Grundlagen Windkraft - E

Grundlagen Windkraft
Abstract / Zusammenfassung des Lernfelds
Windkraft ist eine Form erneuerbarer Energie, die für die Stromproduktion genutzt wird. In
diesem Lernfeld wird erklärt, wie eine Windkraftanlage funktioniert und aus welchen
Komponenten sie sich zusammensetzt. Unterschiedliche Rotortypen werden beschrieben
und verglichen. Es wird gezeigt, wie die Leistung einer Windkraftanlage berechnet werden
kann und welche Leistungen derzeitige Anlagen erbringen. Mit Windkraft wird ein Teil des
weltweiten Strombedarfs gedeckt; im Lernfeld werden die Gesamtleistungen verschiedener
Länder gezeigt und die zukünftigen Potenziale von Windkraft als erneuerbarer Energie
aufgezeigt.
1
Inhaltsverzeichnis
1.
LERNZIELE .......................................................................................................................... 4
2.
ZUM NACHDENKEN ... ......................................................................................................... 4
3.
EINLEITUNG ........................................................................................................................ 5
3.1. Zum Üben... .................................................................................................................. 8
4.
FUNKTIONSWEISE EINER WINDKRAFTANLAGE ................................................................ 9
4.1. Zum Üben... ................................................................................................................ 10
5.
KOMPONENTEN EINER WINDKRAFTANLAGE ...................................................................11
5.1. Zum Üben... ................................................................................................................ 12
6.
WELCHE ROTORTYPEN GIBT ES? .....................................................................................13
6.1. Rotoren mit horizontaler Drehachse .......................................................................... 13
6.1.1.
Dreiblattrotor ....................................................................................................... 13
6.1.2.
Zweiblattrotor ...................................................................................................... 13
6.1.3.
Einblattrotor ........................................................................................................ 13
6.2. Rotoren mit vertikaler Drehachse............................................................................... 13
6.2.1.
Darrieus-Rotor .................................................................................................... 14
6.2.2.
Savonius-Rotor ................................................................................................... 14
6.3. Zum Üben... ................................................................................................................ 15
7.
WIE WIRD DIE LEISTUNG EINER WINDKRAFTANLAGE BERECHNET? .............................16
7.1. Welche Nennleistung haben derzeitige Windkraftanlagen? ...................................... 17
7.2. Zum Üben... ................................................................................................................ 18
8.
AKTUELLE WINDKRAFTNUTZUNG ....................................................................................19
8.1. Windkraftnutzung in der Europäischen Union (EU) ................................................... 19
8.2. Windkraftnutzung in Österreich .................................................................................. 20
8.3. Zum Üben... ................................................................................................................ 21
9.
WINDKRAFT – EINE VOLATILE STROMQUELLE ................................................................22
9.1. Zum Üben... ................................................................................................................ 22
10.
AKZEPTANZ GEGENÜBER WINDENERGIE.....................................................................23
10.1. Vogelschutz ................................................................................................................ 23
2
10.2. Schallentwicklung und Schattenwurf.......................................................................... 23
10.3. Zum Üben... ................................................................................................................ 24
11.
ZUKÜNFTIGE TRENDS ....................................................................................................24
11.1. Zum Üben... ................................................................................................................ 25
12.
QUELLEN ........................................................................................................................26
13.
ÜBERSICHT AUFGABEN .................................................................................................28
14.
ABBILDUNGSVERZEICHNIS ...........................................................................................30
15.
IMPRESSUM ....................................................................................................................31
3
1. Lernziele
•
•
•
•
•
•
Komponenten einer Windkraftanlage aufzählen
Geschichte der Windkraft skizzieren und frühe Ansätze beschreiben
Verschiedene Rotortypen vergleichen
Die Funktionsweise einer Windkraftanlage darstellen und erklären
Die Leistung einer Windkraftanlage berechnen sowie Kennwerte definieren
Probleme der Netzintegration diskutieren
2. Zum Nachdenken ...
Aufgabe 1: Welche Möglichkeiten, Windenergie technologisch zu nutzen, kennen Sie?
Abbildung 1: Würde Don Quijote heute gegen Windkraftanlagen kämpfen? (Quelle: Stefan
Prokupek, GrAT)
4
3. Einleitung
Wind ist die Bewegung von Luft in der Atmosphäre. Er entsteht unter anderem durch die
unterschiedliche Verteilung von warmen und kalten Luftmassen, die Luftdruckänderungen
nach sich ziehen (warme Luft hat eine geringere Dichte als kalte). Je größer die
Luftdruckunterschiede, umso heftiger der Wind.
Die Verlässlichkeit von Wind und seine Stärke sind wesentliche Faktoren für die
Wirtschaftlichkeit von Windkraftanlagen.
Unterschieden werden können regionale und globale Winde. Letztere entstehen regelmäßig
und zu bestimmten Zeiten. Beispiel dafür sind die Passatwinde wie der Harmattan in Afrika.
Er setzt im Februar ein und dauert etwa drei Monate.
Regionale Winde sind nicht in dieser Weise vorhersagbar. Sie werden unter anderem
beeinflusst durch topografische Gegebenheiten. Gebirge, enge Täler, Bergkämme sowie
Ebenen haben jeweils andere Bedingungen.
Genutzt wurde Wind bereits in vorchristlicher Zeit. Frühe Beispiele sind persische
Windmühlen zum Mahlen von Getreide. Diese Windräder wurden und werden nach wie vor
aus Holz gebaut und haben eine vertikale Rotordrehachse mit „Windschaufeln“. Ihre
Besonderheit ist, dass sie nicht frei aufgestellt, sondern in einen Halbturm eingemauert
werden, der als Windfang fungiert.
Abbildung 2: Persische Windmühle (Quelle: Kaboldy;
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=
Datei:Perzsa_malom.svg&filetimestamp=20091123122655)
5
Schauen Sie nach auf YouTube!
