Technische Wirkungsweise
1a,b
Kenndaten:
Windkraftanlage (WKA) oder Windenergieanlage (WEA) oder auch: Windkraftwerk, Windkraftkonverter Eine Windkraftanlage wandelt die Bewegungsenergie des Windes in elektrische Energie um. Hauptursache für Winde sind Unterschiede im Luftdruck zwischen Luftmassen. Dabei fließen Luftteilchen aus dem Gebiet mit einem höheren Luftdruck (Hochdruckgebiet) solange in das Gebiet mit dem niedrigeren Luftdruck (Tiefdruckgebiet), bis der Luftdruck ausgeglichen ist. Es handelt sich bei einem Wind daher um einen Massenstrom. Die zugehörige Kraft bezeichnet man als Druckgradientkraft. Je größer der Unterschied zwischen den Luftdrücken ist, umso heftiger strömen die Luftmassen in das Gebiet mit dem niedrigeren Luftdruck und umso stärker ist der aus der Luftbewegung resultierende Wind. Um Strom zu gewinnen, wird nun die Bewegungsenergie des Windes von den Rotorblättern der Anlage in eine Drehbewegung gewandelt, die einen Generator im Innern der Gondel antreibt - ähnlich wie bei einem Fahrraddynamo. Ausschlaggebend für den Ertrag sind die Bauart der Rotorblätter sowie die Windgeschwindigkeit. Moderne Windkraftanlagen haben entgegen ihres schlanken Erscheinungsbildes eine gewaltige Größe. Der Durchmesser ihrer Rotoren kann bis zu 120m betragen. 59,3% der 1c kinetischen Energie des Windes können maximal in mechanische Energie umgewandelt werden.
2a
Anteil an der Stromerzeugung: 6% [2010] 37500 GWh 2a Anteil an der Primärenergieerzeugung: 1% [2007] Auslastung(% der Nennleistung): 15 – 22% 2b,c Erntefaktor: 10 – 100 2d Umsatz: 9,7 Milliarden Euro 2d Arbeitsplätze: etwa 90 000 Beispielhafte Betriebsdaten zur Offshore Anlage „Alpha Ventus“
2e
Leistung: 60MW Jahresleistung: 180 GWh (50000 Haushalte) Turbine: 12 * 5-MW Klasse Nabenhöhe: 85m (über Wasser) Rotordurchmesser: 116m Voraussichtliche Lebensdauer: 20 Jahre Einschaltgeschwindigkeit: 3,5 m/s (Windstärke 3) Nennleistungsgeschwindigkeit: 12,5 m/s ( Windstärke 6) Abschaltgeschwindigkeit: 25 m/s (Windstärke 10)
3
Ausblick für Deutschland, Europa und die Welt:
Die Energie, die durch den Ausbau der WKA weltweit umgewandelt werden könnte, übersteigt den Bedarf aller Länder um ein vielfaches. Durch konsequenten Ausbau, eine weltweite Vernetzung der Stromerzeugung, Forschung und effektive Nutzung der Windfelder könnte dies realisiert werden. Potential an Klasse 3 Windfeldern: 72 Terawatt Weltweiter Energiebedarf: 1,8 Terawatt Die Zukunft liegt also in einer weltweiten bzw. regionalen Zusammenarbeit in der Stromgewinnung. Derzeit genehmigte offshore Anlagen: 8718,3 MW
4b
4a,b,c
Realisierte WEA in Deutschland: Ende 2010 Gesamte installiere Leistung: 3377 Windparks: 21607 WEA; 27215 MW NRW: 2928 MW Offshore: 4 Windparks: 33 WEA, ca. 108,3 MW davon “alpha Ventus” 60 MW 12 WEA
Hauptforschungsgebiete sind das Verhalten des Windes vor und nach der WEA und die optimale Bauweise von Rotorblättern.
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Standortmöglichkeiten:
Realisierung einer Anlage: (12 – 18 Monate)
Ab einer Windgeschwindigkeit von ca. 3 m/s kann mit einer Windkraftanlage Strom erzeugt werden. Bei einer Verdoppelung der Windgeschwindigkeit kann sich die Leistung der Anlage verachtfachen. Bei zu starken Winden schaltet sich die Anlage automatisch ab, indem es die Rotoren parallel zur Windrichtung stellt, sodass keine Kraft auf die Blätter übertragen werden kann.
