Zusammenfassung

Großwindkraft hat in den vergangenen 20 Jahren eine beeindruckende Entwicklung vollzogen und leistet in vielen Ländern bereits einen wichtigen Beitrag zur Stromversorgung: In Dänemark wurde 2008 rund ein Fünftel des Strombedarfs aus Windkraft gedeckt, in Deutschland lag der Wert bei knapp 8 %. Langsam gedeiht nun auch ein bunter Markt für Kleinwindkraft im Schatten der großen Mühlen. Seit Jänner 2009 gibt es in Deutschland einen eigenen Bundesverband für Kleinwindkraftanlagen und im März 2009 hat Europas erstes Symposium für diesen Teil der Ökostrombranche stattgefunden. Obwohl sich mittlerweile eine Vielzahl von Unternehmen mit dem Thema beschäftigen und dabei auf beachtliches Kundeninteresse stoßen, fehlt es der Branche häufig noch an definierten Mindeststandards, angepassten rechtlichen Rahmenbedingungen und der gesonderten Berücksichtigung im Rahmen der Ökostromförderung. Während die Großwindkraft eine hochprofessionelle Industrie darstellt, stecken viele Kleinwindkraftkonzepte noch in den Kinderschuhen und bringen eine Reihe von Problemen mit sich. Dabei ist noch nicht einmal klar definiert, wo die Grenzen zwischen Mikro-, Klein- und Großwindkraft zu ziehen sind.

Die vorliegende Arbeit versucht praxisnah eine solche Abgrenzung zu finden und das Segment Kleinwindkraft zu definieren. Weiters sind meteorologische und technische Grundlagen, die für den Einsatz von Kleinwindkraftanlagen relevant sein können, Thema dieses Papiers. Ebenso wird ein kurzer Marktüberblick geliefert. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich einem einjährigen Praxistest, mit dem der Betrieb von Kleinwindkraftanlagen auf typischen Standorten in Ober- und Niederösterreich untersucht wurde. Aus den Ergebnissen sollen Stärken, Schwächen und Verbesserungsvorschläge abgeleitet werden. Die Arbeit soll zeigen, was Kleinwindkraft auf „Leichtwind-Standorten“ zu leisten in der Lage ist. Ziel ist es, das Verständnis für diese Technik zu schärfen und Potenziale sowie Grenzen aufzuzeigen. Für Interessenten und potenzielle Kunden soll die vorliegende Arbeit eine Hilfestellung bei der Entscheidungsfindung bieten.

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Abstract

Large-scale wind power experienced an impressive development in the past 20 years. In many countries it already contributes an important extent to the national electricity supply. In Denmark, 2008, approximately one-fifth of the electricity power consumption was provided via wind power plants. In Germany its contribution is about 8 %. In the last view years a colourful market for small wind power occurred in the shadow of the big mills. Since January 2009 Germany has its own association for small wind power plants. The first symposium for small wind turbines ever in Europe was held this year in March.

Meanwhile a lot of companies all over the world are dealing with this technique. Although there is a lot of interest, there are still a lot of problems unsolved. Many countries do not have a proper regulatory framework for small wind power and special support in the national Eco Electricity Act is missing. While large-scale wind power is representing a professional industry, the small wind power sector seems to be still in its infancy. There is often a lack of defined technical minimum standards and there are no clearly defined boundaries between micro-, small- and large-scale wind power plants.

What is small-scale wind energy about? This thesis tries to find a proper definition. Furthermore, meteorological and technical basics that may be relevant for the usage of small wind turbines will be discussed. Similarly, a brief overview of the market is supplied. The second half of the work is devoted to a one-year field study. Therefore the operation of small wind turbines on typical sites in Upper and Lower Austria was investigated. As a result of the field test, strengths, weaknesses and suggestions for improvement of the small-scale wind power plant will be derived.

One goal of this thesis is to outline the potential of modern small-scale wind turbines on weak wind locations, which are typical in central European regions. Furthermore this thesis should help to create a better understanding of wind energy usage in such small scales. In a practical way this thesis should give support to everyone who is playing with the idea to become a small-scale wind farmer.

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Danksagung

Mein Dank gilt im Besonderen Prof. Erich Mursch-Radlgruber, der mir bei der vorliegenden Arbeit mit Rat, Tat und Equipment zur Seite gestanden ist. Genauso darf ich mich bei der Familie Elfriede und Franz Weber für die freundschaftliche und konstruktive Zusammenarbeit sowie bei meinen Eltern, Christiane und Johann Kirchweger und meinen Geschwistern, für die Unterstützung bedanken. Weiters gilt mein Dank allen Interviewpartnern, für die bereitgestellte Zeit und die interessanten Gespräche. Nicht zuletzt sei in diesem Zusammenhang Benno Hackl und das Austrowind-Team erwähnt, ohne die diese Arbeit in der Form natürlich nicht möglich gewesen wäre.

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I  N H A L T S V E R Z E I C H N I  