Die ältesten Windmühlen der Welt im Iran – noch immer in Betrieb
http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&NR=1&v=lhjww8FBsZk
Dauer: 0:25 min.
Die Geschichte der Windkraftnutzung zur Stromerzeugung beginnt im 19. Jahrhundert mit
dem amerikanischen Gründer der Elektrizitätswirtschaft Charles F. Brush (1849–1929). Er
entwickelte nicht nur einen sehr effektiven Gleichstromgenerator und eine kommerzielle
Lichtbogenlampe, sondern baute in den Jahren 1887 bis 1888 auch die erste
vollautomatische Windkraftanlage zur Stromerzeugung. Die Ausmaße dieser Maschine
waren, mit einem Rotordurchmesser von 17 Metern und insgesamt 144 Rotorblättern,
gigantisch.
Abbildung 3: Die Windkraftanlage von Charles F. Brush (Quelle:
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Wind_turbine_1888_Charles_Brush.jpg)
Die Windkraftanlage von Brush lieferte 20 Jahre lang genug Energie, um alle Batterien im
Keller seines Wohnhauses mit Energie zu versorgen. Trotz der enormen Größe der Anlage
betrug die Leistung des Generators jedoch nur 12 kW. Das lag an den langsam rotierenden
Blättern.
Eine verbesserte Leistung brachte die Entdeckung des Dänen Poul la Cour (1846–1908).
Dieser fand heraus, dass Anlagen mit weniger Rotorblättern, aber höherer Geschwindigkeit
wesentlich effizienter für die Stromerzeugung eingesetzt werden können.
6
Abbildung 4: Windrad nach den Prinzipien Poul la Cours in Vallekilde um 1905 (Quelle:
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:1907_Windrad_Vallekilde.jpg&filetimestamp=
20071230083133)
Poul la Cour war ausgebildeter Meteorologe, beschäftigte sich mit den Gesetzen der
Aerodynamik und verfügte über einen Windkanal, in dem er Experimente durchführte.
La Cour war vor allem an der Speicherung von Energie interessiert und benutzte den Strom
einer Windkraftanlage, um mittels Elektrolyse Wasserstoff für das Gaslicht in einer Schule zu
erzeugen. Die Beleuchtung des Gebäudes war zwar gesichert, aber es kam immer wieder zu
Explosionen, die die Fenster des Schulgebäudes zerstörten, da der Wasserstoff kleine
Spuren von Sauerstoff enthielt.
Schon 1904 hielt Poul la Cour regelmäßig Kurse für angehende Windkraft-Elektroingenieure
an der Volkshochschule und baute in diesem Rahmen mehrere Testanlagen. Gleichzeitig
gründete er die Gesellschaft der Windkraft-Elektroingenieure, die schon bald fast 400
Mitglieder verzeichnete.
Bereits 1918 wurden in Dänemark 120 Elektrizitätswerke durch eine Windkraftanlage mit
Energie versorgt. Die Anlagen deckten zu diesem Zeitpunkt rund 3 % des dänischen
Stromverbrauches ab. In den nachfolgenden Jahren wurde das Interesse an Windkraft
geringer, bis im Zweiten Weltkrieg Engpässe in der Energieversorgung auftraten.
Während des Zweiten Weltkrieges baute Johannes Juul, ein ehemaliger Schüler von Poul la
Cour, die weltweit erste Windkraftanlage zur Erzeugung von Wechselstrom. Diese
7
Konstruktion war richtungsweisend für alle modernen Anlagen und war lange Zeit die größte
Anlage der Welt. Sie zeichnete sich durch hohe Zuverlässigkeit aus, denn sie lief elf Jahre
komplett ohne Wartung. 1975 ließ die NASA die Windkraftanlage generalüberholen und
verwendete sie für Messungen im Rahmen des amerikanischen Windenergie-Programms.
3.1. Zum Üben...
Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht
Aufgabe 2: Wann begann die Geschichte der Windkraftnutzung zur Stromerzeugung?
Aufgabe 3: Durch welche Maßnahme konnten die ersten Windkraftanlagen verbessert
werden?
8
4. Funktionsweise einer Windkraftanlage
Grundsätzlich wird die Bewegungsenergie (kinetische Energie) des Windes zur Produktion
von Strom genutzt. Eine Windkraftanlage liefert ihre Leistung, indem sie die Kraft des
Windes in ein Drehmoment (drehende Kraft, mechanische Energie) an den Rotorblättern
umwandelt. Diese wird wiederum von einem Generator in elektrische Energie umgewandelt.
Abbildung 5: Vereinfachtes Schema der Wirkungsgradkette einer Windenergieanlage
(Quelle: GrAT)
Die Energiemenge, die der Wind auf den Rotor überträgt, hängt von drei Faktoren ab: der
Luftdichte, der Rotorfläche und der Windgeschwindigkeit.
Wichtige Kennwerte der Windkraftanlage
Der Leistungsbeiwert (realer Wirkungsgrad) gibt an, wie effizient eine Windkraftanlage die
Energie im Wind in Elektrizität umwandelt. Leistungsbeiwert cp = elektrische Abgabeleistung
dividiert durch die Leistung, die der Wind zur Verfügung stellt. Theoretisches Maximum: 0,59
(nach Albert Betz)
Die Schnelllaufzahl zeigt das Verhältnis von Umfangsgeschwindigkeit des Rotors zu
Windgeschwindigkeit. Schnelllaufzahl λ = Umfangsgeschwindigkeit/Windgeschwindigkeit.
9
Die kinetische Energie eines bewegten Körpers ist proportional zu seiner Masse (oder
seinem Gewicht). Deshalb hängt die kinetische Energie des Windes von der Luftdichte ab,
also von der Masse pro Volumenseinheit. In anderen Worten: Je „schwerer“ die Luft, umso
mehr Energie kann die Anlage aus ihr entnehmen.
