ZUSAMMENFASSUNG

Durch den ständig steigenden Bedarf an elektrischer Energie, wird der Einsatz nachhaltiger Energiequellen wie der Windkraft immer wichtiger. Mit ihrer Hilfe kann elektrische Energie in großen Mengen, nahezu schadstofffrei erzeugt werden. Kleinwindkraftanlagen bieten in Kombination mit anderen alternativen Energiequellen eine gute Möglichkeit autarke Inselanlagen mit der benötigten Energie zu versorgen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Windkraftanlagen im allgemeinen und im speziellen mit Kleinwindkraftanlagen, deren Anwendungen, Funktionsweisen und dem aktuellen Stand der Technik dieser Anlagen. Außerdem werden kurz die Fördermöglichkeiten, sowie die ökonomischen und ökologischen Aspekte der Windkraft behandelt. Die benötigten Informationen wurden im Zuge einer dreimonatigen Literaturrecherche ermittelt und die Fakten als Ergebnis in dieser Arbeit zusammengefasst. Diese dienen in weiterer Folge dem INNOLAB am CAMPUS02 als Informationsgrundlage zum Thema.

ABSTRACT

It will in future become increasingly important to integrate new sources of renewable energy, such as wind power, in order to meet the growing demand for electric energy supplies. The use of wind power allows for the generation of electricity in great quantities and in an environmentally friendly way. This study looks at windmills in general and then especially at small windmills, their applications, their functionality and the state of the art of these systems. Furthermore, the options for governmental aid, as well as ecological and economic aspects are shown. Based on literature research, information was collected over a three-month period in March - May. The result of this thesis is a summary of facts about small windmills. The information was passed on to the Innolab02 of Campus02 as a reference work for internal use.

II

INHALTSVERZEICHNIS

1  Einleitung.  1

2  Erneuerbare Energie am Beispiel der Windenergie  2

2.1  Was versteht man unter erneuerbarer Energie  2

2.2  Windkraftanlagen  2

2.2.1  Allgemeine Windkrafttechnik und Begriffe  3

2.3  Physikalische Grundlagen der Windkraft  5

2.3.1  Entstehung des Windes.  5

2.3.2  Windgeschwindigkeit  5

2.3.3  Messung von Windgeschwindigkeiten.  5

2.3.4  Funktionsweise einer Windkraftanlage  7

2.3.5  Leistungsausbeute einer Windkraftanlage.  8

3  Kleinwindkraftanlagen  11

3.1  Einsatzbereiche von Kleinwindkraftanlagen.  12

3.1.1  Pumpen  12

3.1.2  Batterieladeeinrichtungen.  13

3.1.3  Netzeinspeisung  14

3.2  Konstruktive Bauformen.  15

3.2.1  Vertikalläufer  16

3.2.2  Horizontalläufer  18

3.2.3  Sonderformen.  20

3.3  Scheibengenerator.  21

3.4  Errichtung von Kleinwindrädern  22

3.4.1  Standortfaktoren  23

3.4.2  Kostenfaktoren  24

3.5  Förderungen  25

4  Ökologische und ökonomische Aspekte der Windkraft  25

4.1  Ökologische Aspekte  25

4.2  Ökonomische Aspekte  26

5  Schlussfolgerung.  27

6  Literaturverzeichnis  28

III

ABBILDUNGSVERZEICHNIS   

Abb.  1: Schalenkreuzanemometer (links) Abb. 2: Ultraschallanemometer (rechts)  

Abb.  3: Anströmgeschwindigkeiten und Luftkräfte an einem auftriebsnutzenden  

Rotor   

Abb.  4: Windenergieausnutzung verschiedener Rotorentypen  

Abb.  5: Windleistung pro m Flügelfläche.  

Abb.  6: „Westernwindrad“ mit Pumpfunktion  

Abb.  7: Hybridanlage mit Laderegler Abb. 8: Windrad Flip  

Abb.  9: Netzeinspeisung in ein Hausnetz.  

Abb.  10: Klassifizierung von Windkraftanlagen  

Abb.  11: Rotoren mit vertikaler Drehachse.  

Abb.  12: Rotoren mit horizontaler Drehachse.  

