Windkraft

Windenergie – wind power

Windkraft
Beschreibungen von Windmühlen und windgetriebenen Schöpfwerken in chinesischen, japanischen und babylonischen Quellen weisen darauf hin, dass die Nutzung der Windkraft als Ergänzung der menschlichen und tierischen Muskelkraft bis in das 2. Jahrtausend vor Christus zurückreicht. In den windreichen Gegenden Europas gehörten seit dem 12. Jahrhundert Windmühlen zunehmend zum Landschaftsbild. Im 19. Jahrhundert gab es in Europa mehr als 200.000 Windmühlen.

Mit der Entwicklung von Generatoren zur Stromerzeugung gewannen Windräder Ende des 19. Jhdts. eine völlig neue Bedeutung. Die wesentlich rentableren Wärme- und Wasserkraftwerke verhinderten jedoch, dass Windgeneratoren einen nennenswerten Anteil an der Stromerzeugung behalten konnten. Erst in den 20er und 30er Jahren gab es einen Neubeginn: In Europa und Amerika wurden große Windgeneratoren mit Leistungen zwischen 100 Kilowatt und 1.000 Kilowatt geplant. Der Bau erster Anlagen wurde durch den 2. Weltkrieg gestoppt. Die Ölpreiskrise in den 70er Jahren gab dann endgültig den Anstoß zur weiteren Entwicklung dieser Technologie. Forschungsanstrengungen und energiepolitische Förderung haben dazu geführt, dass die Bundesrepublik bis Ende 2011 mit einer installierten Leistung von ca. 29.000 MW weltweit das Windenergieland Nummer 3 – nach China und den USA –  war.

Nutzung der Windenergie

Windenergie lässt sich nutzen, indem Flächen, Flügel und Blätter dem bewegten Luftstrom einen Widerstand entgegensetzen und so die kinetische Energie der Luftströmung aufnehmen. Die Leistung einer derartigen “Windturbine” hängt von der 3. Potenz der Windgeschwindigkeit ab. Die Nutzung der Windenergie ist demnach extrem standortabhängig. Erst ab Windgeschwindigkeiten im Jahresmittel von 4,5 m/s ist die Nutzung der Windenergie zur Elektrizitätserzeugung sinnvoll. Dies zeigt, wie wichtig der richtige Standort für die Wirtschaftlichkeit einer Windkraftanlage ist.

Situation in Deutschland

Seit 1991 hat die Zahl der Windkraftanlagen zur Stromerzeugung in Deutschland sprunghaft zugenommen. Den entscheidenen Anstoß gab das Stromeinspeisungsgesetz von 1990. Mit der Einführung des Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) im Jahre 2000 erfuhr die Windkraft einen weiteren Aufschwung. Ausdruck dessen: Von 2011 auf 2012 stieg der Anteil der Windkraft am Endenergieverbrauch um 23 Prozent – von 37,8 auf 46,5 Mrd kWh.

Die Vergütung für Anlagen an Land nach dem EEG [Stand Oktober 2008 inklusive der Novelle von August 2010] verhält sich wie folgt:

Basisvergütung: 5,02 cent/kWh,       erhöhte Vergütung: 9,2 cent/kWh

* Die erhöhte Vergütung ist die Anfangsvergütung und wird ab der Inbetriebnahme wird mind. 5 Jahre lang bezahlt
* Degression: 1% ab 2011
* Repowering-Regelung bei Ersatz alter Anlagen (Alter mindestens 10 Jahre), mindestens 2-fache und maximal das 5-fache der Leistung der ersetzten Anlagen.
* “60%-Klausel”: Keine Vergütung für Anlagen, für die vor der Inbetriebnahme nicht nachgewiesen wurde, dass sie an dem geplanten Standort mindestens 60% des Referenzertages erzielen können.

