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Windenergie allgemein

Geschichte der Windenergie

Die Windenergie ist eine der ältesten vom Menschen gebrauchten Energieformen. Das Potential der Windkraft wird schon seit Jahrtausenden genutzt. Bereits die alten Ägypter hatten Segelschiffe, wie ein Fries am Tempel zu Edfu belegt, und auch andere Völker hatten die Kraft des Windes erkannt.

Die ältesten Windmühlen sind aus Persien (zum Getreide mahlen), Tibet (als Gebetsmühlen) und China (zum Wasserpumpen) bekannt. In Europa wurden die ersten Windmühlen zum Mahlen von Getreide und zum Pumpen von Wasser um 1100 gebaut. Sie wurden von Anfang an als Auftriebsläufer mit horizontal liegender Rotordrehachse gebaut, was bis heute das grundlegende Prinzip moderner Windkraftanlagen ist.

Windkraftanlagen (also Anlagen zur Stromerzeugung) entwickelten sich aus der Windmühlentechnik heraus. Der amerikanische Gründer der Elektrizitätswirtschaft Charles F. Brush (1849 – 1929) gilt hier als Pionier. Er entwickelte zum Beispiel einen sehr effektiven Gleichstromgenerator, eine kommerzielle Lichtbogenlampe sowie eine effiziente Methode zur Herstellung von Blei-Säure-Batterien. In den Jahren 1887 bis 1888 baute er die erste vollautomatische Windkraftanlage zur Stromerzeugung.

Der Däne Poul la Cour (1846 – 1908) machte die Entdeckung, dass Anlagen mit weniger Rotorblättern, aber mehr Geschwindigkeit, für die Stromerzeugung wesentlich effizienter eingesetzt werden können.  Schon 1904 hielt la Cour regelmäßig Kurse für angehende Windkraft-Elektroingenieure an der Volkshochschule und baute in diesem Rahmen mehrere Testanlagen. Eine von ihm konzipierte Anlage wurde von der Firma Lykkegaard als kommerzielles Produkt vermarktet, bis 1908 waren bereits 72 Stück in Dänemark zur Versorgung ländlicher Siedlungen installiert. Im Jahre 1918 wurden in Dänemark 120 Elektrizitätswerke durch eine Windkraftanlage mit Energie versorgt. Die Anlagen deckten zu diesem Zeitpunkt rund drei Prozent des dänischen Stromverbrauches ab.

Der Bau von Windrädern bekam durch die Treibstoffverteuerung und -verknappung im Ersten Weltkrieg noch einmal Aufwind. In den nachfolgenden Jahren ließ das Interesse an der Windkraft nach, bis dann im 2. Weltkrieg wieder Energieversorgungsengpässe auftraten und die Windenergie Zuspruch erhielt. Nach dem Krieg kam dann aber der Ölboom, fossile Energieträger waren günstig und im Überfluss vorhanden. Doch einige Ingenieure entwickelten weiter Windkraftanlagen und errichteten mit Erfolg Versuchsanlagen. Nach der ersten Ölkrise im Jahr 1973 stieg dann das Interesse an der Windenergie und seit die Verknappung und Endlichkeit der fossilen Energieträger als Fakt akzeptiert ist und der Ausbau der Erneuerbaren Energien und Energiewende bis 2050 auch politisches Ziel in Deutschland ist, hat sich Deutschland zum Weltmarktführer in der Windenergie entwickelt.

In den kommenden Jahren wird der Beitrag der Windenergie weiter wachsen. Neben der Entwicklung der Offshore-Windenergie wird für die Onshore-Entwicklung das so genannte “Repowering” – also der Ersatz älterer kleinerer Windräder mit geringer Leistung, wie sie vor allem in den 1990er Jahren errichtet worden sind, durch moderne leistungsstärkere Anlagen – ein wichtiger neuer Schwerpunkt sein.

Quelle: Lehrgangsskript Projektmanager Windenergie, WBS Training AG

Definition

Bei der Windkraft bzw. Windenergie handelt es sich um die kinetische Energie der bewegten Luftmassen der Atmosphäre. Wind entsteht aus dem Temperaturgefälle zwischen warmer und kalter Luft, also zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten. Windenergie ist insofern eine indirekte Form der Sonnenenergie und zählt deshalb zu den erneuerbaren Energien.

Man kann Windkraft auch folgendermaßen beschreiben:

  • als Winddruck, das ist der physikalische Druck, der von strömender Luft auf eine Objektfläche ausgeübt wird
  • oder als Windenergie, als aus der Luftbewegung umgewandelte (meist elektrische) Energie.

Windräder nutzen die kinetische Energie des Windes und wandeln diese in elektrische Leistung um. Dazu benötigen die Windräder Standorte mit ergiebigen Windstärken. Die kinetische Energie in Form von bewegter Luft treibt die Rotorblätter an und wird damit zunächst in mechanische (Bewegungs-)Energie umgewandelt. Über einen Generator wird diese Bewegungsenergie dann in elektrische Energie umgewandelt. Der Wirkungsgrad von heute üblichen Anlagen liegt bei knapp 50 Prozent.