Standortanalyse –> Micrositing (Abschätzung der Windverhältnisse) -> Planung -> Realisierung (Genehmigungsverfahren, Transport, Aufbau)
In unmittelbarer Umgebung sollte kein Windschatten die Leistung der Anlage mindern. Bäume, Häuser oder Hügel wirken sich negativ auf die Leistungsdaten aus. Ideale Standorte befinden sich auf Hügeln, an der Küste, Im Gebirge (Fallwinde) oder auf offener See, da hier die kinetische Energie des Windes nicht durch Widerstände (Rauheit der Landschaft) verringert wird. Arten von Windenergieanlagen:
Aufbau: Fundament -> Turm -> Gondel -> Rotor
Argumente:
-
Onshore,Offshore Fliegende WEA:
5a,5b
-
Eine Fliegende Windenergieanlage ist eine bisher nur theoretisch konzipierte Windenergieanlage zur Nutzung der starken und konstanten Luftströmungen (Jetstream) der Troposphäre in den gemäßigten Breiten. Ein tragschrauberähnlicher Apparat wird mit einem Kabel am Boden befestigt, welches dazu dient, den Strom abzuleiten und die Anlage festzuhalten. Die Anlage benötigt einen geschützten Luftraum und muss zur Wartung oder 9 bei Defekten gelandet werden Aufwindkraftwerk
5b,5d,5e
In einem Aufwindkraftwerk wird Luft von der Sonne erwärmt und steigt in einem Kamin auf. Eine oder mehrere Turbinen erzeugen aus dieser Luftströmung elektrischen Strom. Fallwindkraftwerk
5b,5f
In einem Fallwindkraftwerk, oder Abwindkraftwerk wird von der Sonne erwärmte Luft durch Besprühen mit Wasser abgekühlt und fällt in einem Kamin nach unten. Turbinen erzeugen aus dieser künstlichen Luftströmung elektrischen Strom. Luftwirbelkraftwerk:
Zukunftssicher, da erneuerbar Luft und klimaschonend, da keine Schadstoffemissionen entstehen Weltweite Verfügbarkeit, keine Abhängigkeit von Rohstoffimporten Keine Risiken von großen Umweltschädigungen wie bei der Kernenergie Eine WEA wandelt in einem Lebenszyklus bis zu 100 mal mehr Energie um, als für die Produktion aufgewendet wurde. Kernkraft: 0,4 (d.h. für KE wird mehr Energie aufgewendet, 2b,2c als gewonnen)
5e
Ähnlich wie das Aufwindkraftwerk, mit dem Unterschied, dass die Luft in einen Drall versetzt wird, so dass sie einen großen Wirbel erzeugt.
Kritik:13 -
Vogel und Fledermausschlag (Rotmilan und Seeadler, Barotrauma von Fledermäusen) Landschaftsverbrauch Schattenwurf (periodische Helligkeitsschwankung) Hindernis-Befeuerung (Blinkende, rote Lichter) Rundfunk-Interferenzen Schall Einfluss auf Radaranlagen
Begriffe:
Nennleistung:
Bewegungsenergie: Kinetische Energie:
Die Leistung einer Anlage, wenn sie kontinuierlich unter optimalen Bedingungen betrieben wird.
Die Energie, die im Wind gespeichert ist, ist abhängig von der Geschwindigkeit mit der sich die Luftteilchen bewegen und deren Masse. đ??¸đ?‘›đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘”đ?‘–đ?‘’đ?‘˜đ?‘–đ?‘› =
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Primärenergieerzeugung: Gesamte Energie, die durch verschiedene Energieträger (Kohle, Uran, Wind, Wasser) in nutzbare Energie umgewandelt wird. Dazu zählen also auch Ă–l und Erdgas, die fast ausschlieĂ&#x;lich importiert werden mĂźssen. Sowohl Deutschland als auch die gesamte Europäische Gemeinschaft sind Nettoimporteure von 9 Primärenergie, insbesondere von Ă–l, Gas und Kohle. 2b,2c
Erntefaktor:
Der Erntefaktor setzt die aufgewendete Energiemenge fĂźr die Produktion, RĂźckbau usw. einer Anlage ins Verhältnis mit der von ihr produzierten Nutzenergie. Ein Wert unter 1 entspricht dabei einer negativen Energiebilanz, die Anlage hat mehr Energie „verbraucht“, als „erzeugt“. Typische Werte: Kraftwerkstyp: verschiedene Quellen: Ă–lkraftwerk 2-19 Kohlekraftwerk 5-150 Atomkraftwerk 3-200 Wasserkraftwerk 15-200 Photovoltaikanlage 1,5-38 Windenergieanlage 19-100 Quellen: Dubbel, volker-quasching.de, energiefakten.de
mit Brennstoffeinsatz: 0,15-0,3 0,3-0,45 0,3-0,35
Nennleistungsgeschwindigeit: Jede WEA hat eine Geschwindigkeit bei der sie eine optimale Leistung erzielt. Das heiĂ&#x;t, die Verluste beim UmstrĂśmen der Rotorblätter werden minimal. Bei 8 zu langsamen Windgeschwindigkeiten erhĂśht sich der Drallverlust . Bei zu hohen Geschwindigkeiten strĂśmt ein groĂ&#x;er Teil der Luftmassen an den Blättern vorbei, was zu einer Abnahme der Leistung fĂźhrt. Repowering: Nennt man das AufrĂźsten einer bestehenden WEA. Hierbei wird zumeist die Gondel und der Rotor gewechselt, der Turm und das Fundament bleiben erhalten.