Mit einem Stromertrag von 46,5 TWh (46,5 Terawattstunden = 46.500 Gigawattstunden = 46.500.000 Megawattstunden) im Jahr 2011, was einem Anteil von 6 % am deutschen Bruttostromverbrauch entspricht, ist die Windenergie größter Stromlieferant der erneuerbaren Energien. Damit hat sie die Wasserkraft vom 1. Platz verdrängt, die bis zum Jahr 2003 den meisten Strom aus erneuerbaren Energien erzeugte.
Im Offshore-Markt schlummern riesige Potenziale. Bis zum Jahr 2030 sollen, in den Augen der Bundesregierung, vor deutschen Küsten die Installation von bis zu 25.000 MW Windleistung möglich sein. Derzeit werden in einem Testfeld vor der Küste Niedersachsens die Voraussetzungen für einen weiteren Ausbau untersucht.

Vorteile der Windenergie

Wesentlicher Vorteil der Windenergie ist die völlige Emissionsfreiheit des Umwandlungsprozesses von Windenergie in elektrische Energie. Eine Umweltbelastung durch Abgase, Abwärme usw. findet nicht statt. Die Windenergie ist nicht nur eine saubere Energie, sondern ihre Nutzung ist auch – neben der Wasserkraft – unter allen erneuerbaren Energien technisch am weitesten fortgeschritten. Die meisten Windkraftanlagen Deutschlands gibt es dort, wo der Wind fast immer weht: in den Küstengebieten. Bundes- und Landes-Förderprogramme und die Verabschiedung des Stromeinspeisungsgesetzes haben es jedoch auch für attraktive Lagen in den Mittelgebirgen wirtschaftlich gemacht, Windenergie zu nutzen.

Funktionsweise und Wirkungsgrad

Windenergie ist eine indirekte Form der Sonnenenergie. Durch die unterschiedliche Erwärmung der Erdoberfläche entstehen in der Atmosphäre Hoch- und Tiefdruckgebiete. Der Druckausgleich erfolgt über Luftströmungen, die von der Rotation der Erde und der Beschaffenheit der Erdoberfläche  beeinflusst werden. Wind ist eine Bewegung von Luftmassen und damit Träger kinetischer Energie. Ein Windenergiekonverter überträgt einen Teil dieser kinetischen Energie mit Hilfe von Rotorblättern auf eine Antriebswelle. Könnte man die gesamte Energie des auf einen Konverter treffenden Windes nutzen, was einem Wirkungsgrad von 100 Prozent entspräche, so müsste hinter ihm die verbleibende Bewegungsenergie der Luft gleich Null sein. Die abgebremsten Luftmassen müssen jedoch abgeführt werden, was ohne einen verbleibenden Teil der Windleistung nicht möglich ist. Der aerodynamisch bedingte, theoretisch erreichbare höchste Wirkungsgrad beträgt etwa 59%. Die nutzbare elektrische Leistung ergibt sich nach Abzug der Getriebe- und Generatorverluste. Einschließlich dieser Verluste erreichen moderne Windenergieanlagen einen Wirkungsgrad von 50%. Sie sind damit schon sehr nahe am Maximum der möglichen Energieausbeute angelangt.

(Quelle: Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg)

http://www.um.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/44284/

 

(Klein-) Windkraftanlagen

Zu Kleinwindkraftanlagen (KWKA) zählen laut Definition des BWE (Bundesverband WindEnergie e.V.) Windkraftanlagen bis 100 Kilowatt installierter Leistung. Da diese Anlage trotzdem noch sehr groß ist, kommen bei Kleinwindkraftanlagen für das eigene Heim eher Leistungen bis 30 kW in Frage.

Die IEC-NORM 61400-2:2006 definiert alle windbetriebenen Anlagen als Kleinwindkraftanlagen, die eine Rotorfläche haben, die kleiner ist als 200m² bei 350 W/m². Das heißt die Kleinwindkraftanlagen dürfen eine maximale Leistung von 70 kW haben und die Turmhöhe von 20 m nicht überschreiten.

Windkraftanlagen unterscheiden sich im Wesentlichen in ihren Bauformen. Hierbei gibt es verschiedene Arten und Klassifizierungen – unter anderem Windräder mit senkrechter Drehachse und solche mit waagerechter Drehachse.