Zusammenfassung   1

Abstract   2

Danksagung   3

1.  Einleitung  7

2.  Methodik  8

3.  Geschichte der Windkraft  9

3.1  Die Ursprünge der Nutzung der Windenergie  9

3.1.1  Windmühlen  10

3.1.2  Westernräder  10

3.1.3  Strom aus Wind - die ersten Kleinwindkraftanlagen  11

3.2  Moderne Windkraft - Neustart in den 1970ern  12

4.  Aktuelle Zahlen aus der Windkraft  14

4.1  Windkraft International  14

4.2  Windkraft in Österreich  15

5.  Meteorologische und physikalische Grundlagen  17

5.1  Ursprung der Windenergie - globale Zirkulation  17

5.2  Einteilung der Windressourcen und Windschichten  18

5.2.1  Eckmann-Schicht  18

5.2.2  Prandtl-Schicht  18

5.2.3  Bodennahe, turbulente Schicht  19

5.2.4  Spezielle, lokale Winde  19

5.2.5  Diskussion zu Windressourcen und Windschichten  20

5.3  Einflussgrößen auf die Wind-Energie  21

5.3.1  Luftdichte  21

5.3.2  Windgeschwindigkeit  21

5.3.3  Rotorfläche  22

5.4  Wichtige Begriffe bei der Windenergie-Nutzung  23

5.4.1  Rauhigkeitslängen und Rauhigkeitsklassen  23

5.4.2  Windscherung  24

5.4.3  Das Betz’sche Gesetz  25

5.4.4  Standort-Effekte  25

5.4.5  Weibull-Verteilung  26

5.4.6  Windrose und Rauhigkeitsrose  29

5.4.7  Die Leistungskurve einer Windkraftanlage  29

5.4.8  Schnelllaufzahl  29

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5.4.9  Der Leistungsbeiwert bzw. Wirkungsgrad  30

5.4.10  Der Auslastungsfaktor  34

5.6  Stetigkeit des Windes  34

5.6.1  Tagesgang  35

5.6.2  Jahreszeitliche Unterschiede  35

5.6.3  Langfristige Schwankungen des Windpotenzials  36

6.  Technische Grundlagen von Windkraftanlagen  37

6.1  Einteilung nach verschiedenen Bauformen  37

6.1.1  Widerstandsläufer und Auftriebsläufer  37

6.1.2  Langsamläufer und Schnellläufer  38

6.1.3  Vertikal- und Horizontalläufer  38

6.1.4  Luv- oder Lee-Läufer  40

6.2  Eigenschaften verschiedener Rotorbauformen  41

6.3  Baumaterialen für Rotorblätter  42

6.4  Windnachführung des Rotors  43

6.4.1  Windfahnen  43

6.4.2  Leeseitige Ausrichtung  43

6.4.3  Seitenräder  43

6.4.4  Aktive Azimut-Regelung  43

6.5  Leistungsregelung von Windkraftanlagen  43

6.5.1  Blattwinkelregelung (Pitch-Regelung)  44

6.5.2  Stall-Regelung (Strömungsabriss)  44

6.5.3  Aktive Stall-Regelung  44

6.5.4  Azimut-Regelung (Rotor aus dem Wind drehen)  44

6.6  Weitere wichtige Komponenten einer Windkraftanlage  45

6.6.1  Generator  45

6.6.2  Getriebe  45

6.6.3  Turm und Fundament  45

6.6.4  Steuereinheit und Frequenzumrichter  45

6.7  Betriebssicherheit von Windkraftsystemen  45

7.  Kleinwindkraft  46

7.1  Abgrenzung von Mikro-, Klein- und Großwindkraft  46

7.1.1  Mikrowindkraftanlagen (MWA)  46

7.1.2  Kleinwindkraftanlagen (KWA)  48

7.1.3  Großwindkraftanlagen (GWA)  48

7.2  Definition von MWA, KWA und GWA  51

7.2.1  Mikrowindkraftanlagen  51

7.2.2  Kleinwindkraftanlagen  51

7.2.3  Großwindkraftanlagen  51

7.3  Kosten und Wirtschaftlichkeit von KWA  52

7.4  Potenzial von KWA  52

7.5  Rechtlicher Rahmen bei der Errichtung von KWA  53

7.6  Diskussion zu Kleinwindkraftanlagen  55

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7.6.1  Spezial-Segment „Urban Wind Turbines“  55

7.6.2  Kleinwindkraft im historischen Kontext  55

7.6.3  Kleinwindkraft und Photovoltaik  55

8.  Spielen mit dem Wind: Eine Marktanalyse  56

9.  Kleinwindkraftanlagen von Austrowind  58

9.1  Firmenchronologie  59

9.2  Technische Beschreibung der Austrowind-Produkte  60

9.2.1  Generator  60

9.2.2  Rotor  60

9.2.3  Wechselrichter und Steuereinheit  61

9.2.3  Kippmasten  61

9.2.4  Fundament  62

9.2.5  Betriebsdaten  62

9.3  Anlagekosten und Wirtschaftlichkeit  63

10.  Austrowind im einjährigen Praxistest  67

10.1  Standortbeurteilung bei Kleinwindkraftanlagen  69

10.1.1  Professionelle Wind-Potenzialanalyse  69

10.1.2  Wind-Potenzialanalyse in der Kleinwind-Praxis  70

10.2  Standortbeurteilung des Standortes in Altenberg  74

10.3  Ertragsprognose für den Standort Altenberg  79

10.3.1  Ermittlung der Weibull-Verteilung  79

10.3.2  Ermittlung des theoretischen Jahresertrages  80

10.2.3  Kontrolle der Ertragsprognose  81

10.3.4  Alternative Ertragsprognose mit der Aventa AV-7  83

10.4  Tatsächlich erbrachte Erträge im ersten Jahr  84

10.5  Erkenntnisse aus dem einjährigen Praxistest  86

10.5.1  Zur Windmessung  86

10.5.2  Zum Standort in Altenberg  86

10.5.3  Zur Technik der Anlage  87

10.5.4  Zur Dimensionierung  87

10.5.5  Zur Wirtschaftlichkeit  88

11.  Schlussfolgerungen für den Standort St. Valentin  91

12.  Resümee zur Kleinwindkraft im Allgemeinen  95

Anhang 97   

Literaturverzeichnis   97

Abbildungsverzeichnis   100

Tabellenverzeichnis 102   

Interviews   103

Interessante  Internetseiten zum Thema Kleinwindkraft  115

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1. Einleitung

Kleine Windkraftanlagen aus China importieren, in Österreich zusammenbauen und vertreiben, so die Geschäftsidee jenes Herrn, der im Februar 2008 meinen Eltern eine neuartige Kleinwindkraftanlage verkaufen wollte. Das Windrad mit dem 5-flügeligen H-Rotor und einem 10-kW-Generator sei geradezu prädestiniert für den Einsatz auf dem hohen Silo eines landwirtschaftlichen Betriebes. Mehrere hundert solcher Anlagen würden noch bis Ende 2008 österreichweit installiert werden, so die Einschätzung des Geschäftsmannes, der bis zu diesem Zeitpunkt seinen Unterhalt mit dem Vertrieb von Strahlenschutz-Equipment und kleinen Geräten zur Wasserbelebung verdiente.