Windfeld:
Um Standorte fßr WEA miteinander vergleichen zu kÜnnen, wurden in den Ingenieurswissenschaften Vergleichsmodelle geschaffen. Ein Windfeld enthält dabei die typischen Kennwerte fßr die Region und den Standort, wie Durchschnittsgeschwindigkeit, 50 Jahreswind, Rauheitswerte der Umgebung. Mit diesen Werten, lassen sich dann Leistungsvorhersagen treffen. Zumeist werden diese Daten direkt vor Ort gemessen, was aber die Realisierung der Anlage um etwa 1 Jahr verlängert. Vermessene Gebiete werden in einen Windatlas aufgenommen und dienen zur Kartographierung der Windverhältnisse der Erde.
Bildquelle: http://www.unendlich-viel-energie.de/uploads/media/Technische_Skizze__Windkraft_02.pdf Technische Wirkungsweise: 1a: Bundesverband Windenergie e.V. http://www.wind-energie.de/de/technik/ 1b: http://de.labs.wikimedia.org/wiki/Windkraftanlage 1c: http://www.wind-energie.de/de/technik/physik-der-windenergie/leistungsbegrenzung/ 1d: http://www.unendlich-viel-energie.de/de/windenergie/detailansicht/article/48/wiefunktioniert-eine-windkraftanlage.htm Kenndaten: 2a: Statistik zur Stromerzeugung 2010: http://www.agenergiebilanzen.de/viewpage.php?idpage=65 2b: http://www.hamburgerbildungsserver.de/welcome.phtml?unten=/faecher/erdkunde/themen/energie/wind/windf akt-118.html 2c: http://www.volker-quaschning.de/datserv/kev/index.php 2d: http://www.wind-energie.de/de/themen/wirtschaftsfaktor/ 2e: http://www.alpha-ventus.de/ Ausblick und Potential: http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/0,1518,631888,00.html http://www.wind-energie.de/de/technik/entstehung/windpotential/ http://www.energyprofi.com/jo/Das-Potential-der-Windenergie.html Windatlas: Weltweite Karten von Windfeldern: http://www.windatlas.dk/ genehmigte WKA in Deutschland (offshore): http://www.iwr.de/wind/offshore/nat_plan.html 4: Statistik: 4a: http://www.iwr.de/wind/offshore/ 4b: http://windmonitor.iwes.fraunhofer.de/windwebdad/www_reisi_page_new.show_page?la ng=de 4c:Derzeit weltweit installierte Anlagen mit Kenndaten: http://www.thewindpower.net/country-datasheet-windfarms-2-germany.php 4e: Statistik zur Stromerzeugung 2010: http://www.ag-energiebilanzen.de/viewpage.php?idpage=65
5 Arten von Windenergieanlagen: 5a: http://de.wikipedia.org/wiki/Fliegende_Windenergieanlage 5b:http://www.sein.de/gesellschaft/nachhaltigkeit/2010/fliegende-windfarmen-ballonedrachen-und-luftschiffe-als-energielieferanten.html 5c: http://www.green-economy.de/erneuerbare-energien/windkraft/glossar/weiterewindenergieanlagen.xhtml 5d: http://de.wikipedia.org/wiki/Thermikkraftwerk 5e: http://www.aufwindkraftwerk.org/ 5f: http://de.wikipedia.org/wiki/Fallwindkraftwerk Pdf-Files: Status der Windenergie in Deutschland 2010: http://www.windenergie.de/fileadmin/dokumente/statistiken/WE%20Deutschland/110126_PM_Dateien/S tatistik_Jahresbilanz_2010.pdf Global Wind Statistic 2010: http://www.gwec.net/fileadmin/documents/Publications/GWEC_PRstats_02-022011_final.pdf 7: Kritik: http://de.wikipedia.org/wiki/Windkraftanlage#Umweltauswirkungen 8: http://www.wind-energie.de/de/technik/physik-der-windenergie/drallverluste/ 9: EU-Statistiken zum Thema Energie http://epp.eurostat.ec.europa.eu/portal/page/portal/energy/data/main_tables Interessante Videos zu Projekten: Aufwindkraftwerk: http://www.youtube.com/watch?v=gxCmyTYWGG4 http://www.youtube.com/watch?v=0tWlP0knKQU&feature=related Fallwindkraftwerk: http://www.youtube.com/watch?v=ptbAEkn1f1o http://video.google.com/videoplay?docid=5243304674734336548&hl=en# http://www.tagesschau.de/multimedia/video/video261690.html Luftwirbelkraftwerk: http://de.wikipedia.org/wiki/Luftwirbelkraftwerk Fliegende WEA: http://www.youtube.com/watch?v=Zl_tqnsN_Tc http://www.youtube.com/watch?v=JDJhhGJwSuA