Eine Windkraftanlage mit 1000 kW hat einen Rotordurchmesser von 54 m, das ergibt eine
Rotorfläche von 2300 m2. Die Rotorfläche bestimmt, wie viel Energie eine Windkraftanlage
dem Wind entziehen („ernten“) kann. Da die Rotorfläche mit dem Quadrat des
Rotordurchmessers zunimmt, kann eine doppelt so große Anlage 22 = 2 x 2 = viermal so viel
Energie ernten.
Die durchschnittliche Anlagengröße lag in Österreich 2013 bei 2,9 MW (Biermayr et al.
2014). Bei den installierten Offshore-Windenergieanlagen lag die durchschnittliche
Nennleistung Ende 2013 bei 3,1 MW. „Mittlerweile stehen offshore bereits 183
Windenergieanlagen mit einer Nennleistung von mindestens 5 MW, alle in europäischen
Gewässern. Im belgischen Windpark Thornton Bank sind Anlagen mit 6,15 MW und 126 m
Rotordurchmesser angeschlossen“ (IWES 2014).
4.1. Zum Üben...
Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht
Aufgabe 4: Von welchen drei Faktoren hängt die Energiemenge ab, die der Wind auf den
Rotor überträgt?
Aufgabe 5: Wie liefert eine Windkraftanlage eine Leistung?
Aufgabe 6: Wovon hängt die kinetische Energie des Windes ab?
10
5. Komponenten einer Windkraftanlage
Die Kernstücke einer „klassischen“ Windkraftanlage sind der Rotor (bestehend aus
Rotorblättern und Nabe), die Rotorwelle, ein Getriebe und ein Generator. Das Getriebe, der
Generator und der Frequenzumrichter befinden sich in der Gondel.
Die Rotationsenergie des Rotors wird durch die Rotorwelle auf das Getriebe übertragen.
Dieses hat die Funktion, auf eine Drehzahl zu übersetzen, die dem Generator angepasst ist.
Je nach Bauart gibt es verschiedene Übersetzungsstufen. Der Generator wandelt dann die
mechanische Energie in elektrische Energie um.
Weitere Basiskomponenten sind die elektrische Ausrüstung zur Netzeinspeisung und die
Steuer- und Überwachungssysteme für den gesamten Anlagenbetrieb. Eine wichtige
Komponente sind außerdem leistungsstarke Bremsen, die hohen Belastungen standhalten
können. Bremsen werden daher mehrfach in eine Anlage eingebaut.
In den letzten Jahren wurden vermehrt Anlagen ohne Getriebe errichtet. Diese Anlagen sind
mit Synchrongeneratoren und Vollumrichtern ausgestattet. Einer der Gründe, warum diese
Technologieentwicklung besonders forciert wurde, ist, dass Anlagen mit Getriebe, vor allem
bei Offshore-Anlagen wartungsintensiver als Anlagen mit Getriebe sind.
Abbildung 6: Komponenten einer typischen Windkraftanlage (Quelle: Arne Nordmann;
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Windkraftanlage.svg&filetimestamp=2011052
7230024)
11
Schauen Sie nach auf YouTube!
Wie sieht das Innere einer Windkraftanlage aus?
http://www.youtube.com/watch?v=LNXTm7aHvWc&feature=related
Dauer: 9:53 min.
5.1. Zum Üben...
Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht
Aufgabe 7: Was sind die Hauptkomponenten einer typischen Windkraftanlage?
Aufgabe 8: Welche Funktion hat die Rotorwelle?
12
6. Welche Rotortypen gibt es?
Je nach Ausrichtung der Drehachse kommen unterschiedliche Rotortypen zum Einsatz,
wobei es zwei Bauformen gibt: mit horizontaler oder mit vertikaler Drehachse.
6.1. Rotoren mit horizontaler Drehachse
Bei idealen Windverhältnissen haben immer die Anlagentypen mit horizontaler
Rotationsachse und einer vertikalen Drehkreisebene der Flügel die größere
Energieausbeute. Unter normalen Bedingungen ist ein Leistungsbeiwert von 0,55 die
Obergrenze.
6.1.1. Dreiblattrotor
Der Dreiblattrotor ist aerodynamisch am leichtesten beherrschbar. Neben einem geringen
Windschatteneffekt ist auch die Massenverteilung am Rotor günstig. Das stabile
Laufverhalten bei im Vergleich geringeren Schnelllaufzahlen und die damit verbundene
geringe Geräuschbelastung haben den Dreiblattrotoren auf dem Markt eine Vorrangstellung
verschafft. Die höhere Rotorblattfläche erlaubt eine niedrigere Anlaufgeschwindigkeit, was in
Schwachwindgebieten ein wichtiger Aspekt sein kann. Derzeit sind circa 90 Prozent der
eingesetzten Windkraftanlagen mit Dreiblattrotoren ausgestattet.
6.1.2. Zweiblattrotor
Zweiblattrotoren weisen etwas höhere Schnelllaufzahlen und einen geringeren
Materialaufwand infolge der reduzierten Rotorblattzahl auf. Nachteilig ist die
Schallentwicklung. Der Rotor muss schwenkbar sein, um zu starke Stöße auf die Anlage zu
verhindern, wenn der Rotor den Turm passiert. Deshalb ist der Rotor auf eine Welle montiert,
die senkrecht auf die Hauptwelle (Antriebswelle) steht und mit dieser mit rotiert. Diese
Konstruktion kann zusätzliche Stoßdämpfer erforderlich machen, um das Anschlagen der
Rotorblätter am Turm zu verhindern.