Das Konzept klang durchaus interessant. Schließlich sind H-Rotoren in den 1980ern und 90ern in größerem Umfang erprobt und eingesetzt worden. Sollten sie nun als Klein- und Kleinstanlagen ein Comeback feiern? Ich bot dem Herrn mit dem honorigen Auftreten an, die Markteinführung seiner Kleinwindkraftanlagen im Rahmen einer Diplomarbeit zu begleiten. Bedauerlicher Weise war wenige Wochen später die Person samt Mercedes und Firma von der Bildfläche verschwunden. Was blieb waren eine Reihe unbearbeiteter Bestellungen, verärgerte Kunden und das geweckte Interesse am Thema beim Autor dieser Arbeit. Im Sommer 2008 präsentierten eine Vielzahl von Unternehmen ihre Lösungen für den Betrieb von Kleinwindkraftanlagen. Auf fast jeder Energie- oder Landwirtschaftsmesse waren neue und kreative Konzepte zur Windkraftnutzung zu finden - darunter so mache „Weltneuheit“. Nicht jede dieser Anlagen war in der Lage, in der Praxis das zu leisten, was von den Kaufleuten versprochen wurde. Beschwerden über dubiose Geschäftemacherei mit Kleinwindkraft veranlassten schon im Mai 2008 die IG WINDKRAFT zu folgender Presseaussendung:

„Die Nachfrage nach Kleinwindkraftanlagen nimmt stetig zu. Die IG Windkraft bekommt wöchentlich mehrmals Anfragen in diese Richtung. Leider bekommen die Interessen-Vertreter auch immer wieder die Schattenseite dieser Nachfrage-Situation mit. Unseriöse Anbieter drängen vermehrt auf den Markt, die von tausenden Volllaststunden Betrieb pro Jahr ihrer Windkraftanlage sprechen. Dies ist aufgrund der niedrigen Nabenhöhe, in der Kleinwindkraftanlagen aufgestellt sind, unmöglich. Die Umweltberatung hat von Fällen berichtet, wo Leute besucht wurden, die eine ‚kostenlose Schnell-Windmessung’ vor Ort durchgeführt bekamen. Diese Vertriebsleute gingen einmal ums’ Haus - ausgestattet mit einer Art Ventilator und schwärmten danach vom `unglaublichen Windpotential´“ (IG WINDKRAFT, 2008).

Diese Aussendung der IG WINDKRAFT, die unter anderem auf dem Internetportal www.oekonews.at zu lesen war, hat mich motiviert, meine Diplomarbeit diesem Thema zu widmen. Die Einsatztauglichkeit von Kleinwindkraftanlagen auf durchschnittlichen Standorten in Österreich sollte unter Beweis gestellt werden. Am 22. Mai 2008 feierte die Firma AUSTROWIND die offizielle Vorstellung ihrer Kleinwindkraftanlagen in St. Ulrich (Bezirk Rohrbach, OÖ) - Anlagen im Leistungsbereich von 3 bis 20 kW. Bei der Präsentation konnte das junge Unternehmen immerhin schon drei Referenzanlagen vorweisen. Damit war das Objekt für die geplante Diplomarbeit gefunden.

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Bis zum Jahresende 2008 konnte die Firma AUSTROWIND schon 16 (Test-)Anlagen in Betrieb nehmen. Eine 20-kW-Anlage wurde im August 2008 in Altenberg bei Linz an einem gut exponierten Standort aufgestellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Kleinanlage in Altenberg einer einjährigen Praxisbeobachtung unterzogen. Auf eine Reihe praxisrelevanter Fragen sollten im Rahmen dieser Untersuchung Antworten gefunden werden:

2. Methodik

Die vorliegende Arbeit gliedert sich im Wesentlichen in einen Theorie- und einen Praxisteil. Der Theorieteil befasst sich zunächst mit der Historie der Windenergienutzung und der allgemeinen Marktentwicklung. Weiters werden meteorologische und technische Grundlagen behandelt. In einem nächsten Schritt soll ein Vorschlag zur Abgrenzung zwischen Mikro-, Klein-, und Großwindkraft geliefert werden. Ebenso wird ein Überblick zum aktuellen Markt für Mikro- und Kleinanlagen geboten.

Im Praxisteil soll für die Standorte in Altenberg und St. Valentin eine Ertragsabschätzung, mittels einjähriger Windmessung und Datenauswertung durch Prognosemodelle, vorgenommen werden. Weiters gilt es zu prüfen, ob herkömmliche Funk-Wetterstationen aus dem Elektrofachhandel (wie sie von der Firma AUSTROWIND empfohlen werden) für die Windmessung geeignet sind. Hierzu werden Vergleichsmessungen durchgeführt. Die rechtlichen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen sollen mit Hilfe von Experten-Interviews und betriebswirtschaftlicher Analyse beleuchtet werden. Nach der Dokumentation des ersten Betriebsjahres der Kleinwindkraftanlage in Altenberg sowie der Standort- und Ertragsanalyse sollen schlussendlich Probleme und Verbesserungspotenziale aufgezeigt ¹ gegenübergestellt werden. Daraus wird sich wiederum eine und in einer SWOT-Analyse

Empfehlung für das weitere Vorgehen am Standort in St. Valentin ableiten lassen. ¹ Die SWOT-Analyse (engl. für Strengths [Stärken], Weaknesses [Schwächen], Opportunities [Chancen] und Threats [Gefahren]) wird im Bereich der Betriebswirtschaft als ein Werkzeug zur Entscheidungsfindung eingesetzt.

