Windkraftanlage
 Standort: Kaiser-Wilhelm-Koog,
1983-88
 Nabenhöhe: 100,0 m
 Rotor: D = 100,4 m - Leeläufer
 Nennleistung: 3 MW
 Nenndrehzahl: 18,5 U/min
 Blattspitzengeschwindigkeit: 100 m/s
 Leistungsbeiwert der Anlage: 0,42
 Gondelgewicht inkl. Rotor: 420 t
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9
Einführung
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10
Erneuerbare Energien - Potenzial weltweit
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11
Windenergie – Globale Luftströmungen
Aufgrund der Temperaturunterschiede zwischen dem
Äquator und den Polen kommt es zu thermischen
Strömungen
Die globale Zirkulation
ist überlagert von lokalen
Besonderheiten
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12
Globale Temperaturen
verursacht durch Sonneneinstrahlung
April 2006
[www.ssec.wisc.edu]
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13
Strahlungsbilanz der nördlichen Hemisphäre
Der Wind entsteht durch Sonneneinstrahlung auf die Erde
Energieüberschuss am Äquator
(Erhitzung der Luft  Aufsteigen der Luft)
Energiedefizit an den Polen (Abkühlung der Luft)
Ausgleich durch die globale Luftströmung vom Äquator zu
den Polen
+
_
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14
Windstärken in Europa
Durchschnittliche
Windgeschwindigkeiten
Achtung: Messhöhe beachten!
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15
Ungestörte Luftströmung verlangsamt sich zum
Erdboden hin durch die Oberflächenreibung
 Ab ca. 1.000 m über der Erdoberfläche befindet
sich ungestörte Luftströmung
 Darunter reibt sich Luftströmung an Erdoberfläche,
wodurch sich die Windgeschwindigkeit verringert
 Je stärker die Rauigkeit, desto stärker ist der
Abbremsvorgang
Offshore Windpark
Tunø Knob (Dänemark)
 Wichtig bei WEA-Standorten:
• Rauigkeit des Geländes
• Hindernisse:
große Gebäude,
einzelne Bäume etc.
• Kontur des Geländes
(Orographie)
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Typischer Windpark in
komplexem Gelände (Deutschland)
16
Lokale Windbedingungen – Grenzschichten
Schichtung der Troposphäre:
• In der planetarischen Grenzschicht (ca. 0,5 – 2 km) wird der Wind von der
Oberflächenform der Erde beeinflusst
• “Ekman Schicht” (ca. 1 km), Winddrehungen und Windzunahme des
Reibungswindes
• Bodennahe Luftschicht, auch “Prandtl Schicht” genannt
(ca. 80 m – 150 m), starke Beeinflussung durch Erdoberfläche
11 km
Tropopause
Freie Atmosphäre
Troposphäre
1 km
Bodennahe Schicht
Erde
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Rauigkeitsklassen
Europäischer Windatlas: Beschreibung der Rauhigkeitslänge z0 mit Bildern
z0 = 0,0002 m
z0 = 0,10 m
Rauhigkeitslänge:
z0 = 0,03 m
z0 = 0,40 m
Maß für die Störung in der Luftströmung – Turbulenz
(Größe der „störenden“ Luftwirbel )
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Unterschiedliche vertikale
Windgeschwindigkeitsverteilungen
300
Rauhigkeitslänge z0 in m
1,00m
Höhe h in m
250
200
0,10m
Stadt, Wald
geringer Bewuchs
0,01m
Weide, Rasen
0,005m Ruhige See, Sand
150
See
Stadt
vKüste
vStadt
Je nach z 0 unterschiedliche Geschwindigkeit in Nabenhöhe und verschieden
starker Windgradient im Rotor!
100
Annahme: Gleiches v1 = 10 m/s
bei Messhöhe h1 = 20 m
50
0
0
5
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vhub.Küste
10
Windgeschwindigkeit v in m/s
15
vhub.Stadt
20
19
Windgeschwindigkeit in Abhängigkeit von Höhe
(vereinfachte Darstellung)
[BWE]
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Temperaturunterschiede zwischen Land und See treiben das
lokale thermische System an.