6.1.3. Einblattrotor
Der Materialeinsatz der Einblattrotoren ist auf ein absolutes Mindestmaß reduziert. Sie
weisen die höchsten Schnelllaufzahlen auf. Diese gehen mit einer erhöhten
Geräuschbelastung einher. Zusätzlich zu ihrer höheren Drehzahl, der Schallentwicklung und
der gesteigerten Auffälligkeit ist nachteilig, dass sie noch ein Gegengewicht auf der anderen
Seite der Nabe benötigen, um den Rotor zu balancieren.
6.2. Rotoren mit vertikaler Drehachse
Für turbulente Strömungen in Bodennähe sind Vertikalachsenanlagen – im Vergleich zu
konventionellen Horizontalachsenanlagen – gut geeignet, weil sie unabhängig von einer
konstanten Windrichtung sind.
13
6.2.1. Darrieus-Rotor
Im Vergleich zu Windkraftanlagen mit horizontal liegender Rotationsachse hat der DarrieusRotor einen niedrigeren Erntegrad. Das liegt daran, dass seine Flügel auf ihrer Kreisbahn um
die Rotationsachse auf einem Teil ihres Umlaufes vom Wind nicht optimal angeströmt
werden.
Für Darrieus-Rotoren gilt ein maximaler Leistungsbeiwert von 0,37.
Abbildung 7: Darrieus-Rotor (Quelle: W.Wacker; http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=
Datei:Darrieus_rotor002.jpg&filetimestamp=20100211121159)
6.2.2. Savonius-Rotor
Der Savonius-Rotor wurde von dem finnischen Schiffsoffizier Sigurd Savonius um 1925
erfunden. Dieser Rotor besteht aus zwei an einer vertikalen Rotorachse angebrachten
waagerechten Kreisscheiben, zwischen denen zwei oder mehr halbkreisförmige gebogene
Schaufeln bzw. Flügel senkrecht stehend angebracht sind.
Abbildung 8: Savonius-Rotor (Quelle: Kuntoff; http://commons.wikimedia.org/wiki/
File:Savonius_Rotor.png?uselang=de)
14
Eigenschaften des Savonius-Rotors sind:
•
•
•
•
Hohes Drehmoment bei relativ niedriger Drehzahl
Unabhängig von der Windrichtung, keine Windausrichtung erforderlich
Einsatz schon bei extrem niedrigen Windgeschwindigkeiten (ab 2–3 m/s)
Hohe Toleranz gegen jede Turbulenz, die standortbedingt im Wind enthalten sein
kann, und ohne spürbare Wirkungsgradverluste bei abrupten Änderungen der
Anströmungsrichtung
Als Nachteil des Savonius-Rotors muss davon ausgegangen werden, dass seine möglichen
Leistungsbeiwerte mit geschätzten 28 % unterhalb derer des Darrieus-Rotors oder derer von
Anlagen mit horizontaler Rotordrehachse liegen.
6.3. Zum Üben...
Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht
Aufgabe 9: Worin unterscheiden sich Darrieus-Rotor und Dreiblattrotor?
Aufgabe 10: Was ist der Nachteil eines Zweiblattrotors?
Aufgabe 11: Warum hat der Dreiblattrotor eine Vorrangstellung am Markt?
Aufgabe 12: Wodurch zeichnet sich der Savonius-Rotor aus?
15
7. Wie wird die Leistung einer Windkraftanlage berechnet?
Um die Wirtschaftlichkeit einer Anlage abschätzen zu können, muss die Leistung berechnet
werden. Abhängig ist die Leistung einer Windkraftanlage vom Wind bzw. den
Windgeschwindigkeiten, der Luftdichte und dem Wirkungsgrad der Anlage. Zunächst wird die
Leistung des Windes berechnet, diese wird dann mit dem Wirkungsgrad der Anlage
multipliziert.
Berechnet wird folgendermaßen:
•
Kinetische Energie: E = (m*v2)/2
Die bewegte Masse ist bei Windkraftanlagen die Luft, die durch die Rotorfläche strömt.
•
Energie und Leistung: Leistung P = Energie E pro Zeiteinheit.
Um die Leistung zu berechnen, muss der Massenstrom dm/dt der Luft, die jede Sekunde
durch die Rotorfläche der Windkraftanlage strömt, berechnet werden.
•
Masse der Luft: Die Luftmasse m ist gleich der Luftdichte ρ multipliziert mit dem
Volumen V der Luft. m=ρ*V
•
Volumen: Der Volumenstrom V in der oberen Gleichung ist gleich der Rotorfläche A
mal der Windgeschwindigkeit v. Die Fläche A eines Kreises ist gleich π*r2 mit dem
Radius r des Kreises. Für uns ist diese Fläche der vom Rotor überstrichene Kreis.
Daraus ergibt sich folgende Gleichung: V=A*v=r²*π*v
•
Leistung des Windes: P=(ρ*r²*π*v³)/2
o
•
Mit: P…Leistung in W, ρ (rho)…Luftdichte in kg/m3, r…Rotorradius in m,
v…Windgeschwindigkeit in m/s
Leistung der Windkraftanlage = P * cp
Eine Windkraftanlage (2 MW) hat 40 m Rotorradius. Bei normaler atmosphärischer Luftdichte
von 1,293 kg/m3, einer Temperatur von 10 °C und einer Windgeschwindigkeit von 6 m/s
(= 21 km/h, mäßige Brise) ist die Leistung des Windes gleich 702 kW. Bei einer
Windgeschwindigkeit von 18 m/s (= 65 km/h, stürmischer Wind) ist die Leistung 27-mal
größer! Die Leistung des Windes ist gleich rund 19.000 kW = 19 MW.
16
Bei einem Wirkungsgrad cp von 0,40 ergibt sich eine Leistung dieser Windkraftanlage von
rund 281 kW bei 6 m/s und von 7,6 MW bei 18 m/s.
