1. Geschichte und Entwicklung der Nutzung von Windenergie:

Der Durchbruch der Windräder ist eigentlich eine Wiederkehr, denn im Lauf seiner Geschichte zählte das Windrad in verschiedenen Erdteilen zu verschiedenen Zeiten zu den wichtigsten Energiequellen.

Zuerst vor ungefähr 4000 Jahren in Mesopotamien ( = Landschaft zwischen Euphrat und Tigris, im Zentralirak), 1000 Jahre später im östlichen Mittelmeerraum und danach auch noch in China. In Europa begann die Windmühlenzeit im 7. Jahrhundert. Sie erreichte mit wenigstens 60.000 Stück ihren Höhepunkt im 17. Jahrhundert, man zählte 1875 allein in Norddeutschland noch 30.000 und in Holland 9.000 Mühlen.

In den USA wurden bis in die Zeit des ersten Weltkrieges über 6 Mio. amerikanische Windräder ( mit vielen Flügeln für Pumpen und Stromgeneratoren) gebaut. Windräder waren in vielen Teilen Europas, Amerikas und Asiens bis ins 19. Jahrhundert hinein einer der wichtigsten Energiequellen.

Der Wind ist erst nach dem Ölschock in den 70er Jahren wieder interessant geworden. Unmittelbar 1973 sahen viele Industrieländer in der Windenergie eine Chance, etwas aus der Abhängigkeit herauszukommen. Die Regierungen kurbelten an der Entwicklung von Windkraftanlagen zur Stromerzeugung.

Fast 500 neue Windkraftwerke mit einer Gesamtleistung von knapp 530 MW sind im ersten Halbjahr 2000 in Deutschland ans Netz gegangen. Damit produzierten am 30. Juni insgesamt 8370 Anlagen Strom aus Windkraft. Die Gesamtleistung der in 2000 neu gebauten Windkraftanlagen hat damit die Leistung eines großen Atomkraftwerks weit überschritten.

1942 gilt als Startjahr der modernen Windenergienutzung. Ulrich Hütter beendet als Dozent an der Ingenieurschule Weimar seine Dissertation mit dem Titel: Beitrag zur Schaffung von Gestaltungsgrundlagen für die Windkraftwerke". Darin legt er den theoretischen Grundstein für alle modernen "Freifahrenden Turbinen" mit 2 oder 3 Rotorblättern. Seine sogenannte Blattelement - Impulstheorie, ist immer noch gültig.

In den USA werden Anlagen ab 50 kW in zunehmendem Maße installiert. Dort sind Windparks vor allem am Rande von Wüstengebieten angesiedelt worden.

2. Was ist Windenergie?

Im Grunde gehört der Wind zur Sonnenenergie, denn die Sonne erwärmt die Luftschichten der Erde . Durch lokale Erwärmungsunterschiede bilden sich dabei Zonen unterschiedlichem Luftdrucks, sogenannte Hoch – und Tiefdruckgebiete. Der Wind entsteht, wenn die Luft vom Hoch – zum Tiefdruckgebiet strömt.

Mit Hilfe von Windkraftanlagen kann die in den strömenden Luftmassen vorhandene kinetische Energie, in elektrische Energie umgewandelt werden.

Es gibt 2 wichtige Faktoren die den Wind beeinflussen:

Zum einen ist es die Erddrehung, wie die Entstehung der Passatwinde sehr schön zeigt, zum anderen ist es die Struktur der Erdoberfläche, wobei Bäume, Bauwerke, Hügel oder gar Berge einen Einfluss auf die Luftströmung nehmen. An jedem Standort unserer Erde überlagern sich alle Faktoren.

Am besten wehen Winde in einer Höhe von 100 m. Weil der Wind unmittelbar über dem Boden von allerlei Hindernissen gebremst wird, baut man die Windturbinen vorteilhaft auf Masten oder Türme.

Im Lauf der Zeit haben sich verschiedene Techniken in der Herstellung von Windrädern entwickeln können. Zu den offensichtlichsten Klassifizierungsmerkmalen zählt die Bauform, wie z. B. die Rotoren mit vertikaler Drehachse.

Grafik:

Am ergiebigsten sind die Windgeschwindigkeiten auf offener See oder an der Küste. Landeinwärts nehmen die Windgeschwindigkeiten generell ab.