Moderne Vertikal-Achser bezeichnet man unter anderem auch als H-Rotor, weil die Blätter senkrecht zur Achse oder Rotorwelle stehen. Diese Anlagen haben meist zwei oder drei Rotorblätter die senkrecht umlaufend sind, sich also um die eigene Achse drehen. Ein entscheidender Vorteil dieser Anlagen ist, dass ihre Funktion nicht von der Windrichtung abhängig ist. Zudem können die Bauelemente auch in Bodennähe installiert werden. Der Einsatz vertikaler Rotoren ist effizienter und wirtschaftlicher. Das betrifft auch die Herstellungskosten und den Wartungsaufwand. Außerdem sind sie technisch leichter skalierbar und schalten sich schon bei einer Windgeschwindigkeit von 2m/s ein.
Sie laufen selbst dann noch, wenn andere Anlagen schon längst abgeschaltet werden müssen. Dabei laufen sie sehr geräuscharm und die solide Technik sorgt zusätzlich für einen wartungsarmen oder sogar wartungsfreien Einsatz.

Windkraftanlagen mit vertikaler Achse sind hervorragend zur Stromversorgung einer Zusatzheizung und zur Warmwasseraufbereitung geeignet. Durch die Beschleunigung der Windgeschwindigkeit im Strömungskörper der Anlage ergibt sich auch eine sehr hohe Energieausbeute. Um das zu erreichen, sollte man im Vorfeld den besten Standort auswählen. Achtung – andere Gebäude oder in der Nähe stehende Bäume können unter Umständen zu einem Windschatten führen, der wiederum die Effektivität negativ beeinflussen kann.
Anlagen mit vertikalen Rotoren besitzen eine relativ hohe Sturmsicherheit.

Ganz gleich für welche Variante man sich auch immer entscheidet, grundsätzlich können diese kleinen Windanlagen zur Erzeugung von Strom in entlegenen Gebieten, zur parallelen Elektrizitätsproduktion neben anderen Energieversorgern, zur Heizung sowie zum Pumpen von Wasser genutzt werden.

Viele Firmen und Anbieter setzen auf Windkraftanlagen mit horizontaler Achse, die sehr gut auch auf Hausdächern montiert werden können. Sie eignen sich besonders für landwirtschaftliche-, sowie klein- und mittelständische Betriebe.

Der Einsatz von Windrädern mit horizontaler Achse hat schon eine jahrhundertealte Tradition, die schon früher zum Pumpen von Wasser oder zum Mahlen von Getreide genutzt wurde. Sie haben einen drehbaren Kopf, werden mit der Windfahne nach dem Wind ausgerichtet und drehen sich mittels einer Seitenfahne bei starkem Sturm seitlich aus dem Wind. Diese Anlagen laufen bereits bei geringen Windgeschwindigkeiten an, haben aber den Nachteil, dass sie wegen ihrer aufwendigen Metallkonstruktionen oft sehr schwer und zudem Wartungsaufwendiger sind. In jüngerer Zeit gibt es deshalb in dieser Form Windkraftanlagen mit geringerer Flügelzahl und aerodynamischer Profilierung. Sie eignen sich besonders für Gebiete mit starkem Windaufkommen und können hier sehr effektiv eingesetzt werden. Leider muss bei einem Schnelllauf der Rotorblätter bereits bei mittleren Windstärken mit lauteren Laufgeräuschen gerechnet werden, was sich besonders in Wohngebieten als ziemlich störend erweisen kann.