7.1. Welche Nennleistung haben derzeitige Windkraftanlagen?
Die Nennleistung einer Windkraftanlage wird unter der Annahme einer
Nennwindgeschwindigkeit berechnet. Derzeit sind Anlagen mit 5–7,5 MW in Betrieb. Die
neuesten Prototypen mit einer Nennleistung von 10 MW sind kurz vor der Marktreife.
Die Technologieentwicklungen in den letzten Jahren waren primär darauf ausgerichtet,
größere Anlagen mit höheren Nennleistungen zu bauen. Vor allem für Offshore-Anlagen
werden immer größere Anlagen geplant.
GROWIAN – Große Windkraftanlage
Die GROWIAN – sie stand in Schleswig-Holstein – wurde vielfach als „Beweis“
herangezogen, dass die großtechnische Nutzung der Windkraft nicht möglich sei, da sie
technische Probleme aufwies. Inzwischen hat sich aber gezeigt, dass Windkraft sehr wohl
auch mit großen Anlagen genutzt werden kann.
Offizieller Betriebsbeginn der „Großen Windkraftanlage GROWIAN“ war am 4. Oktober 1983.
Der offizielle Startschuss des Probebetriebs wurde am 17. Oktober 1983 bei einer feierlichen
Eröffnung gegeben.
GROWIAN sollte mit seinem Rotor, der 100,4 m Durchmesser hatte, 3 MW Leistung
erzeugen. GROWIAN war ein Leeläufer, anders als heute im Allgemeinen eingesetzte
Windräder. Das heißt, der Rotor wurde von hinten angeblasen.
GROWIAN war lange Zeit die größte Windkraftanlage der Welt. Vieles an der Anlage war
neu und in dieser Größenordnung noch nicht erprobt. Da es bei der Gehäuseauslegung zu
einem Fehler kam, konnte die Anlage nicht bei voller Leistung betrieben werden. Die
Probleme mit Werkstoffen und Konstruktion ermöglichten keinen kontinuierlichen
Testbetrieb. Die meiste Zeit zwischen dem ersten Probelauf am 6. Juli 1983 bis zum
Betriebsende im August 1987 stand die Anlage still. 1987 wurde GROWIAN demontiert.
17
Abbildung 9: Entwicklung der Anlagengröße und Nennleistung (Quelle: SKI Ingenieurges.
mbH, Hannover, http://www.ski-consult.de)
10-MW-Anlagen mit einem Rotordurchmesser von 190 m und einer Nabenhöhe von 125 m
befinden sich in der Markteinführungsphase (Kable 2014).
7.2. Zum Üben...
Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht
Aufgabe 13: Berechnen Sie die Leistung P einer Windkraftanlage mit einem
Rotordurchmesser von 80 m bei einer Luftdichte von 1,22 und einer Windgeschwindigkeit
von 10 m/s.
Aufgabe 14: Bei welcher Windgeschwindigkeit bringt die Windkraftanlage aus der vorigen
Aufgabe eine Leistung von 5 MW?
Aufgabe 15: Welche Nennleistung haben Windkraftanlagen zurzeit?
18
8. Aktuelle Windkraftnutzung
Mit der Ölkrise 1973 erwachte auch das Interesse an der Windenergie in verschiedenen
Ländern, wie Deutschland, Dänemark, Schweden, Großbritannien und den USA.
In diesen Ländern wurden von den Elektrizitätsversorgern vergleichsweise schnell große
Windkraftanlagen errichtet. Da der Bau von Anlagen jedoch sehr teuer war und sich dies auf
den Strompreis auswirkte, wurde verstärkt wieder auf andere Technologien gesetzt.
In den 1980er-Jahren wurden in Deutschland und Amerika staatliche Förderprogramme für
die Windkraft ausgeschrieben. Dies erleichterte die Forschung und den Bau von Anlagen.
Groß angelegte Windparks wurden gebaut, teils in Küstennähe, teils auf hoher See, um die
Effektivität der Windnutzung zu erhöhen. Vor allem in Kalifornien und Dänemark entstanden
große Anlagen mit einer Vielzahl von Windrädern.
Zurzeit sind die Hauptproduzenten von elektrischem Strom aus Windkraft China, die USA,
Deutschland und Spanien.
Die weltweit installierte Windkraftleistung lag 2014 bei mehr als 350 GW. Das Zentrum ist
jedoch nicht mehr in Europa gelegen, sondern hat sich nach Nordamerika und Asien
verlagert. Vor allem China übernahm in diesem Bereich die Führung.
8.1. Windkraftnutzung in der Europäischen Union (EU)
In der EU wurden 2013 12.030 MW installiert. Im Vergleich zu 2012 nahmen die
Installationen an Land um 12 % ab, Offshore-Installationen hingegen nahmen um 34 % zu
(GWEC 2014).
Abbildung 10: Unterschiedliche Windgeschwindigkeiten in Europa (grün: hoch; rot: niedrig)
(Quelle: European Topic Centre on Air and Climate Change 2008)
19
Die EU-Länder mit der höchsten Leistung aus Windkraft sind Deutschland mit 31,3 GW und
Spanien mit 22,8 GW, gefolgt von Großbritannien, Italien und Frankreich (EWEA 2013).
Abbildung 11: Leistung aus Windkraft in den Staaten der EU (Quelle: European Wind Energy
Association (EWEA) 2013, S. 4)
8.2. Windkraftnutzung in Österreich
In Österreich wurde die Windkraft ab 2006 wieder stärker ausgebaut, wobei der Ausbau in
den Folgejahren stagnierte. Mit Stand vom 31.12.2013 waren in Österreich 872
Windkraftanlagen mit einer installierten Gesamtleistung von 1.684 MW in Betrieb (IG
Windkraft 2014).
Niederösterreich und Burgenland sind aufgrund der günstigeren Windverhältnisse die Länder
mit den meisten Windkraftanlagen.