3. Techniken:

Es wurden verschiedene Techniken in der Herstellung von Windrädern entwickelt. Es gibt:

a) die vertikal laufenden Windräder und

b) die horizontal laufenden Windräder!

Rotoren mit vertikaler Drehachse stellen die älteste Bauform dar. Wie z. B. der Savonius Rotor und der Darrieus Rotor.

Der Savonius Rotor ist der bekannteste Rotor mit vertikaler Drehachse. Beim Darrieus Rotor kreisen die Rotorblätter auf der Mantellinie einer geometrischen Rotationsfigur mit vertikaler Drehachse.

Die Rotoren mit vertikaler Drehachse unabhängig von der Windrichtung, sie arbeiten auch, wenn der Wind von hinten kommt. Dadurch wird zwar der Bau vereinfacht, weil man die Anlagen nicht der Windrichtung nachführen muss, hat aber den Nachteil, dass die Angriffsfläche hier kleiner ist.

Die Windräder mit horizontaler Drehachse dagegen stehen senkrecht zum Wind und sind abhängig von der Windrichtung. Die Drehbewegung wird auf Generatoren oder Arbeitsmaschinen, wie zum Beispiel Pumpen übertragen.

Horizontalachsenkonverter werden fast ausschließlich in der Propellerbauart realisiert. Diese stellen das Hauptkonstruktionsprinzip in der Windenergietechnik dar.

Da das Spektrum der technischen Ausführungen sehr groß ist, existieren noch andere wichtige Klassifizierungsmerkmale wie z. B.

Die Anzahl der Rotorblätter

Schnellläufigkeit (Schnell-/Langsamläufer)

Rotordrehzahl (konstant oder variabel)

Möglichkeit der Leistungsregelung und Sturmsicherheit

Art des Generators (Synchron, Asynchron oder Gleichstromgenerator)

Art der Netzkopplung (direkt oder über einen Gleichstromzwischenkreis)

Asynchrongeneratoren sind robust und wartungsarm. Sie erlauben eine einfache Synchronisation mit dem Netz, belasten aber das Netz mit Blindstrom. Im Vergleich mit Synchrongeneratoren sind sie weich ans Netz zu koppeln, weisen jedoch einen etwas geringeren Wirkungsgrad auf.

Synchrongeneratoren haben einen hohen Wirkungsgrad, benötigen keinen Blindstrom und können direkt oder über einen Wechselrichter ans Netz gekoppelt werden. Diese Generatoren benötigen jedoch aufwendige Zusatzeinrichtungen, um die Netzsynchronisation zu erreichen, da sie bei direkter Netzkopplung alle Leistungsschwankungen der Windkraftanlage ungedämpft übertragen.

Eine weitere, sehr interessante, Technik ist der Darrieus – Rotor. Die Form der Rotorenblätter gleichen einem Zwiebelring. Auch dieser Ring arbeitet unabhängig von der Windrichtung. Er kann den Wind auch schon in geringer Höhe auffangen und muss deshalb nicht auf einem hohen Mast angebracht werden. Diese Art der Windkraftanlage wird heute in Westeuropa nicht mehr genutzt, dient aber immer noch zur Energieerzeugung in Entwicklungsländern.

Beispiel: Darrieus Rotor!

4. Wirkungsgrad:

Aus physikalischen Gründen kann ein frei umströmtes Windrad höchstens 59 % der Windenergie aufnehmen. Dies ist der theoretisch mögliche Wirkungsgrad. In de Praxis werden Werte von etwa 45% erreicht. Da hinter dem Windrad jedoch weitere mechanische, elektrische und reglungstechnische Verluste auftreten, beträgt der tatsächliche Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Windenergie zu Strom nur etwa 25 % bis 30%.

5. Kritikpunkte an der Windkraft:

Geräusche – viele Menschen, die in der Nachbarschaft von Windenergieanlagen wohnen, fühlen sich durch Geräusche, die die

Rotorenblätter beim Drehen verursachen, gestört

Verbauung der Landschaft – durch die Größe der Windenergieanlagen wird eine relativ große Fläche benötigt. Die Fläche um die Türme kann landwirtschaftlich genutzt werden. Durch die enorme Größe wird die Aussicht versperrt.