Zur optimalen Energiegewinnung mit Kleinanlagen zum Beispiel auf dem Dach, ist ein freistehendes Haus oder ein unbebauter Platz vorzugsweise besser geeignet. Nur so ist eine optimale Einströmung des Windes und damit eine gute Energieausbeute gewährleistet. Um Strom zu gewinnen, wird dabei nun die Bewegungsenergie des Windes von den Rotorblättern in eine Drehbewegung umgewandelt, die einen Generator im Inneren der Gondel antreibt. Ausschlaggebend für die gewonnene Leistung sind zum einen die Bauart der Rotorblätter und zum anderen die Windgeschwindigkeit. Bei einer Verdoppelung der Windgeschwindigkeit kann sich die Leistung der Anlage auf das Achtfache erhöhen.
Auch Windanlagen mit horizontaler Achse sind sturmsicher. Hierzu wird das Windrad selbstständig und elektronisch entweder abgeregelt oder schwenkt seitlich aus der Windrichtung.

So genannte Hybridanlagen sind eine Kombination aus der Nutzung von Wind- und Sonnenenergie. Die starken Winde im Winter werden hierbei durch die langen Sonnentage im Sommer ausgeglichen. So kann man die unterschiedlichen natürlichen Energieangebote in Form von Sonne und Wind im Laufe eines Jahres nutzen. Wenn man diese relativ kleinen Anlagen noch mit einem Hilfsgenerator koppelt, kann man den Umfang der benötigten Batteriespeicherung verringern. Für das eigene Heim bedeutet das, im Vorfeld eine angemessene Batteriespannung festzulegen. Diese sollte erfahrungsgemäß für die komplette Versorgung eines Eigenheims 48V und für kleinere Anlagen 24V betragen. Dabei laden sowohl die Windkraftanlage als auch die Solaranlage die Batterien, bzw. Akkus gemeinsam auf. Nun kann der Strom jederzeit entnommen werden, was direkt von der Batterie über einen Gleichrichter auf handelsübliche Küchengeräte oder TV-Anlagen erfolgen kann. Dieser Gleich- oder Wechselrichter wandelt dabei die Gleichspannung aus der Akkubank in die gebräuchliche Wechselspannung um.

Im Handel gibt es dafür zwei Arten, den so genannten Trapezwechselrichter und den Sinuswechselrichter, der zwar etwas teurer, aber bei empfindlichen Geräten die bessere Wahl darstellt. So kann man nun alle Elektrogeräte im Haushalt und sogar die Zimmerbeleuchtung betreiben, bis der Akku leer ist. Zudem sind Hybridanlagen mit einem Laderegler ausgestattet der dafür sorgt, dass der Leistungsüberschuss aus Sonne und Wind zum Beispiel an einen Heizstab weitergeleitet wird, der nun auch noch das Brauchwasser erwärmt.
Allerdings gibt es noch eine weitere Variante zur Insellösung, nämlich die Netzeinspeiseanlage. Die Vorteile liegen hier eindeutig auf der Hand, denn neben dem interessanten Punkt der Vergütung des selbst „produzierten” Stroms und dessen Verkauf ist auch der Installationsaufwand sehr gering und die Lebensdauer mit prognostizierten 25 bis 30 Jahren vergleichsweise hoch. Außerdem werden keine speziellen Wartungsarbeiten für diese Anlagen nötig.

Heizen per Windkraft

Den durch eine Kleinwindkraftanlage erzeugten Strom kann man auch für Heizzwecke einsetzen. Eine Möglichkeit ist der Betrieb einer Wärmepumpe mit Hilfe des Windstroms. In den meisten Haushalten wird jedoch ein Heizkessel in Kombination mit einem Wasserspeicher benutzt. Mit Hilfe einer Heizpatrone, mit der viele Pufferspeicher nachgerüstet werden können, wird der Windstrom in Wärme umgewandelt und gespeichert. Auch mit einer Solarthermie-Anlage kombinierte Systeme sind denkbar.

Neben der Stromproduktion und der Wassererwärmung kann die Windenergie auch noch für andere Zwecke eingesetzt werden, wie z.B. für den Antrieb einer Pumpe mit Hilfe mit eines Preßluftspeichers oder eines Druckölmotors.

 

Weitere, sehr ausführliche Informationen finden Sie u.a.

bei Wikipedia unter http://de.wikipedia.org/wiki/Kleinwindkraftanlage