Wind - Energie

1. Einleitung

Heute wird die meiste Energie gewonnen, indem man Rohstoffe, die nie wieder nachwachsen, verbrennt. Nur vereinzelt sieht man Windkraftwerke, Wasserkraftwerke oder Solaranlagen. Ist dies nicht der falsche Weg? Ist es richtig , dass wir das gesamte Erdöl, die gesamte Kohle verbrauchen und mit den Abgasen der Kraftwerke unsere Luft immer mehr verschmutzen? Ehe nicht alles verbraucht und kaputt ist, werden die Menschen nicht begreifen, dass es sehr wohl andere, wahrscheinlich bessere Wege zur Energiegewinnung gibt. Mit diesem Referat möchte ich eine Alternative, die Gewinnung von Energie durch Windkraftwerke, aufzeigen.

2. Was ist Wind?

Als Wind bezeichnet man Luftbewegungen in der freien Natur. Sie entstehen durch Druckausgleich zwischen Gebieten mit hohem Luftdruck und Gebieten mit niedrigem Luftdruck. Steigt zum Beispiel über der von der Sonne erwärmten Landoberfläche die Luft empor , dehnt sie sich dabei aus. Über dem daneben liegendem Meer bleibt die Oberfläche und damit auch die Luft kühler. Diese Luftdichteunterschiede verursachen Luftdruckunter-schiede und durch diese entstehen Luftströmungen. Es weht ein Wind. Nachts dreht sich die Windrichtung um, weil dann das Wasser wärmer ist als die schneller abkühlende Landoberfläche. Der Druckausgleich geschieht immer vom Hochdruckgebiet zum Tiefdruckgebiet. Durch die Erdrotation erfolgt der Druckausgleich nicht auf dem kürzesten Weg, sondern spiralförmig um das Zentrum herum. Ruht die Luftströmung, spricht man von Windstille, ist sie sehr heftig von Sturm. Einen kräftigen Windstoß bezeichnet man als Böe.

3. Was ist Windenergie?

Windenergie ist eine kostenlose Energie. Wir können sie nutzen, ohne andere Energieträger ( Gas, Kohle, Öl ) anzugreifen. Mit Windkraftanlagen lässt sich die Bewegungsenergie des Windes nutzbar machen. Die Energie kann der anströmenden Luft durch Turbinen mit Flächen unterschiedlicher Anzahl, Form, Größe und Kombination entzogen werden. Im Gegensatz zu früheren Windrädern entsteht die Drehung des Rotors nicht nur nach dem einfachen Widerstandsprinzip, sondern auch durch aerodynamisch erzeugte Auftriebskräfte, die an den Rotorblättern wirksam werden. Am häufigsten werden tragflügelähnliche Konstruktionen ( Rotorflügel oder -blätter ) verwendet, um die Strömungsenergie der Luft in mechanische Rotationsenergie umzuwandeln. Der Energieentzug aus dem Wind erfolgt durch Verzögerung der Luftströmung. Sie wird an den Rotorblättern umgelenkt, wodurch diese in Rotation versetzt werden. Die Form der Rotorblätter ähnelt dem Profil einer Flugzeugtragfläche, deren Oberseite stärker gewölbt ist als die untere Seite. Durch dieses Profil wird die Geschwindigkeit der anströmenden Luft einerseits erhöht ( Oberseite ), andererseits herabgesetzt ( Unterseite ). An der unteren Seite des Profils bildet sich im Bereich der verlangsamten Strömung ein Überdruck, an der oberen Seite entsteht dagegen Unterdruck. Diese unterschiedlichen Druckverhältnisse führen dazu, dass an dem Profil Auftriebskräfte wirksam werden. Durch diesen Auftrieb wird eine Flugzeugtragfläche nach oben gedrückt, das Rotorblatt einer Windkraftanlage erhält indes Antrieb in Drehrichtung ( Rotordrehmoment ).

Bei einer Energieumwandlung durch reine Widerstandsflächen ist der Energieentzug aus der Luft geringer als bei auftriebsnutzenden Windrädern. Der Einsatz dieser Windenergieanlagen beschränkt sich wegen niedriger Drehzahlen im Allgemeinen auf mechanische Antriebe. Die Konstruktionen sind überwiegend einfach und sehr massiv ausgeführt und können maximal etwa 20 % der in der Luft enthaltenden Strömungenergie entziehen. Bei auftriebsnutzenden Anlagen wird in der Praxis ein Wert von 45 % erreicht.

