Entstehung / Erfindung / Vorgeschichte
Wird die aus dem Wind gewonnene Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt, spricht man von einer Windkraftanlage. Schon in der Antike ließ man den Wind für sich arbeiten. Windmühlen wurden zum Mahlen von Korn, für Pumpzwecke und andere kraftintensive Arbeiten genutzt.
Im Jahre 1920 entwickelte Albert Betz eine Theorie zur bestmöglichen aerodynamischen Form der Rotorblätter, auf der noch heute alle Konstruktionen von Windrädern basieren. In den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts setzen sich einfache, aber robuste Windkraftanlagen durch, die drei Rotorblätter an der dem Wind zugewandten Seite der Gondel haben. Diese Art von Anlagen nennt man das „Dänische Konzept“, weil in Dänemark die Weichen für die moderne Nutzung der Windenergie gestellt wurden.
Rund 10 Jahre später begann in Deutschland die Politik Rahmenbedingungen für die Windwirtschaft zu stellen. Durch das Stromeinspeisungsgesetz, das Elektrizitätsversorger verpflichtete, mittels Wind, Sonne oder anderer regenerativer Verfahren erzeugten Strom abzunehmen und zu vergüten, wurde die industrielle Fertigung und der Betrieb von Windrädern wirtschaftlich interessant und vielfach erst ermöglicht.
Funktionsprinzip / Technik
Heute findet man zumeist Windräder mit horizontaler Rotationsachse. Die Spitzen der Rotorblätter können dabei 250 bis 300 km/h erreichen. Allerdings müssen diese Windräder ständig nach dem Wind ausgerichtet werden. Die Anlage ermittelt automatisch über so genannte Windrichtungsgeber die erforderliche Richtung und Stellmotoren drehen die Gondel mit den Rotorblättern in die entsprechende Position.
Man unterscheidet die Luvläufer, die in die dem Wind zugewandten Seite ausgerichtet werden und die Leeläufer, bei denen sich die Rotorblätter im Windschatten befinden. Kleine Leeläufer dreht der Wind sogar allein in die richtige Position, ohne dass die erst über Meßinstrumente ermittelt werden muss oder Stellmotoren erforderlich wären. Man nennt das passive Windnachführung.
Windräder mit vertikaler Rotationsachse hingegen muss man nicht nach dem Wind ausrichten. Die Flügelräder werden immer gleichmäßig belastet. Deshalb treten keine Schwingungen auf, die das Material belasten, was sich auch günstig auf den Geräuschpegel auswirkt. Auch die Konstruktion des Generators ist einfacher und sicherer. Zudem ist die Toleranz gegenüber Turbolenzen wesentlich höher als bei der Bauweise mit horizontaler Rotorachse. Doch leider haben diese Windräder einen so geringen Wirkungsgrad, dass alle konstruktiven Vorteile dagegen verblassen. Die Entwicklung wird zeigen, ob es gelingt, diesem Anlagentyp weiteres Potential zu entlocken.
Die wesentlichen Bestandteile einer Windkraftanlage sind Rotor mit den Rotorblättern, die Rotornabe und die Maschinengondel, in der der Generator und gegebenenfalls ein Getriebe installiert sind. Das ganze ist drehbar gelagert auf dem Turm. Die Regel- und Steuerungssysteme, die Überwachungselektronik und Netzanschlüsse sind teils in der Gondel, teils im Fuß des Turm und auch außerhalb angeordnet. Der Turm mit seiner schweren Last stellt natürlich besondere Anforderungen an sein Fundament.
Der Rotor hat bei modernen Anlagen einen Durchmesser von 40 bis 90 m. Die Rotorblätter haben eine ganze besondere Bedeutung. Sie sind das Medium, das dem Wind die Energie entnimmt und dem Generator zuführt. Ihre Bauform und Beschaffenheit bestimmt den Wirkungsgrad der Anlage – aber auch die Geräuschentwicklung. Meist bestehen die Rotorblätter aus glasfaserverstärktem Kunststoff oder aus Kohlenstofffasern. Eisbildung auf den Flügeln führt ebenso durch Verschlechterung der Aerodynamik zur Minderung des Wirkungsgrades wie es eine Unwucht verursacht, von der Gefahr durch herabfallende Eisbrocken mal ganz abgesehen. Deshalb versehen einige Anlagenbauer die Flügel ihrer Windräder mit einer Heizung, die das Vereisen verhindern soll. Diese Heizung wird entweder elektrisch zugeschaltet oder aber man macht sich die Abwärme des Generators in der Gondel zunutze und bläst diese warme Luft in die Rotorblätter.
Ist die Anlage mit einem vierpoligen Asynchrongenerator mit fester Drehzahl ausgestattet, ergibt sich eine Drehfelddrehzahl von 1500 U/min mit der bei uns üblichen Netzfrequenz von 50 Hertz. Wegen der festen Drehzahl des Generators ist ein Getriebe nötig, um mit den unterschiedlichen Rotorgeschwindigkeiten zu arbeiten.
Es gibt jedoch auch Windanlagen, in denen Generatoren mit zwei oder mehr festen Drehzahlen betrieben werden. Hier erfolgt die Umschaltung abhängig von der Windgeschwindigkeit.