Tag und Nachtströmungen bewegen sich in entgegen gesetzte
Richtungen.
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[www.meted.ucar.edu/npoess/microwave_topics/land_ocean/print.htm#s1p0]
Windenergie – verursacht durch Sonneneinstrahlung
Lokaler Effekt: See-Land-Brise
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Windenergie – Beeinflussungen in Bodennähe
Lineare
Strömung
Turbulente
Strömung
Hindernisse
www.aee.or.at
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Lokale und Regionale Windsysteme – Extremwetter
 nicht geeignet für Windenergienutzung
Wirbelstürme
Hurrikan / Tornado
• Luftmassenbewegung aufgrund
von hohen
Temperaturunterschieden
• Hohe Windgeschwindigkeiten
verursachen schwere Schäden
• Nicht geeignet für
Windenergienutzung
[Australian News]
Tropischer Wirbelsturm “Yasi” triff auf Australien
05.02.2011
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Einführung
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Windstärken nach Beaufort
 jede Kreisfläche enthält das gleiche Leistungsangebot
6
3·1
km/h · 1878 m² entspr
ech
en
ad
-Gr
t
r
o
uf
a
e
4 · 24 km
/h ·
8 · 68 km/h · 24 m²
9 · 81 km/h · 14 m²
53
2
m
m²
5
8
²
m/h · 4
5k
3
7·
km/h · 86
²
44
m
6·
ad 5 · 34 km/
r
h
G
·
rt-
6m
19
Bea
uf
o
²
B
B
rad
10
G
t
0.0
r
3
·
schwacher
Wind
·
fo
00
u
Blätter
und
dünne
Zweige
bewegen
sich
a
W
e
4 · mäßiger Wind ·
Zweige und dünne Äste bewegen sich
5 · frischer Wind · kleine Bäume beginnen zu schwanken
6 · starker Wind · starke Äste bewegen sich
7 · steifer Wind · Bäume bewegen sich
8 · stürmischer Wind · Zweige brechen
9 · Sturm · kleine Schäden an Häusern und Dächern
9
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25
Windkraft nutzen – aber wie?
Windenergie ist die kinetische Energie (Bewegungsenergie) sich
bewegender Luftmassen.
Diese Energie wird in der Rotorfläche
dem Luftstrom entzogen.
v1
EWind
1
2
mv1
2
A
Rotor
Windleistung ist Energie pro Zeit:
P1 = Pex + P3
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Leistungsumsetzung durch die Windenergieanlage
Rotorverluste
Windleistung in der Rotorfläche:
PWind
E
1 2
mv 1
2
1
3
ρAv1
2
Rotorleistung:
PRotor
 c
E
(v1 )
Wind P .Rotor
1
3
ρAv1 cP.Rotor (v1 )
2
nutzbare
Rotorleistung
Windleistung
cP – Leistungsbeiwert (Effizienz)
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Physikalisches Leistungsmaximum (nach A. Betz, 1920)
Wirkungsgrad
Leistungsbeiwert cp
•
v3/v1 = 1 bedeutet keine
Leistungsentnahme durch den Rotor
•
v3 = 0 bedeutet völligen Stillstand der Luft
im Rotor (physikalischer Unsinn)
•
Der optimale Leistungskoeffizient (größte
Effektivität) zwischen den Werten ist
gegeben bei
v3/v1 = 1/3 resp. v2/v1 = 2/3
0%
Windverhältnis = v3 /v1
Abminderung Wind
100%
• Das theoretische Leistungsmaximum (Wirkungsgrad) liegt bei 59,3%
• Moderne Windenergieanlagen erreichen eine Rotoreffizienz von ca. 50%
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Leistungsentnahme aus dem Wind
Spezifische Leistung in W/m²
Leistung der Windgeschwindigkeit (kinetische Leistung)
Leistung im Wind nach A. Betz
Leistungskurve einer WEA
Windgeschwindigkeit v in m/s
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Windenergie nutzen – physikalische Prinzipien
“Auftriebssprinzip”: Eine schmale
Segelfläche lenkt den Wind um.