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3. Geschichte der Windkraft

Die Nutzung der Windenergie ist seit Jahrtausenden von zentraler Bedeutung für den Menschen. Der Wind hat Segelschiffe über die Weltmeere getrieben und war Triebkraft für abertausende Getreidemühlen, Schmiedehämmer, Sägen und Wasserpumpen. Auch bei der Elektrifizierung des ländlichen Raumes, Anfang des 20. Jahrhunderts, leistete die Windkraft ihren Beitrag. Mit dem Aufkommen der Dampfmaschine im 19. Jahrhundert wurde der Niedergang der Windmühlen eingeläutet, mit der Nutzung von Billig-Energie aus Kohle, Öl und Gas besiegelt. Noch vor dem zweiten Weltkrieg war die Windnutzung in ökonomisch unbedeutende Nischen zurückgedrängt. Noch nie in der Geschichte des modernen Menschen war die Windenergie so unbeachtet wie in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts.

Am Beginn des neuen Jahrtausends lassen Klimawandel, Energiekonflikte und das Wissen um die Endlichkeit der fossilen und atomaren Ressourcen viele Menschen umdenken. Mit modernen Kraftwerken hat die Windkraft in vielen Ländern bereits ein starkes Comeback gefeiert. Die Windenergienutzung tritt erneut einen Siegszug rund um den Globus an. Und im Schatten der großen Windkraftwerke gedeiht ein bunter Markt an Kleinwindkraftanlagen (KWA). So, wie vor hunderten von Jahren, können auch heute Kleinanlagen für einzelne Betriebe oder Dorfgemeinschaften Energie bereitstellen. Welche Blüten der Markt treibt und was Kleinwindkraftanlagen in der Praxis heute tatsächlich schon leisten, soll die vorliegende Arbeit beleuchten.

3.1 Die Ursprünge der Nutzung der Windenergie

Schon vor mehr als 5.000 Jahren haben sich Menschen am Nil mit Segelbooten die Windenergie zu Nutze gemacht (vgl. KAY 2006, 53f). In der Antike war die Nutzung des Windes entscheidend, um die Grenzen der damals bekannten Welt zu erweitern. Und bereits vor 3.700 Jahren sollen in Mesopotamien Windräder die Pumpen zur Bewässerung des Landes angetrieben haben. Ob die Anfänge der Windmühlen nun tatsächlich in Mesopotamien, Ägypten, Phönizien oder Griechenland liegen, ist umstritten. Die ersten sicheren Überlieferungen sowie Funde von Windmühlen gehen auf das 7. und 10. Jahrhundert nach Christus in Afghanistan und Persien zurück (vgl. HEIER 2008, 33f).

3.1.1 Windmühlen

Erste Nachweise über Windmühlen in Europa stammen aus dem Jahr 1180. Von der Normandie ausgehend, verbreitete sich die Technik rasch nach Südengland und Flandern. Beim weit verbreiteten Typ der Bockwindmühle konnte bereits das Mühlenhaus der Windrichtung nachgedreht werden. Das war allerdings aufwändig und begrenzte in gewissem Maße die Baugröße. Bockwindmühlen verbreiteten sich über Finnland bis nach Russland. Im 17. Jahrhundert setzte sich die so genannte „Holländerwindmühle“ durch. Sie hatte den Vorteil, dass nur noch die Windmühlenkappe drehbar zur Windnachführung ausgeführt wurde. Die schlanke Bauweise führte zu einer weiteren Steigerung des Wirkungsgrades. Während zuvor die Leistung von Windmühlen durchwegs bei 1,5 bis 2,2 kW gelegen war, sollen die besten Holländer-Mühlen mit 25 m Rotordurchmesser bereits bis zu 30 kW Leistung aus dem Wind geerntet haben (vgl. HEIER 2008, 37ff). Damit lagen die Windmühlen ihrer Dimensionierung nach in einem Leistungsbereich, der heute typisch ist für Kleinwindkraftanlagen zur Stromerzeugung.

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Westernräder auch in Europa in Lizenz produziert. Schließlich verschwand aber auch diese Technologie mit der Elektrifizierung des ländlichen Raumes von der Bildfläche. Heute wird der Bestand von Westernrädern in den USA auf rund 150.000 Stück geschätzt (vgl. HAU 2008, 18ff).

3.1.3 Strom aus Wind - die ersten Kleinwindkraftanlagen

Professor Poul La Cour errichtete 1891 in Askov, Dänemark, die erste Windkraftanlage zur Stromerzeugung. Diese Anlage war von der Bauweise her, mit ihren vier Flügeln, noch den klassischen Windmühlen sehr ähnlich. Im Jahr 1897 baute La Cour einen Windkanal für seine Untersuchungen und 1903 gründete er

bereits den Verband dänischer Windkrafttechniker (DVES). Im Jahr 1918 versorgten bereits 120 Windkraftanlagen ländliche Gebiete in Dänemark mit Strom. Die Anlagen hatten eine Leistung von 10 bis 35 kW und Rotordurchmesser von bis zu 20 m. Der Gesamtwirkungsgrad der Anlagen wurde mit 22 % angegeben, an guten Standorten lieferte eine Anlage bis zu 50.000 kWh pro Jahr. In den USA begannen die Gebrüder Marcellus und Joseph Jacobs im Jahr 1922 mit der Entwicklung kleiner Windkraftanlagen. Sie entwickelten einen Dreiblattrotor mit rund 4 m Durchmesser, der einen langsam laufenden Gleichstromgenerator direkt antrieb. Der so genannte „Jacobs-Windlader“ wurde in verschieden Varianten von 1,8 bis 3 kW Leistung gebaut und zehntausendfach verkauft.

