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Acronym: WEA
Definition: eine Anlage zur Gewinnung von nutzbarer Energie aus Wind
Die heute absolut dominierende Form der Nutzung von Windenergie ist diejenige mit Windenergieanlagen (WEA) (oder Windkraftwerken) zur Erzeugung elektrischer Energie. Diese Energieform ist nämlich am vielfältigsten einsetzbar und gut transportierbar, auch wenn sie den Nachteil hat, dass ihre Speicherung schwierig ist.
Der Artikel über Windenergie diskutiert die generellen Aspekte der Windenergienutzung, während hier spezifische Aspekte von Windenergieanlagen behandelt werden. Zusätzlich gibt es den Artikel über Windparks, die mehrere Windenergieanlagen enthalten.
Abbildung 1: Windenergieanlagen im Repowering-Projekt Braderup in Schleswig-Holstein. Siemens-Pressebild.
Bauformen
Windenergieanlagen (Windkraftanlagen, Windkraftkonverter, Windkraftanlagen) gibt es in verschiedenen Bauformen:
- Weitgehend hat sich die Bauform des Windrads mit Dreiblatt-Rotor (siehe Abbildung 1) durchgesetzt. Früher wurden auch Konstruktionen mit mehr Rotorblättern (oder auch nur zwei Blättern) verwendet, aber die dreiflügelige Form hat sich am meisten bewährt; sie braucht nur wenige Blätter und ist gleichzeitig mechanisch relativ stabil. Die Rotorblätter moderner Windturbinen haben sorgfältig aerodynamisch optimierte Flügelprofile, die nicht nur die Energieausbeute (den Wirkungsgrad) maximieren, sondern gleichzeitig auch die Geräuschentwicklung minimieren. Große Dreiblatt-Rotoren erreichen heute Spitzenleistungen von mehreren Megawatt und Wirkungsgrade von etwa 50 %. Alte Bauformen von Windrädern dagegen hatten nur einfache flach gebaute Flügel oder gewölbte Segel, mit denen keine sehr hohen Wirkungsgrade erreicht werden konnten.
- Savonius-Rotoren (nach Sigurd Savonius) enthalten eine oder mehrere tonnenförmige Komponenten auf einer vertikalen Drehachse. Sie sind konstruktiv relativ einfach, aber im Wirkungsgrad und in der Größe (somit auch in der Maximalleistung) eng begrenzt.
- Der Darrieus-Rotor (nach Georges Darrieus) hat ebenfalls eine vertikale Drehachse, an der jedoch zwei bogenförmige Rotorblätter oben und unten befestigt sind. (Die Variante des H-Darrieus-Rotors hat gerade Blätter an einem quer liegenden Tragarm.) Mit diesem Konstruktionsprinzip lassen sich auch sehr hohe Leistungen erzielen (mehrere Megawatt), weil die Rotorblätter sehr ausladend sein können, ohne die mechanische Stabilität zu gefährden. Der Wirkungsgrad ist mit typischerweise ca. 40 % deutlich geringer als für Windturbinen mit horizontaler Achse, jedoch höher als für andere Bauformen mit vertikaler Achse.
- Erst in einem sehr frühen Stadium sind Überlegungen, Anlagen in sehr großen Höhen arbeiten zu lassen, die wie Drachen an langen Seilen aufgehängt werden.
Die Bauformen mit vertikaler Drehachse haben den Vorteil, dass sie von der Windrichtung unabhängig arbeiten können. Dagegen müssen Anlagen mit horizontaler Anlage auf die Windrichtung ausgerichtet werden. Dieser Aufwand lohnt sich aber aufgrund des höheren Wirkungsgrads.
Aufgrund der begrenzten Drehzahl der Rotoren wurde bei älteren Anlagen praktisch immer ein mechanisches Getriebe benötigt, um den Generator für die Stromerzeugung mit genügend hoher Drehzahl antreiben zu können. Der Nachteil dieses Ansatzes ist aber, dass Getriebe das Gewicht der Gondel stark erhöhen (was den konstruktiven Aufwand für den Turm vergrößert) und Verschleiß zeigen. Deswegen werden inzwischen auch getriebelose Anlagen eingesetzt, bei denen ein speziell optimierter Generator direkt vom Rotor angetrieben wird. Dies wurde ermöglicht durch die Entwicklung von Hochleistungsgeneratoren mit starken Neodym-Permanentmagneten. Der Artikel über Generatoren erläutert die Vor- und Nachteile.