Die Strömungsumlenkung bewirkt
eine Auftriebskraft.
FL
“Widerstandsprinzip”: Ein
breites Segel bremst den Wind
stark ab. Es entsteht eine
Widerstands- bzw. Schubkraft.
FD
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30
Modell eines Schalenkreuz-Anemometers
• Vereinfachte Darstellung mit nur 2 Schalen
• Widerstand gegen den Wind der offenen Halbschale
größer als der geschlossenen
•  Drehung im Uhrzeigersinn
cW1 = 1,3
v
v-u
v+u
u
WindAnströmgeschwindigkeit geschwindigkeit
09/2012
u
A
cW2 = 0,34
Umfangsgeschwindigkeit
31
Physik des Auftriebsläufers
PW = ½ ρ • (p • D2/4) • v3 • cP
Nutzbare Leistung im Wind
Schnelllaufzahl:
Verhältnis von Umfangsgeschwindigkeit des Flügels
Schnelllaufzahl:
= ( R) / v
zur Windgeschwindigkeit
Prinzip der Leistungsentnahme:
Widerstandläufer (cP,max =0,16)
Auftriebsläufer
(cP,max =0,59)
Kräfte am Flügel:
Auftriebskraft, Widerstandskraft
A = cA(
W = cW(
A)
A)
½
½
• c 2 (t • b)
• c 2 (t • b)
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Druckverteilung am Blattprofil eines Auftriebsläufers
 Das Blatt wird mehr nach
oben gesogen als von unten
getragen
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33
3 Punkte, die der Windmüller wissen muss
Die Formel für die Windleistung enthält Windgeschwindigkeit ³
d.h. doppelte Windgeschwindigkeit liefert 8-fache Leistung
Aktuelle Windenergieanlagen arbeiten mit dem Auftriebsprinzip
wie Flugzeuge, Hubschrauber oder Segeljollen,
Nicht wie Rahsegler und Anemometer
Man kann nur maximal 59% der Windleistung nutzen
(Physikalischer Wirkungsgrad nach Betz)
Der Gesamtwirkungsgrad von WEA liegt ca. bei 50%
09/2012
34
Einführung
09/2012
35
Kalkulationsschema für den Energieertrag
Etotal
Ei
Ei in kWh
hi PiT
hi Relative Häufigkeit der Windklasse in %
Pi El. Leistungsertrag der Windklasse vi
T Zeitperiode (z.B. Jahr = 8760h)
Ei Energieertrag der Windklasse
Etotal Gesamtenergieertrag in Zeitperiode
Resultierende
Ertragskurve (c)
Pi in kW
=
(a)*(b)*T ]
vi in m/s
PN
Leistungskurve
(b)
der WEA
hi in %
vN
vi in m/s
09/2012
vi in m/s
Windhistogramm des
Standorts (Berlin)
(a)
36
Entwicklung der gesetzlichen Bestimmungen
09/2012
37
Netzgebundene WEA
Installierte Leistung in MW
Globale Installation 1996 - 2011: 238.351 MW
Jahr
09/2012
[Global Wind Energy Council (GWEC), 2012]
38
Windenergie weltweit 2012
Top 10 der installierten Leistung und deren Marktanteil in Prozent
Land
MW (02/12)
China
62.733
USA
46.919
Deutschland
29.060
Spanien
21.674
Indien
16.084
Frankreich
6.800
Italien
6.747
Großbritannien
6.540
Kanada
5.265
Großbritannien
3%
Italien
3%
Frankreich
3%
Indien
8%
Kanada Portugal
3%
2%
China
30%
Spanien
11%
Deutschland
14%
USA
23%
Quelle: DEWI, 2012
Portugal
4.083
Gesamt Top 10 205.905
09/2012
39
Windenergieanlagen
in Deutschland
Räumliche Verteilung der
installierten Leistung aller in
Deutschland installierten
WEA (in MW).