Beeinträchtigungen im Windschatten der Anlagen – es kommt vor, dass z. B. das Fernsehbild bei Empfängern, die im Windschatten der Windenergieanlagen stehen flackern. Außerdem weiß man noch nicht inwiefern Veränderungen durch den ständigen Austausch der Luftschichten eintreten können.

6. Heutiger Stand der Entwicklung:

Die erneuerbaren Energiequellen sind theoretisch unerschöpflich. In der Praxis kann man nach heutigem Stand der Technik nur einen geringen Teil der Windkraftanlagen wirtschaftlich nutzen, weil Windenergie meist nur zeitweilig vorhanden ist. Die Nutzung der Energie ist deshalb an teure Techniken gebunden. Es müssen Energiespeicher installiert werden.

Deshalb ist Windenergie nicht geeignet, um ganze Regionen zu sichern.

Darum muss man sagen, dass Kernkraftwerke nicht durch sogenannte Windparks ( bestehend aus mehreren 100 Windkraftanlagen) ersetzt werden kann. Die Windkraftanlagen könnten einen Anteil von 6% - 8% an der heutigen Kraftwerksleistung der BRD erreichen.

Aufwindkraftwerke:

Dies sind Anlagen die mit einer Kombination von Treibhaus, Kamin und Windrad Energie erzeugen. Durch eine Folie, die am Boden befestigt ist, erwärmen Sonnenstrahlen den Boden und damit auch die Luft, die mit hoher Geschwindigkeit einen Kamin in der Mitte des Foliendaches hochsteigt und somit Turbine ( Rotor ) antreibt.

Die erste Aufwindkraftanlage der Welt wurde 1982 in Spanien in Betrieb genommen. Die gesamte Fläche, welche die Folie bedeckt, beträgt 16.000 m² und der Kamin, der sich in der Mitte der Fläche befindet, hat eine Höhe von 200 m und erzeugt maximal 50 kW. Das Aufwindkraftwerk, das in Spanien gebaut wurde kostete 14 Mio. DM, allein 7 Mio. entfielen auf die Entwicklung und den Bau. Um den Stromverbrauch der BRD zu decken, müsste, bei spanischen Sonnenverhältnissen, eine Flächenausdehnung von 24.000 km² erforderlich sein.

7. Zukunftsvisionen:

Ein australischer Ingenieur will fliegende Windkraftwerke bauen. 4500 m über der Erde sollen sie den Strom der Zukunft liefern.

Funktion:

Zwei mächtige 35 - Meter - Rotoren von alten russischen Mi – 12 Hubschraubern werden vom Jetstream angetrieben. Außerdem benötigt man als Befestigung etwa 14 km daumendicke Stahlkabel.

Zunächst befördern die zwei Rotoren die Maschine wie einen Helikopter in die Höhe. Sind windige Gefilde erreicht, schalten die Rotoren auf Stromgewinnung um und halten das Flugobjekt gleichzeitig weiter in der Luft.

Angetrieben vom subtropischen Jetstream – einem starken Luftstrom, der etwa 30 Grad südlicher und nördlicher Breite in großer Höhe über die Erde braust – sollen rotieren und so den Strom der Zukunft liefern.

Gleich im Zehnerpack sollen die aeronautischen Kraftwerke künftig am unteren Rand des Jetstreams auf dem Wind reiten und jeweils 10 bis 20 Megawatt Leistung bereitstellen – Windfarmen also die insgesamt die Gesamtleistung konventioneller Kraftwerke erreichen. Auf Schiffen, Plattformen im Meer oder in dünn besiedelten Landstrichen will der Ingenieur seine fliegenden Generatoren verankern.

Vorteil: Anders als erdgebundene Windkraftanlagen würden die fliegenden Rotoren weder die Ruhe von Anwohnern stören noch den meisten Vögeln ins Gehege kommen

Nachteil: Eine hohe elektrische Spannung ist notwendig um die Strecke zwischen Kraftwerk und Erde verlustarm zu überbrücken. Weit gravierender noch: Auf Grund der Stromleitungen können die Windräder nur in Flugverbotszonen oder fernab der Flugverkehrswege gestartet werden. Einer der Windparks würde eine kreisrunde Sicherheitszone von 28 km Durchmesser erforderlich machen.

Ritt auf dem Jetstream:

copyright by: matthias rubner

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