Vielfach ist jedoch eine variable Drehzahl erwünscht. Der Generator kann dann unabhängig von der Windgeschwindigkeit mit hohem Wirkungsgrad arbeiten und es wird kein Getriebe benötigt. Das erreicht man mit einem Synchrongenerator, den man mit der gleichen Drehzahl wie der des Rotors betreiben kann. Jedoch ist dann wieder ein größerer Generator erforderlich (3 bis 12 m) und das heißt wiederum: Eine wesentlich höhere Gewichtslast in der Gondel. Damit die so erzeugte Spannung überhaupt in das öffentliche Netz eingespeist werden kann, muss die schwankende Frequenz zuerst angeglichen werden. Dazu richtet man die Spannung zuerst gleich, um sie anschließend über einen Wechselrichter in der gewünschten Frequenz und Form weiterzugeben.
Eine Bremse muss in der Lage sein, die gesamte Energie der Bewegung mit einem Schlag aufzunehmen. Das geschieht zumeist durch Scheibenbremsen. Zusätzlich sind in vielen Anlagen Regelungen installiert, die die Stellung der Rotorblätter bei Bedarf verändern und so aerodynamisch verändern. Ist eine solche Regelung vorhanden, benötigt man entsprechend weniger Kraft von der mechanischen Bremse. In manchen Fällen kann sie auch ganz entfallen.
Da alle Bauteile einer Windkraftanlagen außerordentlich starken Belastungen ausgesetzt sind, setzen Zertifizierungsgesellschaften wie der Germanischen Lloyd strenge Vorgaben, deren Einhaltung laufend kontrolliert wird. Dazu sind die Anlagen mit Fernüberwachungs- oder Condition-Monitoring-Systemen ausgestattet, die ständig Daten des Betriebszustandes an eine Zentrale liefert und dort Wartungsarbeiten koordinieren lässt.
Auch die baulichen Anforderungen an den Turm sind enorm. Er trägt die viele hundert Tonnen schwere Gondel, ist permanent mechanischen Schwankungen ausgesetzt und muss zudem bei einer Höhe von 40 m bis 130 m dem Wind standhalten. Türme werden sowohl aus Beton als auch in Stahlbauweise errichtet. Bei kleineren Anlagen führt eine außen angebrachte Leiter nach oben. Größere Anlangen haben den Aufstieg innen, was wiederum einen größeren Turmdurchmesser und damit eine größere Angriffsfläche für den Wind bedeutet. Sehr hohe Türme haben innen einen Aufzug.
Windkraftanlagen können für verschiedene Windklassen zugelassen werden. So steht die Windklasse I beispielsweise für eine durchschnittliche Windgeschwindigkeit von 10 m/s und die Windklasse IV sieht sich Wind mit einer Geschwindigkeit von 6 m/s ausgesetzt. International ist die Normung der IEC (International Electrotechnical Commission) üblich, in Deutschland hat das Institut für Bautechnik (DIBT) zusätzlich Windzonen eingeteilt. Windkraftanlagen in höheren Klassen sind weniger Wind ausgesetzt und können mit Rotoren mit größerem Durchmesser und mit einem höheren Turm betrieben werden.
aktuelle Anwendungsbeispiele
Windkraftanlagen sieht man inzwischen, sobald man den Blick hebt. Deshalb seien hier nur ein paar spezielle genannt:
Zum Beispiel die nördlichsten Windkraftanlage der Welt. Sie befindet sich in Havøygavlen bei Hammerfest in Norwegen und erzeugt mit 16 Windrädern jeweils 2,5 MW.
Die südlichste Anlage erzeugt mit zwei Windrädern je 300 kW und steht in der Antarktis bei der Station Mawson Bay der Australian Research Division.
In Laasow, Brandenburg kann man die höchste Windkraftanlage der Welt bewundern. Der 160 m hohe Turm, der durch seine Gitterkonstruktion dem Wind wenig Angriffsfläche bietet, trägt einen Rotor von 90 m Durchmesser. Die Anlage erzeugt 2,5 MW.
Nutzung / Erzeugung Zahlen
Der Begriff Energierücklaufzeit definiert die Zeit, die vergeht, bis ein Windkraftwerk eben soviel Energie erzeugt hat, wie seine komplette Errichtung verschlungen hat. Je nach Standort, Leistung und Rotordurchmesser beträgt diese Zeit zwischen 2 und 6 Monaten. Die Lebenserwartung einer Anlage liegt zwischen 5000 und 8000 Betriebsstunden.
Im Jahre 2006 betrug der gesamte Stromverbrauch in Deutschland 540 TWh, davon wurden nur 5,6 % von den rund 17.000 Windanlagen erzeugt.
Vorteile / Nachteile
Die Vorteile von Windkraft sind zweifellos die Verwendung der unerschöpflichen Energiequelle Wind und dass ein Windkraftwerk keine Schadstoffe in die Luft bläst.
Doch heiligsprechen kann man deswegen diese Art der Stromerzeugung noch lange nicht. Abgesehen von der Gefahr für Vögel und Fledermäuse, über die es zwar widersprüchliche Untersuchungen gibt aber als unbestrittene Tatsache gilt, zeichnen sich Windkraftanlagen durch immensen Landschaftsverbrauch aus. Man muss keine Zahlen nennen – kein Landstrich und kaum eine Dorfwiese mehr ohne Windräder. Klagen von Anwohnern über Schattenwurf und Lichtreflexe (Discoeffekt) der Rotorblätter häufen sich und viele fühlen sich durch die Geräusche des Rotors oder die Hindernisbefeuerung, die wegen der potentiellen Gefahr für tief fliegende Flugzeuge und Hubschrauber an über 100 m hohen Anlagen vorgeschrieben ist, um den Schlaf gebracht.
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