Quelle: windmonitor
Stand 2010
09/2012
40
Installierte und kumulierte Wind Leistung in Deutschland
Installierte Leistung kumuliert [MW]
Jährlich installierte Leistung [MW]
Stand: 06/2012
Quelle: DEWI 2012
Gesamt:
30.016 MW
Neubau 1. HJ 2012: 1.003 MW
09/2012
41
Quelle: DEWI, 2012
Windenergie-Nutzung in den Bundesländern
– Rangfolge nach installierter Leistung
09/2012
42
Einführung
09/2012
43
Die Technik einer modernen WEA
Kompakte Gondel, aber Rotorlast wirkt sich auf Getriebe aus – heute gibt es spezielle WEA
Getriebe
Spannsatz
Konische Rotorwelle
Rotorhauptlager
Kühler
Generator
3
Blattlager
1
2
Elektronik
[DeWind D8]
Pitch
Getriebe
Maschinenträger
Spinner
Elastomerlager
Nabe
Windnachführungsmotoren
09/2012
Drei-Punkt Befestigung für Rotorwelle:
festes Rotorhauptlager und
zwei flexibel Gummigetriebelager
44
Die Entwicklung der Windtechnik –
500 Mal mehr Energieertrag seit 1980
09/2012
45
Marktanteile am Neubau in Deutschland – 2009/2010
09/2012
46
WEA: Onshore (1)
REpower 3.XM - Baureihe
• Prototyp nahe Husum, Ende 2008
• REpower 3.4M
o Nennleistung: 3,4 MW
o Rotordurchmesser: 104 m
o Nabenhöhen: 78 – 128 m
• REpower 3.2M
o Nennleistung: 3,2 MW
o Rotordurchmesser: 114 m
o Nabenhöhe: 93 m
[REpower]
[REpower]
[REpower]
09/2012
47
WEA: Onshore (2)
Enercon E-101
Prototyp 2010
3 MW, 101 m Rotordurchmesser
(www.enercon.de)
99 m / 135 m Nabenhöhe
09/2012
48
[Key Wind Energy]
WEA: Onshore (3)
Enercon E-126
 Prototyp Rysumer Nacken nahe
Emden, November 2007
ca. 18 WEA errichtet
 6 - 7,5 MW
ca. 18 GWh/Jahr
(18 Mio. kWh/Jahr)
 Rotorblatt besteht aus
2 Segmenten,
im Inneren aus Stahl
09/2012
[ENERCON]
[wikipedia]
 127 m Rotordurchmesser
135 m Nabenhöhe
49
Die höchste Windturbine
Fuhrländer FL2500
Laasow, Brandenburg
Gitterturm:
162 m
Rotordurchmesser : 100 m
Gesamthöhe:
212 m
Nennleistung:
2.500 kW
Fuhrländer.de press release: 01/2007
09/2012
50
Offshore Windenergie-Technologie
Wartung
Netzanbindung
Installation
Wirtschaftlichkeit, Risiko
Tragstruktur
09/2012
Windenergieanlage
51
Was ist speziell an der WEA-Offshore-Technik?