Leistung, Wirkungsgrad und Energieausbeute
Die von einer Windenergieanlage erzeugte elektrische Leistung hängt sehr stark von der Windgeschwindigkeit ab. Im Wesentlichen ist sie proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit, d. h. sie wird bei Verdopplung der Windgeschwindigkeit achtmal größer. Dies liegt daran, dass dann pro Sekunde die doppelte Luftmenge die Anlage anströmt, wobei jeder Kubikmeter die vierfache Bewegungsenergie enthält. Bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten in Stürmen müssen die Anlagen jedoch zur Vermeidung von Beschädigungen abgeschaltet oder zumindest so betrieben werden, dass ihre Effizienz abnimmt. Ebenfalls entfällt die Produktion unterhalb einer gewissen Mindest-Windgeschwindigkeit von z. B. 2 m/s.
Die maximale Leistung großer Windenergieanlagen liegt heute bei mehreren Megawatt. Solche Anlagen weisen Rotordurchmesser von z. T. über 100 m auf. Die Nabenhöhen sind ebenfalls mehr als 100 m, um die in dieser Höhe größeren Windgeschwindigkeiten zu nutzen. Auf der anderen Seite des Leistungsspektrums gibt es auch kleine Windräder, die z. B. in einem abgelegenen Ferienhaus die Batterien aufladen können, mit einer Maximalleistung von 1 kW oder weniger.
Der Wirkungsgrad einer Windenergieanlage, auch als Leistungsbeiwert bezeichnet, ist das Verhältnis von gewonnener elektrischer (oder manchmal mechanischer) Leistung zur Leistung des anströmenden Winds. Die letztere wird als ein rein theoretischer Wert berechnet: als die Leistung, die man erhielte, wenn man die Luft bis zum völligen Stillstand abbremsen könnte. Genau dies ist allerdings praktisch nicht möglich, da die Luft hinter der Anlage ja abgeführt werden muss und hierfür einen Teil ihrer Bewegungsenergie behalten muss.
Eine Berechnung auf der Basis eines relativ allgemein gehaltenen physikalischen Modells führt zum sogenannten Betzschen Leistungsbeiwert als theoretische Obergrenze für den erzielbaren Wirkungsgrad. Dieser Wert liegt bei 59,3 %. Die besten Windenergieanlagen (mit dreiflügeligen Rotoren) erzielen bereits Werte von ca. 50 % (jedenfalls in einem gewissen Bereich von Windgeschwindigkeiten), so dass das physikalische Mögliche schon weitgehend ausgeschöpft ist. Die weitere Optimierung zielt teilweise darauf, gute Leistungsbeiwerte in einem größeren Bereich von Windgeschwindigkeiten zu erzielen.
Die jährliche Energieausbeute einer Windenergieanlage wird häufig über die Zahl der Volllaststunden angegeben. Sie entspricht der Energie, die die Anlage liefern würde, wenn sie für diese Zahl von Volllaststunden mit voller Leistung (und sonst gar nicht) arbeiten würde. An guten Standorten werden über 2000 Volllaststunden pro Jahr erzielt. (Zum Vergleich: Ein Jahr hat 365 · 24 = 8760 Stunden.) Dies bedeutet, dass die im Mittel erzeugte Leistung deutlich über 20 % der Maximalleistung liegt.
Beim Vergleich der Energieausbeute mit anderen Arten von Kraftwerken muss selbstverständlich berücksichtigt werden, dass die Zahl der Volllaststunden dort häufig wesentlich höher ist (bei Grundlastkraftwerken häufig über 8000 Stunden jährlich); der Vergleich lediglich der Spitzenleistungen kann hier irreführend sein.