Abb.  13: Sonderformen von Windkraftanlagen  

Abb.  14: Aufbau eines Scheibengenerators  

Abb.  15: Luftverwirbelungen am Aufstellungsort (oben guter Standort unten  

schlechter  Standort)  

Abb.  16: Gitterrohrmast (links) Abb. 17: Rohrmast (rechts)  

Abb.  18: Klappkonstruktion für Rohrmast Abb. 19 Rohrmast  

mir  Klappkonstrucktion  

IV

1 Einleitung

Der Begriff der globalen Erwärmung beschreibt die gegenwärtige anthropogene Klimarveränderung. In ihrem Zusammenhang werden nicht nur der durchschnittliche Temperaturanstieg auf der Erde, sondern die damit verbundenen ökonomischen, ökologischen und gesundheitlichen Auswirkungen betrachtet.

Einer der Hauptverursacher der globalen Erwärmung ist das Treibhausgas Kohlendioxid (CO 2 ). Nach Schätzungen von Wissenschaftlern werden der CO 2 -Ausstoß sowie die weltweite Nachfrage nach Energie bis zum Jahre 2030 um rund 60 % ansteigen. Seit 1994 hat sich der weltweite Erdölbedarf um 20 % erhöht und ein Ende ist noch nicht in Sicht. Nach den Prognosen aus dem Jahr 2006 wird die Nachfrage nach Erdöl jährlich noch um weitere 1,6 % zunehmen. 1

Eines kann jetzt schon mit Sicherheit gesagt werden „Unser Klima wird wärmer!“ ² Laut Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) hat sich die Welt aufgrund der Treibhausgasemissionen bereits um 0,6 °C erwärmt. Sollten wir nicht bald etwas unternehmen, ist mit einer Temperaturerhöhung von 1,4 - 5,8 °C (Grad Celsius) bis zum Ende dieses Jahrhunderts zu rechnen. Ein solcher Temperaturanstieg wird gravierende Auswirkungen auf das Ökosystem unseres Planeten mit sich bringen. 3

Auf Grund der oben genanten Fakten, wird diese Arbeit dem Thema erneuerbare Energie aus Windkraft gewidmet, da es mit Windkraftanlagen möglich ist, nahezu schadstofffrei Energie zu erzeugen.

Ziel der Arbeit ist es, dem Leser die allgemeinen Grundlagen zum Thema Windenergie näher zu bringen. Im speziellen sollen die Anwendungsgebiete der

¹ Vgl. Kommission der Europäischen Gemeinschaft; Grünbuch, Eine europäische Strategie für nachhaltige, wettbewerbsfähige und sichere Energie, Kommission der Europäischen Gemeinschaft, 2006, Seite 3

² Zit.nach Kommission der Europäischen Gemeinschaft; Grünbuch, Eine europäische Strategie für nachhaltige, wettbewerbsfähige und sichere Energie, Kommission der Europäischen Gemeinschaft, 2006, Seite 3

³ Vgl. Kommission der Europäischen Gemeinschaft; Grünbuch, Eine europäische Strategie für nachhaltige, wettbewerbsfähige und sichere Energie, Kommission der Europäischen Gemeinschaft, 2006, Seite 3

1

weniger bekannten Kleinwindkraftanlagen aufgezeigt werden. Für das weiterführende Verständnis der Kleinanlagen wird genauer auf die einzelnen Komponenten eingegangen.

2 Erneuerbare Energie am Beispiel der Windenergie

Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die allgemeinen und windenergiespezifischer Grundlagen. Kapitel zwei beschäftigt sich mit den Anwendungen und den technischen Grundlagen von Kleinwindkraftanlagen.

2.1 Was versteht man unter erneuerbarer Energie

Von erneuerbarer, regenerativer oder auch alternativer Energie spricht man, wenn Energie nicht aus fossilen Energieträgern/-quellen (z.B. Kohle, Gas, Öl), sondern aus Quellen, die praktisch in der Natur nach menschlichem Ermessen unendlich zur Verfügung stehen, gewonnen werden. Zu den bekanntesten erneuerbaren Energiequellen zählen Windenergie, Wasserkraft, Biomasse, Sonnenenergie, Gezeitenkraftwerke und Erdwärme(Geothermie). 4

2.2 Windkraftanlagen

„Windkraftanlagen (WKA) nutzen die in den strömenden Luftmassen enthaltene kinetische Energie.“ ⁵ Dem Wind wird die Energie mit Rotoren entzogen und an der Rotorwelle in mechanische Leistung umgewandelt. Ein Generator wandelt diese Leistungsform in elektrische Energie. 6