Ein Windrad mit 100% Wirkungsgrad ist nicht möglich.

In Deutschland wird die Windenergie hauptsächlich zur Stromerzeugung genutzt, es gibt aber auch andere Möglichkeiten, die Bewegung direkt zu verwenden.

4. Die Geschichte der Nutzung der Windenergie

Das Windrad ist seit Jahrtausenden auf verschiedenen Erdteilen bekannt. Vor 4000 Jahren standen die ersten Windräder in Mesopotamien, einer Landschaft zwischen Euphrat und Tigris, 1000 Jahre später im östlichen Mittelmeerraum und danach in China. Im 7. Jahrhundert wurden in Europa die ersten Windmühlen gebaut. Im 17. Jahrhundert war der Höhepunkt der Windmühlenzeit. Noch im Jahr 1875 wurden in Norddeutschland ca. 20000., in Holland ca. 9000 Mühlen gezählt. In Amerika wurden bis zum ersten Weltkrieg über 6 Millionen kleiner Windräder betrieben. meistens zum Betrieb von Pumpen und Generatoren. Windräder waren also in vielen Teilen Europas, Asiens und Amerika bis in das 19. Jahrhundert eine sehr wichtige Energiequelle.

Nach dem Ölschock in den 70er Jahren ist alternative Energie, also auch Windenergie, bei uns wieder interessant geworden. 1973 sahen viele Industrieländer die Chance, durch die Nutzung der Windenergie von den Ländern unabhängig zu werden. Die Regierungen förderten die Entwicklung von Windenergieanlagen. Zuerst wurden in Deutschland nur kleine bis mittlere Anlagen gebaut so genannte Windenergiekonverter ( WEK ).

1983 folgte dann der Bau des legendären Growian 1, einer GROßWIndAnlage, in Brunsbüttel, Schleswig- Holstein. Diese größte Anlage der Welt hatte einen Rotordurchmesser von 100 Metern. Die Gondel mit dem Maschinenhaus wog allein 345 t und war so groß wie ein Einfamilienhaus. Der Turm bestand aus 3 cm dickem Stahl , war 96 m hoch und hatte einen Durchmesser von 3,5 m. Growian erzeugte maximal 3 Megawatt Strom, das war der Energiebedarf von ca. 4000 Haushalten.

Wegen technischer Probleme , die man nicht vorhersehen konnte, stand die Anlage sehr oft

still. Das Forschungsprojekt wurde im Sommer 1987 beendet und Growian abgebaut.

Die Forscher hatten erkannt, dass den theoretischen Vorteilen dieser Groß-anlagen sehr viele Schwierigkeiten in der technischen Ausführung und damit verbunden, hohe Kosten gegenüberstehen. Die Kosten für diesen Prototyp betrugen 100 Millionen DM, eine Serienanfertigung dieser Anlage würde immerhin noch ca. 20 - 30 Millionen kosten.

Seitdem setzen die Energieversorger auf kleinere Anlagen, die mit Leistungen zwischen 25 und 300 KW und durch ihre ausgereifte Technik weniger störanfällig sind. Es wurden so genannte Windparks gebaut. Der erste Windpark in Deutschland mit 30 Anlagen wurde im Jahr 1987 eingeweiht. Die Anlage bei Niebüll, die im Jahr 1990 eröffnet wurde, gilt mit ihren 35 Anlagen als größter Windenergiepark Europas. Gleichzeitig wurde die Forschung an Großanlagen aber fortgesetzt. Im Juli 1990 wurde auf Helgoland der Horizontalachsen-konverter WKA 60 mit 1,2 Megawatt in Betrieb genommen. Der Bund förderte den Bau von Windanlagen, in Deutschland wird die Zahl der privaten Kleinanlagen auf etwa 400 geschätzt.

5. Die verschieden Arten von Windkraftanlagen

Eine Windkraftanlage besteht in der Regel aus den folgenden Komponenten:

Grundsätzlich unterscheidet man horizontal laufende Windräder und

Windkraftanlagen mit vertikaler Rotorwelle.