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Nach dem 1. Weltkrieg sanken die Preise für fossile Energieträger und das Interesse an Windkraft ging zurück. Allerdings entwickelte die Firma Smidth in den 40er-Jahren noch Windräder mit der Bezeichnung „Aeromotor“, die eine Leistung von 50 bis 70 kW erreichten. Die 70-kW-Anlage saß auf einem Betonturm und hatte einen dreiflügeligen Rotor mit 24 m Durchmesser. Damit sah das Windrad von Smidth heutigen Windkraftanlagen schon sehr ähnlich.

Anfang der 1940er-Jahre gab es in Dänemark, Deutschland, der USA und der UDSSR noch einen Reihe von Forschungsprojekten in Richtung großer Windkraftanlagen. Die Weiterentwicklung dieser Technologie fiel aber großteils dem zweiten Weltkrieg und den anschließend fallenden Kosten für fossile Energieträger zum Opfer (vgl. HAU 2008, 23ff).

3.2 Moderne Windkraft - Neustart in den 1970ern

Nach der Energiekrise 1973 setzte vor

allem die Regierung in Dänemark wieder auf eine alte Stärke - die Windkraft. Die Forschung wurde erneut forciert und für Investitionen in Windkraftanlagen gab es bis 1990 erhebliche Subventionen. So wurden in dieser Zeit mehr als 2.500 Anlagen errichtet - der Grundstein für die dänische Windkraft-Industrie gelegt (vgl. Hau 2008, 44-52).

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Den Durchbruch schafften die Megawattanlagen erst mit der Serienfertigung an der Schwelle ins dritte Jahrtausend. Die meisten

Leistungsbereich zwischen 2 und 4 MW verkauft. Die ersten Anbieter haben aber bereits Kraftwerke mit 5 bis 6 MW im Programm. Die aktuell größte Anlage stammt vom deutschen Unternehmen Enercon: Die E-126/6. Der Riese hat einen Rotordurchmesser von 127 m. Die Nabenhöhe liegt in 135 m Höhe und die Nennleistung beträgt 6 MW. Seit November 2008 ist die E-126/6 in Betrieb. Sie wurde am Rysumer Nacken (nahe Emden, Ostfriesland) in Deutschland montiert. Dort soll die Windkraftanlage pro Jahr 20 GWh Strom erzeugen - genug für mehr als 5.000 Haushalte. Die Rotorblätter

Besonderheiten auf: Erstens sind die Flügel bis zum Nabenansatz geschlossen und nutzen daher auch die Windenergie im Nabenbereich. Zweitens sind die Flügel mit gebogenen Blattspitzen (den so genannten Winglets) ausgestattet, um die Verwirbelungen zu reduzieren. Und drittens werden die Flügel in zwei Teilen an den Montage-Ort geliefert und erst am Rotor zusammengeschraubt.

Anstelle herkömmlicher Ortbeton- oder Stahltürme, kommt bei der E-126/6 erstmals ein Fertigteil-Betonturm zum Einsatz. Dieser umfasst 35 Segmente aus insgesamt 1.100 m³ Beton. Dazu kommen noch einmal 1.500 m³ Beton sowie 180 t Bewehrungsstahl für das Fundament. Die Außenwand der Gondel besteht aus Aluminium (vgl. ENERCON, 2009).

4. Aktuelle Zahlen aus der Windkraft

In den vergangenen 10 Jahren hat die Windkraft ihre Bedeutung aus früheren Epochen zurückerobern können. Weltweit liegen die Wachstumsraten der Branche seither bei deutlich über 20 % pro Jahr. In Dänemark deckt die Windkraft bereits knapp 20 % des Strombedarfs, in Deutschland liegt der Wert bei 8 %. Rund 27 GW an Windkraftleistung wurden alleine im Jahr 2008 weltweit neu installiert. Alleine diese, im Vorjahr neu errichteten Windkraftanlagen, liefern mehr Strom als fünf durchschnittliche Atomkraftwerke. Im Jahr 2010 soll der Zubau an Windkraftleistung auf 38 GW gesteigert werden (vgl. WWEA 2009,13; 192-206).

4.1 Windkraft International

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Die Staaten mit dem stärksten Windkraft-Ausbau waren im Jahr 2008 die USA, vor China, Indien, Deutschland und Frankreich. In der Wertung der insgesamt installierten Windkraftleistung führt ebenfalls die USA vor Deutschland und Spanien. Österreich - einst unter den Top 10 - ist mittlerweile auf Platz 17 zurückgefallen. Bis vor wenigen Jahren war die kommerzielle Windkraft klar auf Europa fokussiert. In den kommenden Jahren dürften allerdings Nordamerika und Asien die Führungsrolle bei der Windkraftnutzung übernehmen (vgl. WWEA 2009,14-19).

4.2 Windkraft in Österreich

Die erste moderne Windkraftanlage zur Stromerzeugung wurde in Österreich 1994 in Wagram an der Donau (NÖ) errichtet. Ende 2009 waren 617 Windräder mit einer Gesamtleistung von 995 MW in Betrieb. Diese produzieren soviel Strom, wie 570.000 Haushalte in einem Jahr verbrauchen.