20
Abbildung 12: Verteilung der Windkraftanlagen auf Österreich im Jahr 2010 – Anzahl und
Leistung (Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Windenergie#.C3.96sterreich)
Im Windatlas für Österreich werden Winddaten geografisch dargestellt.
Windkraftpotenziale können ebenfalls ermittelt werden.
http://www.windatlas.at/
8.3. Zum Üben...
Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht
Aufgabe 16: Wie hoch war die weltweite Gesamtleistung aus Windkraft im Jahr 2011?
Aufgabe 17: Wie hoch ist der Anteil der Windkraft an der gesamten Stromproduktion der EU
(2011)?
Aufgabe 18: Wie hoch ist die Gesamtleistung aus Windkraft in Österreich?
21
9. Windkraft – eine volatile Stromquelle
Die Integration erneuerbarer Energien stellt Netzbetreiber vor neue Herausforderungen, da
die „Liefermenge“ nicht vollständig berechenbar bzw. nur kurzfristig vorhersagbar ist.
Um Windenergie ins Netz zu integrieren, ist es notwendig, die Windleistung der nächsten
Stunden und Tage möglichst genau zu prognostizieren. Zusätzlich müssen auch mögliche
Prognosefehler berücksichtigt werden. So kann vorausgesagt werden, wie viel Leistung für
das Netz zur Verfügung stehen wird.
Prognosen der Windleistung sind außerdem nötig für die Kraftwerksplanung und die
Netzplanung. Für die Netzplanung müssen die verfügbare (fluktuierende) Windleistung und
die erwartete Last in detaillierten Szenarien aufeinander abgestimmt werden.
Wesentlich ist auch die Netzsicherheit. Betreiber müssen sicherstellen, dass im Falle von
Netzschwankungen beispielsweise Netzüberlastungen, die Einspeiseleistung von
Windkraftanlagen vorübergehend reduziert wird. Früher wurden Windparks in solchen Fällen
abgeschaltet, was aber die Gefahr von Gesamtsystemstörungen erhöhte. „Insbesondere die
Abschaltung einer großen Anzahl von WEA (Windkraftanlagen) führt zum Verlust einer
beträchtlichen Erzeugerleistung mit möglichen ernsten Folgen für die Systemstabilität.
Deshalb wird heute in fast allen Grid Codes der Welt das Durchfahren von
Spannungseinbrüchen (Fault Ride-Through, FRT) gefordert. Außerdem sollen die WEA
bevorzugt einen Blindstrom zur Stützung der Netzspannung einspeisen“ (Erlich et al. 2009).
9.1. Zum Üben...
Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht
Aufgabe 19: Was ist die Herausforderung, um Windenergie ins Stromnetz zu integrieren?
Was ist dafür notwendig?
22
10. Akzeptanz gegenüber Windenergie
Gegenüber Windenergie gibt es eine grundsätzliche Akzeptanz. Zustimmung ist aber in der
Regel nur gegeben, solange die Anlage nicht in der Nähe der eigenen Wohnung oder des
eigenen Hauses errichtet wird. Besonders Schattenwurf und Geräusche werden als störend
empfunden. Abgelehnt werden aber auch Anlagen in unberührten Landschaften oder in der
Nähe von Naturschutzgebieten. Daraus resultieren Situationen, die nur durch partizipative
Entscheidungsprozesse im Vorfeld gelöst werden können.
10.1.
Vogelschutz
Zwei Auswirkungen von Windkraftanlagen auf Vögel sind möglich: Die Anlagen können
einerseits Störungen verursachen, sodass Vögel die Umgebung von Windkraftanlagen nicht
mehr als Brut- oder Rastplatz nutzen. Andererseits können Vögel und Fledermäuse an
Windrädern verunglücken. Neben dem Straßenverkehr, Fensterscheiben und elektrischen
Freileitungen bilden Windkraftanlagen damit eine weitere menschlich verursachte Gefahr für
Vögel und Fledermäuse, auch wenn die Zahl der Opfer bei Windkraftanlagen viel kleiner ist.
Allerdings spricht das Argument des Vogelschutzes nicht generell gegen die Nutzung von
Windkraft, denn die größeren Probleme lassen sich durch eine richtige Planung vermeiden
oder minimieren. Wichtig ist die Auswahl des Standorts und dass Vogelschutzbereiche nicht
bebaut werden.
10.2.
Schallentwicklung und Schattenwurf
Schallentwicklung von Windkraftanlagen
Die Schallentwicklung ist heute für die Industrie kein großes Thema mehr, sofern man die
Entfernung zum nächsten Nachbarn bedenkt (gewöhnlich mindestens 7 Rotordurchmesser
oder 300 m). Schallreduktionen können auch durch neues Design (z. B. der
Rotorblattspitzen) erreicht werden.
Schattenwurf von Windkraftanlagen
Der Schatten von Windkraftanlagen (im Speziellen der sich drehenden Rotorblätter) kann
von Nachbarn als störend empfunden werden. Um dieses Problem zu vermeiden, kann eine
präzise Planung mittels Software erfolgen, die den Standort der Anlage und damit auch den
Schattenwurf definiert.
23
10.3.
Zum Üben...
Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht
Aufgabe 20: Welche Argumente werden gegen Windkraftanlagen vorgebracht? Wie lassen
sich diese Probleme verringern oder vermeiden?
11. Zukünftige Trends
Laut Prognosen der IG Windkraft besteht in Österreich ein realisierbares
Windenergiepotenzial von 3.800 MW bis 2020; umgesetzt werden kann dieses Potenzial im
Wesentlichen in Niederösterreich und Burgenland (IG Windkraft 2014, S. 4).
Begünstigtigende Faktoren für den Ausbau der Windenergie sind unter anderem:
•
•
•
•
Steigender Energieverbrauch
Steigende Ölpreise und Unsicherheiten in der Energieversorgung
Überdenken der Kernenergie (z. B. nach Atomreaktorunfällen wie in Fukushima)
Senkung der Errichtungskosten
Voraussetzung dafür sind allerdings die politischen und gesetzlichen Rahmenbedingungen.