Horizontal laufende Windräder:

Für die Betriebsweise moderner Horizontalachsen- Konverter gibt es zwei Möglichkeiten: als Leeläufer oder als Luvläufer. Anlagen vom Typ des Leeläufers sind so ausgelegt, dass sich der Rotor in Windrichtung hinter dem Turm dreht. Das Prinzip hat den Vorteil, dass die Rotorblätter bei starkem Wind nicht gegen den Turm gedrückt werden können. Bei einem Luvläufer ist dieses Risiko nicht vollständig auszuschließen, da der Rotor von vorn angeblasen wird und vor dem Turm läuft. Leeläufer haben auch den Vorteil, sich selbsttätig in Windrichtung auszurichten, während Luvläufer durch geeignete technische Maßnahmen dem Wind nachgeführt werden müssen.

Die Betriebsweise als Leeläufer bringt allerdings auch Nachteile: Der Turm verursacht einen Windschatten, wodurch Leistungseinbußen entstehen. Außerdem führt die sich abrupt verändernde Strömung im Turmschatten ständig zu stoßartigen Belastungswechseln der Rotorblätter. Um Schäden zu vermeiden, sind daher an der Blattaufhängung besondere konstruktive und im Allgemeinen kostenaufwendige Maßnahmen erforderlich.

Langsamläufer:

Die Langsamläufer sind Windkonverter einfacher Bauart. Sie haben meistens viele, im Querschnitt etwas schwächere Flügel. Die Flügel addieren sich zu einer großen Flügelfläche und eine solche hat ein sehr großes Anlaufmoment. Das bedeutet, dass schon ein relativ leichter Wind genügt, um es in Gang zu bringen. Dieses Windrad ist eher für niedrigere Drehzahlen gebaut, deshalb verwendet man diese Typen eher für langsame Antriebe, wie zum Beispiel Pumpen oder ähnliches. Im Mittelmeerraum werden diese Anlagen noch heute eingesetzt. Für die Stromerzeugung ist dieser Typ nicht geeignet, da ein Generator mindestens 800 - 3000 Umdrehungen pro Minute benötigt, um Strom zu erzeugen. Diese Anlagen können etwa 20 - 30% der im Wind enthaltenen Energie nutzen.

Schnellläufer:

Diese Typen haben meist zwei bis vier schlanke, aerodynamisch geformte Flügel. Dadurch ergibt sich eine kleine Flügel- beziehungsweise Blattfläche und somit ein geringes Anlaufmoment. Das bedeutet wiederum, dass ein etwas stärkerer Wind zum Anlauf erforderlich ist als beim Langsamläufer. Die Schnellläufer erzeugen relativ hohe Drehzahlen und sind deshalb sehr gut zur Stromerzeugung geeignet, da der Generator mit diesen Drehzahlen nun auch arbeiten kann. Je weniger Flügel man verwendet und desto schmaler das Profil der Flügel ist, desto größer wird die Drehzahl und somit die Leistung des Generators.

In der Praxis werden häufig Windräder mit zwei Flügeln verwendet, da sie um einiges leichter zu bauen sind als diese mit drei beziehungsweise vier Flügeln.

Solche Typen können circa 30 - 50% der Windenergie verwerten und umwandeln.

Darrieus - Rotoren:

Diese Windräder sehen im Wesentlichen wie Zwiebelschalen aus. Aus welcher Richtung der Wind kommt ist auch hier egal. Die Rotoren haben den Vorteil, dass sie nicht in einer gewissen Höhe montiert werden müssen, sondern dass sie auch in Bodennähe funktionieren. In Westeuropa gilt dieser Rotor als veraltet, und wird kaum mehr benutzt. In den Entwicklungsländern spielt diese Anlage aber heute noch eine nicht unwesentliche Rolle bei der Energieerzeugung.