 Turbinenkonzepte
• Zuverlässig
• Robust gegen Schwerwetter und Korrosion
 Tragstrukturen
• Abhängig von Wassertiefe und Seeboden
 Installation von Fundament, Turm und Turbine
• Wetterabhängig
• Verfügbarkeit von Kran- und Installationsschiffen
 Betrieb & Wartung
• Zugänglichkeit begrenzt (Boote, Spezialschiffe, Helikopter)
 Netzanbindung
• Seekabelwege
• Kapazität (HGÜ oder Wechselspannung) & Transformatorstation
• Netzintegration
09/2012
52
WEA: Onshore und Offshore (1)
Vestas V90 - 3MW
• Prototyp: 2002
• 3 MW, 90 m Rotordurchmesser
• Mehr als 500 WEA Offshore und Onshore in Betrieb
[ GE Deutschland]
[Vestas]
Vestas V112 - 3 MW
• Prototyp 2009
• 85 m / 119 m Nabenhöhe
[Vestas]
• Synchrongenerator mit PM
09/2012
53
[RenewableEnergyWorld]
WEA: Onshore und Offshore (2)
REpower 5M
• Prototyp: Oktober 2004
• 6 WEA Offshore (WP alpha ventus),
weitere Onshore
REpower 6M
• 3 Prototypen
(onshore)
März 2009
• 6,150 MW
[REpower]
09/2012
[REpower]
• 126 m Rotordurchmesser
54
WEA: Offshore (1)
Bard 5.0
• 2 Prototypen Onshore in Emden
• 1 Prototyp Nearshore in Hooksiel, BARD
Offshore 1 z.Z. im Bau
• 5 MW Nennleistung
• 90 m Nabenhöhe
[www.bard-offshore.de]
Areva Wind M5000 (ehem. Multibrid)
• Prototyp: Dezember 2004
• 5 MW Nennleistung
• 6 WEA Offshore (WP alpha ventus),
weitere Onshore
[www.multibrid.com, 2009]
09/2012
55
WEA: Offshore (2)
Siemens SWT-3.6-120
• 3,6 MW Nennleistung
• 2 Prototypen nahe Kopenhagen,
Dänemark errichtet im Dezember 2009
Siemens SWT-3.6-107
• 3,6 MW Nennleistung
[www.siemens.com]
• Mehr als 100 WEA
in Betrieb
Windpark Burbo, Großbritannien
09/2012
56
Bauarten von Kleinwindenergieanlagen (KWEA)
[Quelle: Qualitätssicherung im Sektor der Kleinwindenergieanlagen,
BWE 2011]
09/2012
57
www.vertikalewindkraftanlagen.de
www.kleinwindanlagen.de/html/flip_150.html
www.kleinwindanlagen.de/html/selbstbau.html
Beispiele für Bauformen von KWEA
3 - Blatt Rotor
H-Darrieus-Rotor
09/2012
2 - Blatt Rotor
58
Türme von KWEA
www.kleinwindanlagen.de
Stahlrohr
Abgespannter
Mast
Gitterturm
09/2012
59
wwindea.org
Anwendungen für KWEA
Betrieb von
Telekommunikationseinrichtungen
09/2012
Batterielader für Boote
Betrieb von
elektrischen Zäunen
60
Prognose der jährlichen neu installierten
Windenergieleistung in Deutschland
[DEWI-Studie 2008]
Stand 2011
09/2012
61
Unterrichtsmaterialien
 Österreichische Interessensgemeinschaft Windkraft
 http://igwindkraft.at/kinder/
 BMU Bildungsmaterialien für Grundschulen –
Erneuerbare Energien
http://www.bmu.de/bildungsservice/bildungsmate
rialien/grundschule/doc/46177.php
09/2012
62
09/2012
63
Arbeitsfelder in der Windenergie
Forschung & Lehre
Entwicklung & Konstruktion
Fertigung & Montage
Service, Wartung,
Instandhaltung
Technisch-gewerbliche Berufe
Ingenieure
Naturwissenschaftler
Wirtschafts- & Finanzwesen
Projektplanung
Standortbegutachtung
Umweltplanung & -technik
Finanzierung, Verwaltung
09/2012
64
Arbeitsfeld: Fertigung
 Rotornabe
 Rotorblatt
09/2012
65
Arbeitsfeld: Service & Wartung
09/2012
66
Vielen Dank!
09/2012
67

Kein Folientitel - Stiftung Deutsches Technikmuseum Berlin

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