Eine Förderung wird die Windkraft durch die EU-Richtlinie für erneuerbare Energien
erfahren. Mit dieser Richtlinie soll der Anteil erneuerbarer Energie bis zum Jahr 2020 auf
20 % erhöht werden. Je nach Endenergieverbrauch in einem Mitgliedstaat gelten
unterschiedliche Ziele, für Österreich sind 34 % bis 2020 vorgesehen. Die Mitgliedstaaten
haben entsprechende Maßnahmen zu treffen, damit diese Ziele erreicht werden.
Mit einer Leistung von 230 GW könnte Windkraft im Jahr 2020 14–17 % des Strombedarfs in
der EU decken. Gleichzeitig könnten jährlich 333 Mio. Tonnen CO2 gespart werden und
damit 8,3 Mrd. Euro an CO2-Kosten vermieden werden (EWEA 2012).
Eine Prognose für das Jahr 2030 zeigt, dass 90.000 Windkraftanlagen mit einer
Gesamtleistung von 300 GW elektrischen Strom in der Höhe von 965 TWh generieren und
damit 23 % des voraussichtlichen europäischen Strombedarfs decken könnten. Von diesen
90.000 Anlagen sollen rund 83 % onshore stehen, also an Land, und rund 17 % offshore,
also im Meer (EWEA 2012).
24
Fast die Hälfte des Strombedarfs in Dänemark soll im Jahr 2025 mit Windkraft aus 500–1000
Offshore-Anlagen gedeckt werden. 2011 wurde bereits ein Viertel des Strombedarfs aus
Windkraft gedeckt.
Mehr dazu: http://www.youtube.com/watch?v=QsbIkrvZmww&feature=related
11.1.
Zum Üben...
Aufgaben zum Üben oder als Anregung für den Unterricht
Aufgabe 21: Auf wie viel Prozent soll der Anteil von erneuerbaren Energien am
Energieverbrauch in der EU bis 2020 erhöht werden?
Aufgabe 22: Welchen Anteil der Stromproduktion in der EU im Jahr 2020 könnte Windkraft
mit einer Gesamtleistung von 230 GW abdecken?
25
12. Quellen
Biermayr, P., M. Eberl, M. Enigl, H. Fechner, C. Kristöfel, K. Leonhartsberger, F. Maringer, S.
Moidl, C. Strasser, W. Weiss, M. Wörgetter (2014): Innovative Energietechnologien in
Österreich Marktentwicklung 2013. Berichte aus Energie- und Umweltforschung 26/2014.
URL:
http://www.nachhaltigwirtschaften.at/e2050/e2050_pdf/201426_marktentwicklung_2013.pdf
(10.12.2014).
Bloch, L. (2004): Möglichkeiten und Grenzen der Windenergie – On- und Offshore im
Vergleich. Examensarbeit, 89 Seiten.
EREC – European Renewable Energy Council: Wind Energy. URL:
http://www.erec.org/renewable-energy/wind-energy.html (10.05.2012).
Erlich, I. et al. (2009): Spannungsregelung mit moderner WEA-Technik. Kasseler
Symposium Energie-Systemtechnik. URL: http://www.unidue.de/ean/downloads/papers/erlich2009a.pdf (10.05.2012).
European Topic Centre on Air and Climate Change (2008): ETC/ACC Technical Paper
2008/6. Dezember 2008. URL:
http://acm.eionet.europa.eu/docs/ETCACC_TP_2008_6_ren_wind_energy_Europe.pdf
(11.05.2012).
EWEA (2012): How many turbines are required? URL:
http://www.ewea.org/index.php?id=241 (10.05.2012).
EWEA (2013): Wind in power 2012 European statistics
http://www.ewea.org/fileadmin/files/library/publications/statistics/Wind_in_power_annual_stati
stics_2012.pdf (15.10.2014).
EWEA (2014): Wind energy scenarios for 2020. A report by the European Wind Energy
Association – July. http://www.ewea.org/fileadmin/files/library/publications/reports/EWEAWind-energy-scenarios-2020.pdf (24.10.2014).
Fuchs, F. W. et al. (o. A.): Leistungselektronik-Generator-Systeme in Windenergieanlagen –
Stand und Entwicklungstendenzen – Power Electronics Generator Systems in Wind Power
Stations – State of the Art and Development Trends. URL: http://www.tf.unikiel.de/etit/LEA/dl-open/veroeff_2008/Windenergie_Uebersicht_080901.pdf (27.04.2012).
GWEC (2014): Global Wind Report. Annual Market Update 2013. URL:
http://www.gwec.net/wp-content/uploads/2014/04/GWEC-Global-Wind-Report_9-April2014.pdf (16.12.2014).
IG Windkraft (Hrsg.) (2014): Österreichs Windpotential.
https://www.igwindkraft.at/mmedia/download/2014.09.17/1410964787709463.pdf
(20.12.2014).
26
IWES – Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (2014):
Anlagengröße. URL:
http://windmonitor.iwes.fraunhofer.de/windmonitor_de/4_Offshore/2_technik/3_Anlagengroes
se/ (10.12.2014).
Kable (2014): The world’s 10 biggest wind turbines. 2 January 2014. URL: http://www.powertechnology.com/features/featurethe-worlds-biggest-wind-turbines-4154395/ (15.12.2014).
Lange, B. (2006): Meteorologische Aspekte der Netzintegration von Windenergie.
Workshopband FVS.