6. Aufwindkraftwerke

Aufwindkraftwerke sind Anlagen, die mit einer Kombination aus Treibhaus und Kamin Strom erzeugen. Eine große Folie oder auch Glasplatten werden am Boden befestigt Durch die Sonne wird die Luft erwärmt; die dann in der Mitte des Folien- oder Glasdaches mit großer Geschwindigkeit in einem Kamin emporsteigt und dort die Turbine ( Rotor ) antreibt. Die Grundbedingungen für den Betrieb eines solche Projektes sind eine ausreichende Fläche und Sonneneinstrahlung. Da vor allem in Ländern mit Wüstengegenden die Voraussetzungen vorhanden sind, sind diese Anlagen für Entwicklungsländer ideal. Der Prototyp einer Aufwindanlage wurde 1982 in Manzanares, Spanien in Betrieb genommen. Die Fläche, die die Folie bedeckte, betrug 16 000 m2. Der Kamin hatte eine Höhe von 200 Metern und erzeugte maximal 50 KW. Ein Sturm im Jahr 1989 zerstörte die Anlage.

In Deutschland besteht zwar auch Interesse an den Türmen, aber die Förderung durch das Bundesforschungsministerium wurde eingestellt. Die Projekte seien unwirtschaftlich heißt die lapidare Begründung des Ministeriums.

7. Offshoreanlagen - ein zukunftsträchtiger Markt

In keinem anderen Land wird mit Windenergie so viel Strom erzeugt wie in Deutschland. Doch die dafür geeigneten Standorte sind begrenzt. Immer mehr Unternehmen planen, Windenergieanlagen im offenen Meer zu installieren, so genannte Offshoreanlagen. Das Meer bietet viele Vorteile. Hier weht der Wind nicht nur stärker und konstanter, auch die Fläche scheint unbegrenzt vorhanden zu sein. Und wer soll sich hier schon an Windpropellern stören, die man weder sieht noch hört? Grossen Windparks im Meer könnte die Zukunft gehören.

Eine Studie im Auftrag der EU ergab, dass die Meeresbrise vor den Küsten den Stromverbrauch der EU zwei Mal decken könnte. Allerdings müsste der Horizont dazu beinahe komplett von Rotoren eingerahmt werden.

Die Praktiker sind mit ihren Schätzungen zurückhaltender. Ihrer Meinung nach eignet sich die Ostsee wegen ihres Klimas besser als die Nordsee. In der Nordsee könnten die Anlagen wegen des Nationalparks Wattenmeer nur weit vor der Küste gebaut werden. Je grösser die Wassertiefe und der Abstand zur Küste ist, desto teurer werden auch die Anlagen. Da bei dem Bau von Windkraftanlagen auch Rücksicht auf militärische Sperrgebiete und Seeverkehrswege genommen werden muss, kann nach Schätzungen nur 10% des theoretischen Potenzials genutzt werden.

Noch dreht sich an der deutschen Küste kein Rotor. Ganz anders sieht es aber bei unseren Nachbarn aus. Vor der niederländischen und vor der dänischen Küste erzeugen schon seit einigen Jahren Windkraftanlagen elektrischen Strom. Dies sind allerdings erst die Anfänge: Die Niederlande wollen bis zum Jahr 2020 Anlagen mit einer Leistung von 2750 MW installieren - einen Großteil davon im Offshore - Bereich. Noch ehrgeizigere Pläne hat Dänemark, wo der Wind in 30 Jahren 5500 MW und damit die Hälfte des Energiebedarfs liefern soll. Den Löwenanteil sollen mit 4000 MW Anlagen auf dem Meer liefern. Auch in Schweden, Grossbritannien und Neuseeland gibt es Projekte für Offshore - Anlagen.

8. Standorte

Den richtigen Standort für Windräder zu finden, ist äußerst schwierig. Es dürfen keine Bäume beziehungsweise Häuser oder andere Hindernisse in der unmittelbaren Nähe sein. Von diesen Hindernissen werden Luftwirbel erzeugt, die die Windkraftanlage stören. Am geplanten Standort sollte das ganze Jahr über eine Mindestdurchschnittsluftgeschwindigkeit von etwa 4 - 10 m/s herrschen, damit das Windrad auch immer befriedigend laufen kann. Als nächstes ist darauf zu achten, dass das Windrad nicht in der Nähe eines bewohnten Hauses gebaut wird. Diese Windräder können nämlich Lärm verursachen, der ungefähr 50 Dezibel erreicht. Gute Standorte sind in Amerika gefunden worden. Man errichtete dort gleich riesige Windparks, um damit Strom erzeugen.