Die IG WINDKRAFT ist die Interessenvertretung der heimischen Windkraft-Industrie und zählt rund 1.000 Mitglieder. Nach Zahlen des Verbandes beschäftigt die Branche rund 2.300 Personen und erwirtschaftet einen Exportumsatz von mehr als 300 Mio. Euro pro Jahr (vgl. HANTSCH, 2009).

Ziel der österreichischen Windkraft-Industrie ist es, die Windstromproduktion bis 2020 von derzeit 995 MW auf 3.500 Megawatt auszubauen. Die Anlagen würden dann statt bisher 2 TWh mehr als 7 TWh erzeugen. Damit könnten im Jahr 2020 zwischen 8 und 10 % des Stromverbrauchs über diese Technik generiert werden. Derzeit produziert die Windkraft in Österreich rund 3 % des jährlichen Bedarfs.

Österreich verfügt über spezialisierte und international tätige Unternehmen in den Bereichen Steuerungen, Windkraftgeneratoren, Windkraftanlagendesign sowie High-Tech-Werkstoffe. So beliefert zum Beispiel die Elin EBG Motoren GmbH aus Weiz (Stmk) den dänischen Windrad-Hersteller Vestas mit Generatoren. In Pasching (OÖ) ist ein Tochterunternehmen des US-Aerospace-Konzerns ‚Hexcel Composites’ beheimatet. Dieses ist der weltweit

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führende Hersteller von Rotorblatt-Werkstoffen. Das Kran- und Schwertransportunternehmen Prangl, aus Brunn am Gebirge (NÖ), hat sich auf das Aufstellen von Windkraftanlagen spezialisiert. Für die Terrag-Asdag, mit Sitz in Wien, ist das Betonieren von Fundamenten für Windkraftanlagen ein wichtiger Geschäftszweig geworden (vgl. HANTSCH, 2009).

Der überwiegende Großteil der heimischen Windkraftleistung ist im östlichen Niederösterreich und im Burgenland installiert. Der höchst gelegene Windpark, der „Tauernwindpark“, in Oberzeiring in der Steiermark, liegt auf rund 1.900 m Seehöhe. Er besteht aus 11 Vestas-Windkraftanlagen mit einer Gesamtleistung von fast 20 MW und bringt pro Jahr einen Energieertrag von rund 40.000 MWh (genug für 10.000 Haushalte). Der Ausbau der Windkraft in Österreich erfolgte mit dem Ökostromgesetz 2002 sehr zügigauch im internationalen Vergleich. Mit der Novelle 2006 zum Ökostromgesetz wurde der Ausbau allerdings zum Erliegen gebracht. Die Rahmenbedingungen für Ökostromanlagen verschlechterten sich insgesamt derart, dass sich kaum noch Investoren in diesem Bereich fanden.

In den zwölf Monaten vor der Novelle 2006 wurden in Österreich 182 Windräder mit einer Leistung von rund 350 MW errichtet - seither, in den drei Jahren bis Oktober 2009, konnten lediglich 17 Anlagen mit einer Leistung von 33,5 MW in Betrieb gehen. Die Interessensvertretung fordert daher eine Anpassung der Einspeisetarife für Ökostrom aus Windkraftanlagen. Nach Auskunft der IG WINDKRAFT seien 9,8 ct je kWh eine angemessene Vergütung auf europäischem Niveau. Mit dem angeführten Tarif könnten in Österreich weitere 700 MW bis 2015 installiert werden (vgl. HANTSCH, 2009).

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5. Meteorologische und physikalische Grundlagen

Fast alle erneuerbaren Energieformen auf der Erde - auch die fossilen Energieträgerhaben ihren Ursprung bei der Sonnenenergie. Ausnahmen sind lediglich Gezeiten-, Wellen- ² und Meeresströmungsenergie , die Geothermie und die Atomkraft. Die Sonne strahlt pro

Stunde rund 174,4 PWh an Energie auf die Erde. Das entspricht einem 15.000fachem des weltweiten Energiebedarfs (vgl. FALK et al., 2009, 15). Ungefähr 1 bis 2 % dieser Energie werden in Windenergie umgesetzt.

5.1 Ursprung der Windenergie - globale Zirkulation

Winde entstehen durch Druckunterschiede in verschiedenen Luftmassen. Landmassen absorbieren beispielsweise das Sonnenlicht besser als die Meeresoberfläche. Dadurch erwärmen sich Landmassen in der Regel schneller und heizen die Luftmassen an ihrer Oberfläche stärker auf. Die erwärmte Luft dehnt sich aus, wird dadurch leichter und steigt auf. Am Boden entsteht ein Tiefdruckgebiet, das Luftmassen aus der Umgebung anzieht. Die Gebiete am Äquator werden von der Sonne stärker erwärmt als der Rest der Erde, weil die Sonnenstrahlen dort annähernd im rechten Winkel auf die Oberfläche treffen. Die Luftmassen erwärmen sich, steigen bis in eine Höhe von rund 10 km an den Rand der Troposphäre. Es entsteht entlang des Äquators ein Tiefdruckgebiet (vgl. DWIA, 2008).

Würde die Erde nicht rotieren, würden die Luftmassen am Äquator aufsteigen und am Rand der Atmosphäre bis zu den Polen wandern, dort absinken und zum Äquator zurückkehren. Dieser Reise macht allerdings die so genannte Corioliskraft einen Strich durch die Rechnung. Da die Erde in ständiger Drehbewegung ist, wird jede Bewegung auf der Nordhalbkugel nach rechts abgelenkt (auf der Südhalbkugel nach links). Erstmals mathematisch beschrieben wurde diese Ablenkungskraft 1835 vom französischen Mathematiker Gaspard Gustave de Coriolis (*1792, +1843).