Onshore- und Offshoreanlagen
Der Großteil der Windenergieanlagen wird an Land gebaut – vorzugsweise an windreichen Standorten, die entweder auf dem flachen Land liegen können oder günstig platziert an Hügeln oder Bergen, die die Windströmung unter Umständen noch konzentrieren können. Die jährliche Energieausbeute hängt sehr stark von der Qualität des Standorts ab. Jedoch gibt es noch diverse andere Standortkriterien: die Zugänglichkeit insbesondere in der Bauphase, die Nähe zu bestehenden Stromleitungen, Aspekte des Landschaftsschutzes, genügende Entfernung von Wäldern und stark frequentierten Fluglinien von Vögeln sowie mögliche Probleme mit der Lärmbelästigung von nahe gelegenen Wohnorten.
Günstige Standorte werden häufig in küstennahen Gebieten gefunden, insbesondere in Regionen mit vorwiegend landwirtschaftlicher Nutzung. Dort werden häufig ganze Windparks (Gruppen vieler Windenergieanlagen) errichtet.
In dem Maße, in dem günstige Onshore-Standorte knapp werden, werden Offshore-Standorte (d. h. Standorte im Meer) interessanter. Hierfür werden bisher praktisch ausschließlich küstennahe Meeresregionen mit relativ geringer Wassertiefe verwendet, da der Bau von Fundamenten mit zunehmender Wassertiefe schnell sehr aufwändig und teuer wird. Es werden jedoch bereits alternative Techniken der Befestigung von schwimmenden Windenergieplattformen mit am Meeresgrund verankerten Stahlseilen erprobt, bei denen auch wesentlich größere Wassertiefen kein Hindernis mehr sind. Hilfreich sind in diesem Gebiet die umfangreichen Erfahrungen, die mit Ölbohrplattformen gewonnen wurden.
Hauptvorteile der Offshore-Windenergie sind die meist hohe mittlere Windgeschwindigkeit (häufig auch mit geringeren Schwankungen als an Land) sowie die Erschließung großer Flächen ohne Konflikte mit Landschaftsschutz oder anderen Landnutzungen. Die höheren Anlagenkosten und Netzanschlusskosten können durch die hohe erzielte Leistung kompensiert werden. Probleme liegen hauptsächlich im Bereich der Lebensdauer (wo man z. B. 25 Jahre anstrebt) und Wartung. Salzige Seeluft fördert nämlich stark die Korrosion von Bauteilen, und die Wartung von Anlagen auf dem Meer (insbesondere in größeren Entfernungen zum Ufer) ist aufwändig. Auch der Einfluss starker Stürme ist zu berücksichtigen. Deswegen kommt es hier besonders stark auf die Entwicklung sehr robuster Anlagen an.
Der Bau von Offshore-Windparks hat erst begonnen, weil die Entwicklung noch längst nicht abgeschlossen ist. In 2010 wurde 45 Kilometer vor der Küste der Insel Borkum der Offshore-Windpark alpha ventus als Referenzprojekt für erste großtechnische Tests offiziell in Betrieb genommen. Dort stehen insgesamt zwölf Windkraftanlagen von zwei verschiedenen Herstellern mit einer Maximalleistung von je 5 MW. Spätere Offshore-Windparks werden noch wesentlich größer ausfallen.
Repowering
In den letzten Jahren wurde der Technologie der Windenergienutzung entscheidend verbessert. Deswegen werden ältere Anlagen mit kleiner Leistung zunehmend durch neue Anlagen ersetzt – auch schon vor Erreichen der technischen Lebensdauer – um gute Standorte besser nutzen zu können. Dieser Ansatz wird als Repowering bezeichnet. Teilweise kann die erzielte Gesamtleistung erheblich erhöht werden, selbst wenn die Anzahl der Windenergieanlagen reduziert wird.
Literatur
| [1] | Wikipedia-Artikel über Windkraftanlagen, Darrieus-Rotoren, Savonius-Rotoren und das Betzsche Gesetz |
Siehe auch: Windenergie, Windpark, erneuerbare Energie, Volllaststunden
Kategorien: elektrische Energie, Kraftmaschinen und Kraftwerke, erneuerbare Energie