Wenn man ein kleines Windrad zu Hause einrichten will, sollte man es nicht am Dach montieren. Das Windrad erzeugt Schwingungen, die unter anderem den Dachgiebel zerstören können, aber bei einer bestimmten Frequenz, nämlich der Eigenfrequenz des Hauses, dieses zum Einstürzen bringen kann.

9. Heutiger Stand der Entwicklung

Die regenerativen Energieqellen sind im Prinzip unerschöpflich. In der Praxis kann man nur einen geringen Teil der Windenergieanlagen wirtschaftlich nutzen, da dafür teure Technik notwendig ist. Da der Wind nicht immer vorhanden ist, müssen Speicher für die Energie entwickelt werden, damit sie auch in windstillen Zeiten verfügbar ist. Beim heutigen Stand der Technik ist die Windenergie noch nicht der Lage, die Versorgung ganzer Regionen zu sichern. Heute kann man leider durch Windenergie erst nur ca. 6 - 8 % der Leistung der Atomkraftwerke erreichen.

10. Wirtschaftskraft Windenergie

Die neue Wirtschaftskraft der derzeit über 6000 modernen Windkraftanlagen in Deutschland geben für die bisher strukturschwachen Windgebiete wichtige regionale Wirtschaftsimpulse, Arbeitplatzbeschaffung, Gewerbe-steuern, Stärkung landwirtschaftlicher Betriebe und neue Perspektiven für den Nachwuchs in ländlichen Gebieten. Windstrom wird heute vielfach durch Bürgerwindparks produziert, die von der örtlichen Bevölkerung getragen werden. 55% der bundesweiten Windkraft wird in strukturschwachen Regionen erzeugt, vor allem in den Landkreisen an der Nordee: Nordfriesland, Dithmarschen, Cuxhaven, Wesermarsch, Friesland, Wittmund und Aurich erzeugt. Beim Bau der Windturbinen vergeben die Projektplaner häufig Aufträge an ortsansäßige Unternehmen. Außerdem siedeln sich Wartungs- und Serviceunternehmen an, die weitere Arbeitsplätze schaffen. Der Import von Energie ( Kohle, Öl, Uran ) bedeutet immer auch einen Export von Kapital und Arbeitsplätzen.

11. Perspektiven der Windenergienutzung

Momentan sind weltweit Windkraftanlagen mit einer Gesamtleistung von ca. 13.000 MW in Betrieb. Etwa 2500 MW entfallen auf die USA, 9000 MW auf Europa und davon die Hälfte auf Deutschland. Dänemark hat mit etwa 6000 Windkraftanlagen mehr als 1700 MW Windleistung installiert.

Bei uns wurden im Jahr 1999 durch den erzeugten Windstrom der Biosphäre über 6.000.000 Tonnen Kohlendioxid erspart. Bei konventioneller Stromerzeugung wären ca. 10 Millionen Bäume erforderlich, um die dabei anfallende Menge an Kohlendioxid zu binden. Der wirtschaftliche Einsatz und die vorhandenen bzw. erreichbaren Windenergiepotenziale rechtfertigen - insbesondere auch im Hinblick auf die notwendige Reduktion von Umweltbelastungen - einen verstärkten Ausbau der Windenergienutzung. Eine langfristige Energieversorgung lässt sich nur sicherstellen, falls erneuerbare Energiequellen mit umweltfreundlichen Wandlungsverfahren verstärkt zur Anwendung kommen und wesentliche Versorgungsbeiträge liefern werden. Neben der Wasserkraft gewinnen vor diesem Hintergrund Anlagen zur Nutzung der Windenergie auch aus wirtschaftlicher Sicht einen besonderen Stellenwert. Neben den positiven Umwelteffekten lassen sich durch eine großtechnische Windenergienutzung auch arbeitsmarktpolitische Auswirkungen erwarten. Diese Technik erfordert beim Anlagenbau ein höheres Beschäftigungdpotenzial als der Einsatz konventioneller elektrischer Energie. Momentan entfallen auf die Windenergienutzung weltweit über

60 000 Arbeitsplätze. Bis zum Jahr 2020 wird damit gerechnet, dass durch die Herstellung und Montage von Windkraftanlagen mehr als 1,7 Millionen Arbeitsplätze geschaffen werden. Somit lassen sich durch den Ausbau der Windenergie auf dem deutschen und internationalen Arbeitsmarkt nennenswerte Entlastungen erwarten.