Die Corioliskraft ist ein sichtbares Phänomen: Eisenbahngleise nützen sich auf der Nordhalbkugel auf der rechten Seite in Fahrtrichtung stärker ab, Flüsse graben sich auf der entsprechenden Seite stärker in das Flussbett ein. Und die Corioliskraft beeinflusst die Strömungen der Luftmassen in der Atmosphäre: Sie ist der Grund, warum sich Tiefdruckgebiete (Zyklone) auf der Nordhalbkugel gegen den Uhrzeigersinn drehen. ² Die Sonne ist zum Teil auch an diesem Energieaufkommen beteiligt, allerdings in untergeordneter Rolle.

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Ab einer geographischen Breite von etwa 30 Grad verhindert die Corioliskraft in beiden Hemisphären ein Weiterfließen der Luftmassen, weil sie diese von der eigentlichen Strömungsrichtung abgelenkt. Die Luft sinkt zu Boden. Entlang des 30sten Breitengrades entstehen daher Hochdruckgebiete. Die Pole sind ebenfalls Hochdruckgebiete, weil dort immer die Luftmassen abkühlen und zur Erdoberfläche strömen (vgl. DWIA, 2008). Auf Grund der Verteilung der Tief- und Hochdruckgebiete (siehe Abb. 17) ergeben sich die Hauptwindrichtungen. Das Wissen um die Hauptwindrichtung ist bei der Planung von Windkraftanlagen von Bedeutung, weil diese möglichst frei von Hindernissen sein soll. Die Hauptwindrichtung kann allerdings auch von lokalen, topografischen Gegebenheiten stark beeinflusst werden (vgl. DWIA, 2008).

5.2 Einteilung der Windressourcen und Windschichten

Die Erdatmosphäre ist eine hauchdünne Schicht. Die unterste Schicht, die Troposphäre, ist nur 11 km dick. Sie ist verantwortlich für das Wetter und den natürlichen Treibhauseffekt. In einem Modell-Maßstab betrachtet: Wäre die Erde ein Ball mit einem Durchmesser von 1,2 m, so hätte die Troposphäre eine Dicke von nur 1 mm.

Im oberen Teil der Troposphäre ist der Wind von der Erdoberfläche unbeeinflusst. Hier wirken, wie bereits beschrieben wurde, vor allem die Corioliskräfte. Erst im unteren Teil der Troposphäre, zwischen 600 und 2000 m über dem Boden, beginnt die Erdoberfläche auf die Winde Einfluss zu nehmen (vgl. HAU, 2008, 515). Im oberen Teil der Troposphäre walten die so genannten geostrophischen Winde. Der von der Erdoberfläche beeinflusste Bereich wird als planetare Grenzschicht bezeichnet. Die planetare Grenzschicht kann in drei Bereiche unterteilt werden (vgl. MAZZONI 1996, 19): Eckmann-Schicht, Prandtl-Schicht und Bodennahe Schicht.

5.2.1 Eckmann-Schicht

Oberhalb der Prandtl-Schicht, in der Eckmann-Schicht, nimmt die Windgeschwindigkeit mit der Höhe kaum noch zu (vgl. MAZZONI 1996, 19). Die Eckmann-Schicht bildet den Übergang in den geostrophischen Bereich der Troposphäre. Mit modernen Großwindkraftanlagen wird versucht, die Prandtl-Schicht zu durchstoßen und die relativ homogene Strömung der Eckmann-Schicht zu nutzen. Untersuchungen haben ergeben, dass eine Rotornabenhöhe von 50 m zu etwa 70 % der Betriebszeit oberhalb der Prandtl-Schicht liegt. Bei einer Nabenhöhe von mehr als 100 m steigt der Wert auf über 90 % (vgl. HAU 2008, 515).

5.2.2 Prandtl-Schicht

In der Prandtl-Schicht spielen sich vertikale turbulente Austauschprozesse ab. Die Höhe der Prandtl-Schicht verändert sich mit den meteorologischen Gegebenheiten. In der Nacht beträgt die Mächtigkeit 10 bis 50 m, tagsüber in der Regel zwischen 50 und 150 m (vgl. Hau 2008, 515). Innerhalb der Prandtl-Schicht steigt die Windgeschwindigkeit deutlich mit der Höhe an. Das Höhenprofil der Windgeschwindigkeits-Zunahme lässt sich mit Hilfe der logarithmischen Höhenformel beschreiben. So kann näherungsweise ermittelt werden, wie groß die Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe ist, wenn die Windmessung zum Beispiel aus Kostengründen nur deutlich unterhalb der Nabenhöhe möglich war.

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5.2.3 Bodennahe, turbulente Schicht

Die unterste Schicht ist gekennzeichnet durch lokale Einflüsse. Reibung und Thermik sorgen für unregelmäßige Verwirbelung der Luft. Dieser Bereich kann weniger als 1 m betragen (Wasseroberflächen) oder zig Meter hoch sein (je nach Gebäudegestalt in verbautem

5.2.4 Spezielle, lokale Winde

Die Windrichtung und das Windaufkommen vor Ort ist das Ergebnis von globalen, regionalen und lokalen Effekten. Oft weichen die Winde dabei völlig von den geostrophischen Gegebenheiten ab. Eine stark ausgeprägte From ist zum Beispiel der Seewind in Küstengebieten: Während des Tages erwärmt die Sonne Landmassen schneller als das Meer. Die Luft steigt auf, fließt hinaus in Richtung Meer und schafft am Boden ein Tiefdruckgebiet. Dieses wiederum zieht kühle Meeresluft an. Der Wind bläst vom Meer aufs Land - der Seewind. In den Abendstunden gibt es eine windstille Periode, wenn also Land-und Meerestemperatur gleich sind. In der Nacht weht der Wind vom Land ins Meer hinaus. Ausgeprägte lokale Winde gibt es zum Beispiel auch in Berggebieten (Talwind, Föhn, …).