27
13. Übersicht Aufgaben
Aufgabe 1: Welche Möglichkeiten, Windenergie technologisch zu nutzen, kennen Sie? ........ 4
Aufgabe 2: Wann begann die Geschichte der Windkraftnutzung zur Stromerzeugung? ......... 8
Aufgabe 3: Durch welche Maßnahme konnten die ersten Windkraftanlagen verbessert
werden?............................................................................................................................... 8
Aufgabe 4: Von welchen drei Faktoren hängt die Energiemenge ab, die der Wind auf den
Rotor überträgt? ................................................................................................................ 10
Aufgabe 5: Wie liefert eine Windkraftanlage eine Leistung?................................................... 10
Aufgabe 6: Wovon hängt die kinetische Energie des Windes ab? ......................................... 10
Aufgabe 7: Was sind die Hauptkomponenten einer typischen Windkraftanlage? .................. 12
Aufgabe 8: Welche Funktion hat die Rotorwelle?.................................................................... 12
Aufgabe 9: Worin unterscheiden sich Darrieus-Rotor und Dreiblattrotor?.............................. 15
Aufgabe 10: Was ist der Nachteil eines Zweiblattrotors? ........................................................ 15
Aufgabe 11: Warum hat der Dreiblattrotor eine Vorrangstellung am Markt? .......................... 15
Aufgabe 12: Wodurch zeichnet sich der Savonius-Rotor aus? ............................................... 15
Aufgabe 13: Berechnen Sie die Leistung P einer Windkraftanlage mit einem
Rotordurchmesser von 80 m bei einer Luftdichte von 1,22 und einer
Windgeschwindigkeit von 10 m/s. .................................................................................... 18
Aufgabe 14: Bei welcher Windgeschwindigkeit bringt die Windkraftanlage aus der vorigen
Aufgabe eine Leistung von 5 MW?................................................................................... 18
Aufgabe 15: Welche Nennleistung haben Windkraftanlagen zurzeit? .................................... 18
Aufgabe 16: Wie hoch war die weltweite Gesamtleistung aus Windkraft im Jahr 2011? ....... 21
Aufgabe 17: Wie hoch ist der Anteil der Windkraft an der gesamten Stromproduktion der EU
(2011)? .............................................................................................................................. 21
Aufgabe 18: Wie hoch ist die Gesamtleistung aus Windkraft in Österreich?.......................... 21
Aufgabe 19: Was ist die Herausforderung, um Windenergie ins Stromnetz zu integrieren?
Was ist dafür notwendig? ................................................................................................. 22
Aufgabe 20: Welche Argumente werden gegen Windkraftanlagen vorgebracht? Wie lassen
sich diese Probleme verringern oder vermeiden?............................................................ 24
Aufgabe 21: Auf wie viel Prozent soll der Anteil von erneuerbaren Energien am
Energieverbrauch in der EU bis 2020 erhöht werden? .................................................... 25
28
Aufgabe 22: Welchen Anteil der Stromproduktion in der EU im Jahr 2020 könnte Windkraft
mit einer Gesamtleistung von 230 GW abdecken? .......................................................... 25
29
14. Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Würde Don Quijote heute gegen Windkraftanlagen kämpfen? (Quelle: Stefan
Prokupek, GrAT) ................................................................................................................. 4
Abbildung 2: Persische Windmühle (Quelle: Kaboldy;
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=
Datei:Perzsa_malom.svg&filetimestamp=20091123122655) ............................................ 5
Abbildung 3: Die Windkraftanlage von Charles F. Brush (Quelle:
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Wind_turbine_1888_Charles_Brush.jpg)......................... 6
Abbildung 4: Windrad nach den Prinzipien Poul la Cours in Vallekilde um 1905 (Quelle:
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:1907_Windrad_Vallekilde.jpg&filetimesta
mp=20071230083133)........................................................................................................ 7
Abbildung 5: Vereinfachtes Schema der Wirkungsgradkette einer Windenergieanlage
(Quelle: GrAT) ..................................................................................................................... 9
Abbildung 6: Komponenten einer typischen Windkraftanlage (Quelle: Arne Nordmann;
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Windkraftanlage.svg&filetimestamp=2011
0527230024) ..................................................................................................................... 11
Abbildung 7: Darrieus-Rotor (Quelle: W.Wacker; http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=
Datei:Darrieus_rotor002.jpg&filetimestamp=20100211121159)...................................... 14
Abbildung 8: Savonius-Rotor (Quelle: Kuntoff; http://commons.wikimedia.org/wiki/
File:Savonius_Rotor.png?uselang=de) ............................................................................ 14
Abbildung 9: Entwicklung der Anlagengröße und Nennleistung (Quelle: SKI Ingenieurges.
mbH, Hannover, http://www.ski-consult.de) ..................................................................... 18
Abbildung 10: Unterschiedliche Windgeschwindigkeiten in Europa (grün: hoch; rot: niedrig)
(Quelle: European Topic Centre on Air and Climate Change 2008) ............................... 19
Abbildung 11: Leistung aus Windkraft in den Staaten der EU (Quelle: European Wind Energy
Association (EWEA) 2013, S. 4)....................................................................................... 20
Abbildung 12: Verteilung der Windkraftanlagen auf Österreich im Jahr 2010 – Anzahl und
Leistung (Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Windenergie#.C3.96sterreich) ................. 21
30
15. Impressum
Herausgeber und für den Inhalt verantwortlich:
e-genius – Verein zur Förderung und Entwicklung offener Bildungsmaterialien im technischnaturwissenschaftlichen Bereich
Postfach 16
1082 Wien
Österreich
E-Mail: info(at)e-genius.at
Projektleiterin: Dr. Katharina Zwiauer
E-Mail: katharina.zwiauer(at)e-genius.at
AutorInnen: DI Hubert Fechner MAS MSc, Dr. Katharina Zwiauer
Fachdidaktisierung: Dr. Katharina Zwiauer, Magdalena Burghardt MA
Lektorat: Magdalena Burghardt MA, Mag. Silvia Grillitsch
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