12. Kritik an der Windenergienutzung

Über 400 Bürgerinitiativen wehren sich in Deutschland gegen die Windkraftwerke. Ihrer Meinung nach kann Windenergie weder Kern- noch Kohlekraftwerke ersetzen. Sie befürchten eine Zerstörung des Orts- und Landschaftsbildes, die so genannte 'Verspargelung' ganzer Regionen. Die Anwohner leiden unter dem Lärm und unter den Emissionen von Infraschall, also Schall unterhalb des Hörbereiches des Menschen. Dieser Infraschall kann innere Organe zu Schwingungen anregen; die Folge davon sind Unwohlsein, Übelkeit, Kopfschmerzen und Schlaflosigkeit. Außerdem leiden Anwohner unter den Sichtbehinderungen, dem so genannten Disco - Effekt ( Licht- und Schattenwurf ).

Der Bundesverband Landschaftsschutz fordert mindestens 300 m Sicherheitsabstand zwischen Windkraftanlagen und den Straßen und Häusern. Flügelteile und Eisbrocken flogen häufig über 400 m weit. sie trafen Menschen und durchschlugen Autos und Gebäude. Am 7. 11. drehte sich der 25 m lange Rotor einer Anlage in Barlteraltendeich ( Kreis Dithmarschen, Schleswig - Holstein ) wegen eines Bremsdefektes mit vierfacher Geschwin-digkeit und drohte zu zerbersten. Die Bevölkerung im Umkreis von 500 Metern musste bis zum Stoppen der Anlage ihre Häuser verlassen.

In der Ostsee zwischen Rügen und Bornholm soll auf Plattformen im Meer ein Windpark entstehen, gegen den die Fischer heftig protestieren. Es sei möglich, dass es Auswirkungen auf die Unterwasserwelt geben würde. So befürchten die Fischer, dass die Wanderwege der Fische und besonders die Heringslaichgebiete gestört werden.

13. Bundesverband WindEnergie e. V.

Der Bundesverband Windenergie e. V. ist ein gemeinnütziger Verein mit mehr als 4000 Mitgliedern. Er wurde am 12.10.1996 durch Zusammenschluss von zwei Organisationen, dem 'Interessenverband Windkraft Binnenland'

( IWB ) und der 'Gesellschaft für Windenergie' gegründet. Der BWE hat sich zum Ziel gesetzt, die Rahmenbedingungen für die Windkraftanlagen zu verbessern. Dabei geht es zum einen um die Einführung gerechter Netzeinspeisebedingungen für Strom aus Windkraftanlagen, zum anderen um die Schaffung akzeptabler Förderungsbedingungen und um die Frage des Baurechtes. In all diesen Frage ist der BWE als Organisation für die Windenergiepolitik gefragt. In Gesprächen mit fachkundigen Institutionen, Anlagenherstellern und Planungsbüros werden technische und wirtschaftliche Fragen erörtert. Die Mitglieder werden regelmäßig über die monatlich erscheinende Mitgliederzeitung ' Neue Energie ' ausführlich über die aktuelle Entwicklung informiert. Ferner gibt der BWE jährlich eine unabhängige Marktübersicht über Windkraftanlagen heraus. Zur Bewahrung der Unabhängigkeit wird die Grundfinanzierung über Mitgliedsbeiträge und Spenden bestritten. Jeder kann dazu beitragen, die Nutzung der Windenergie voranzutreiben.

14. Quellen

S. Heier: Nutzung der Windenergie, Fachinformationszentrum Karlsruhe, TÜV- Verlag

BWE- Info Nr. 2: Zahlen und Fakten zur Windenergie; Bundesverband Windenergie, Herrenteichsstr. , 49074 Osnabrück

Kaltschmitt / Wiese: Erneuerbare Energien, Springer - Verlag, Berlin

Internetadressen:

www.ct.heise.de

http://home.t-online.de/home/bernd.flinspach

www.energie-online.de

www.prowind.de

www.windkraft.de

www.energieinfo.de

www.windpower.dk

http://wilfriedheck.tripod.com

www.emsolar.eetu-berlin.de

www.dkrz.de/schule/energie/erw-7.html