Eine Anlage wird grundsätzlich nicht auf maximale Leistung, sondern nach dem optimalen Energieertrag ausgelegt, um sich den wechselnden Windbedingungen anpassen zu können.

Quelle: brainding

Situation in Deutschland

In Deutschland verlief der Ausbau der erneuerbaren Energien in den letzten Jahren außerordentlich dynamisch. Sie konnten auch 2012 ihren Anteil im Vergleich zum Vorjahr wieder weiter ausbauen. Insgesamt wurden bereits 22,9 Prozent (2011: 20,5 Prozent) der deutschen Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen gewonnen. Die Windenergie leistet dabei mit 7,4 Prozent den größten Beitrag aller erneuerbaren Energien zur Stromerzeugung.

Nachdem die Potenziale der Wasserkraft in Deutschland zu einem großen Teil erschlossen sind, bestehen heute die größten Ausbaupotenziale bei der Windkraft: Laut des Bundesverbandes Windenergie e.V. kann allein die Windenergie im Jahr 2020 bis zu 150 TWh liefern. Damit könnten rund 30 Prozent des gesamten deutschen Strombedarfs gedeckt werden.

Jahresbilanz Windenergie 2012

Windenergie-Zubau 2012:

in Deutschland: 2.439 MW
Repowering: 432 MW (abgebaut 179 MW)
Offshore: 80 MW

Gesamte Windenergie-Kapazität:

in Deutschland zum 30.12.2012: 31.332 MW
Repowering: 1.443 (abgebaut: 627)
Offshore: 280 MW

Durchschnittliche Anlagenkonfiguration:

Durchschnittliche Leistung: 2.420 kW
Durchschnittliche Nabenhöhe: 109,8 m
Durchschnittlicher Rotordurchmesser: 88,5 m

Windenergiezubau in den einzelnen Bundesländern
Rang Bundesland/Region Zubau-Leistung (MW) Zubau WEA Ø Rotorendurchmesser Ø Nabenhöhe
1 Niedersachsen 360,58 154 84,9 105,5
2 Schleswig-Holstein 332,65 135 84,2 81,7
3 Mecklenburg-Vorpommern 307,92 124 90,7 108,2
4 Rheinland-Pfalz 287,50 100 96,0 129,1
5 Brandenburg 248,06 110 88,0 113,4
6 Bayern 200,50 81 94,3 133,9
7 Sachsen-Anhalt 180,75 84 86,7 110,6
8 Nordrhein-Westfalen 133,55 65 79,8 101,7
9 Hessen 122,40 53 86,8 127,5
10 Thüringen 102,30 47 91,9 114,8
11 Saarland 31,60 15 89,7 102,7
12 Sachsen 27,05 13 82,2 97,9
13 Baden-Württemberg 18,90 9 82,9 129,9
14 Bremen 5,70 2 93,0 113,0
15 Hamburg 0,00 0 - -
16 Berlin 0,00 0 - -
Nordsee 80,0 16 120,0 90,0
Ostsee 0,00 0 - -
Gesamt 2.439,46 1.008 88,8 109,8

Den Jahresbericht 2012 “Status des Windenergieausbaus in Deutschland” des Deutschen WindGuard können Sie hier herunterladen!

 

Quellen:
Deutsche WindGuard GmbH
brainding

Windgeschwindigkeit

Die mittlere Windgeschwindigkeit ist eine Kenngröße von Windrädern, die leider oftmals falsch verstanden wird.

Beispiel: Ein Windrad, das ein Jahr konstant mit Windgeschwindigkeiten von 6 m/s beschickt wird, erzeugt weitaus weniger Energie, als eine Anlage, die ein halbes Jahr still steht und ein weiteres halbes Jahr mit 12 m/s Windgeschwindigkeit angetrieben wird. Beide Windräder haben in diesem Beispiel zwar die gleiche mittlere Windgeschwindigkeit von 6 m/s über das Jahr hinweg, der Faktor Windgeschwindigkeit wirkt sich aber in der Ertragsberechnung nicht linear aus. Die Windgeschwindigkeit geht mit der dritten Potenz, also: “hoch 3″ ein. Ein zeitweiser Stillstand eines Windrads ist darum kein Indiz dafür, dass an dem Standort nicht wirtschaftlich Strom erzeugt werden kann.

Die folgende Grafik bezieht sich auf das oben genannte Beispiel und verdeutlicht die Auswirkung unterschiedlicher Windgeschwindigkeiten auf den Energieertrag:

Windgeschwindigkeit

In beiden Beispielen werden die gleichen Parameter für Leistungsbeiwert und Rotordurchmesser verwendet (cp: 0,45; dRotor: 100m => ARotor: 7.853,98 m2). In Beispiel 1 läuft das Windrad ein Jahr konstant mit 6 m/s, in Beispiel 2 läuft das Windrad nur ein halbes Jahr, jedoch mit doppelter Windgeschwindigkeit.

(Die angegebenen Zahlen sind praxisorientierte Werte und dienen lediglich zur Veranschaulichung. Die Werte bei möglichen Anlagen in der Sengbachtalsperre können abweichen.)

Mehr Informationen zur Berechnung des Windertrages finden Sie unter Mehr Wissen!

Quelle: brainding