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5.2.5 Diskussion zu Windressourcen und Windschichten

Großwindkraftanlagen mit hohen Türmen haben das Ziel, möglichst oberhalb der bodennahen Turbulenzen und der Prandt-Schicht zu arbeiten. Die Turmhöhen der größten Anlagen liegen daher zwischen 120 und 160 m. Diese Anlagen laufen fast ausschließlich in der Eckmann-Schicht und profitieren von höheren Windgeschwindigkeiten mit stetiger Strömung, geringerer Windscherung und weniger Turbulenzen.

Klein- und Kleinstanlagen sind fast immer den bodennahen Verwirbelungen ausgeliefert oder befinden sich in der Ablöseblase von Hindernissen. Das führt zwangsläufig zu Ertragseinbußen und mechanischen Mehrbelastungen. Auf die Problematik der Windscherung, durch die deutlich steigende Windgeschwindigkeit in der Prandtl-Schicht, wird später in dieser Arbeit noch eingegangen. Jedenfalls kann die Masthöhe auch bei Kleinanlagen eine entscheidende Rolle spielen: Zum einen, um den bodennahen Verwirbelungen auszuweichen, zum anderen, um von den höheren Windgeschwindigkeiten zu profitieren. An vielen Standorten nimmt die mittlere Windgeschwindigkeit in 10 bis 40 m über dem Boden um rund 10 % je 10 m Höhe zu.

Die Abb. 20 zeigt Mikrowindkraftanlagen (MWA), Kleinwindkraftanlagen (KWA) und eine Großwindkraftanlage (GWA) im Größenvergleich (mehr zur Abgrenzung zwischen MWA, KWA und GWA unter Punkt 7). Die färbige Fläche zeigt die Ablöseblase des Hauses in Windrichtung. Während die GWA von den Turbulenzen des Windschattens unberührt zwischen Prandtl- und Eckmannschicht arbeitet, sind MWA und KWA voll der turbulenten Strömung ausgesetzt.

5.3 Einflussgrößen auf die Wind-Energie

Eine Windkraftanlage liefert ihre Leistung, indem sie die Kraft des Windes in ein Drehmoment (drehende Kraft) an den Rotorblättern umwandelt. Die Energiemenge, die der Wind auf den Rotor überträgt, hängt von der Luftdichte, der Windgeschwindigkeit und der Rotorfläche ab. Bei Steigerung der Windgeschwindigkeit und/oder Vergrößerung der Rotorfläche, wächst die zur Verfügung stehende Energie exponentiell an. Das Verstehen dieser, sich exponentiell darstellenden Kurven, ist eminent wichtig für das Verstehen der Windenergie-Nutzung.

5.3.1 Luftdichte

Je höher die Luftdichte, desto höher die Energie im Wind. Je wärmer die Temperatur, je feuchter die Luft und je höher gelegen der Standort, desto geringer die Luftdichte. Für die Berechnung der aerodynamischen Belastungen wird die Luftdichte der Normalatmosphäre auf Seehöhe unterstellt: ρ = 1,25 kg/m³

Trockene Luft mit 0 °C auf Seehöhe wiegt fast 1,3 k g/m³. Ein Kubikmeter Luft in 1.000 m Seehöhe mit 30 °C wiegt nur 1,03 kg. Zwei baugleich e Windkraftanlagen würden bei derart massiv unterschiedlichen Luftdichten bei gleicher Windgeschwindigkeit gut 20 % unterschiedliche Erträge abgeben. Weicht die Luftdichte stark von der Normalatmosphäre ab, muss die Windkraftanlage angepasst werden - zum Beispiel durch Optimierung von Blatteinstellwinkel und Rotordrehzahl (vgl. HAU 2008, 560f).

5.3.2 Windgeschwindigkeit

Die Windgeschwindigkeit ist die maßgebliche Größe bei der Windkraftnutzung: Der Energiegehalt des Windes steigt mit der 3. Potenz der mittleren Windgeschwindigkeit. Wenn sich die Windgeschwindigkeit verdoppelt, steigt der Energiegehalt um das 8-fache (2³ = 2 x 2 x 2 = 8). Wenn sich die Windgeschwindigkeit verdreifacht, steigt der Energiegehalt um das 27-fache, usw. Während bei 4 m/s der Energiegehalt rund 40 W/m² beträgt kann der Wind bei 16 m/s schon 2.500 W/m² leisten. Das heißt, aus der 4-fachen Windgeschwindigkeit entsteht die 64-fache Leistung.

Die Leistung im Wind, der durch eine kreisförmige

Fläche bläst, lässt sich errechnen mit: P = ½ * ρ * v³ * π * r² P … Leistung in Watt (W)

ρ … Dichte der Luft in kg/m³ (1,225 kg/m³, auf Meereshöhe bei 15 °C) v … Windgeschwindigkeit in m/s π … Pi (die Kreiszahl: 3,1614) r … Radius der Rotorkreisfläche

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5.3.3 Rotorfläche

Die Größe der Rotorfläche bestimmt, wie viel Energie eine Windkraftanlage dem Wind letzten Endes entziehen ("ernten") kann. Die Rotorfläche wird auch als Erntefläche bezeichnet. Da diese mit dem Quadrat des Rotordurchmessers zunimmt, kann ein doppelt so großer Rotorquerschnitt viermal soviel Energie ernten (2² = 2 x 2 = 4). Dem Rotor als „Energiewandler“ galt und gilt in der Windkraft immer besondere Aufmerksamkeit. Zu einem guten Teil war es letzten Endes die Optimierung des Rotors, die den Durchbruch dieser Technik in der Stromerzeugung ermöglichte.

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