„Erste Anfänge der Windkraftnutzung gehen auf einfache Windmühlen im arabischen Raum noch vor unserer Zeitrechnung zurück.“ ⁷ Die Nutzung von Windenergie für die Stromerzeugung gewinnt seit den Anfängen um 1900 in Dänemark, immer mehr an Bedeutung. Der eigentliche Boom der modernen Windkraftnutzung erfolgte nach der ersten Energiekrise 1973/74. 8

⁴ Vgl. o.V.; Umeltbundesamt; Energie der Zukunft; Online im Internet:

http://www.umweltbundesamt.at/umweltschutz/energie/energietraeger/erneuerbareenergie/ [Stand 19.05.2007]

⁵ Zit. nach Kaltschmitt, Martin; Streicher, Wolfgang; Wiese, Andreas; Erneuerbare Energien, Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte, 4. Auflage, Springer, 2006, Seite 277

⁶ Vgl. Kaltschmitt, Martin; Streicher, Wolfgang; Wiese, Andreas; Erneuerbare Energien, Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte, 4. Auflage, Springer, 2006, Seite 277-278

⁷ Zit.nach o.V.; IG-Windkraft; Geschichte der Windkraft; Online im Internet unter: http://www.igwindkraft.at/index.php?mdoc_id=1000091 [Stand 04.05.2007]

⁸ Vgl. o.V.; IG-Windkraft; Geschichte der Windkraft; Online im Internet unter: http://www.igwindkraft.at/index.php?mdoc_id=1000091 [Stand 04.05.2007]

2

Mit den ersten Windkraftanlagen zur Stromerzeugung wurden rund 22 kW (Kilowatt) Leistung bei einem Rotorendurchmesser von 15 m (Meter) erzielt. Heutige moderne Anlagen wie die Repower 5M™ liefern bereits 5 MW (Megawatt) bei einem Rotordurchmesser von 63 Meter. Die Turmhöhe dieser Anlage beträgt 120 Meter. Bei der Repower 5M™ handelt es sich um eine Off-shore Anlage. 9

2.2.1 Allgemeine Windkrafttechnik und Begriffe

Prinzipiell ist eine Klassifizierung von Windkraftanlagen nach folgenden Merkmalen möglich: 10

die Stellung der Rotorachse (horizontal oder vertikal) Läufertyp (Luv- oder Leeläufer)

die Anzahl der Rotorblätter (ein-, zwei-, drei- oder mehrblättrig) die Möglichkeit der Leistungsregulierung (stall oder pitch) die Art der Netzkopplung (direkt oder indirekt) die Art des Generators (Synchron-, Asynchron- oder Gleichstromgenerator) Schnellläufigkeit (Langsam- oder Schnellläufer) Rotordrehzahl (konstant oder variabel)

Möglichkeit der Sturmsicherung (aus dem Winddrehen oder Blattverstellung) Vorhandensein eines Getriebes (Anlagen mit Getriebe oder ohne Getriebe) die Art der Aufstellung (On-shore oder Off- shore)

Bestandteile einer netzgekoppelten Windkraftanlage: 11

Die Hauptbestandteile einer netzgekoppelten Windkraftanlage bilden Gondel, Rotorblätter, Rotornarbe, Getriebe (aus bei getriebelosen Anlagen), Generator, Turm und weitere Bauteile abhängig von der Bauform.

Je nach Ort der Aufstellung, kann zwischen den folgenden Anlagenarten und Aufstellungskonzepten unterschieden werden:

⁹ Vgl. Geitmann, Sven; Mit neuer Energie in die Zukunft, Erneuerbare Energien und Alternative Kraftstoffe, 4.Auflage, Hydrogeit Verlag, 2005 ,Seite 130;

o.V.; IG-Windkraft; Windkraft kann allein CO2 Reduktionsziele der gesamten Energiewirtschaft erfüllen; Online im Internet unter: http://www.igwindkraft.at/index.php?mdoc_id=1000091 [Stand 04.05.2007]

¹⁰ Vgl. Kaltschmitt, Martin; Streicher, Wolfgang; Wiese, Andreas; Erneuerbare Energien, Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte, 4. Auflage, Springer, 2006, Seite 291ff; o.V.; Windkraft.de; Die Windkraftanlagentechnik, Online im Internet unter: http://windkraft.de/Info/ [Stand 27.04.2007]

¹¹ Vgl. Kaltschmitt, Martin; Streicher, Wolfgang; Wiese, Andreas; Erneuerbare Energien, Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte, 4. Auflage, Springer, 2006, Seite 292

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