1.  Einleitung.  3

2.  Thema : Windkraft - eine erneuerbare Energiequelle.  4

a.  Windenergie.  4

i.  Funktionsweise der Windkraftanlagen.  4

ii.  Nutzung der Windenergie.  5

b.  Probleme.  6

i.  Flächeninanspruchnahme.  6

ii.  hohe Bau- und Betriebsausgaben.  6

iii.  Auswirkungen auf Mensch und Umwelt.  7

c.  Vorteile.  8

i.  Gewinnung von Arbeitsplätzen.  8

ii.  Wind ist unerschöpflich.  8

iii.  geringe Störungen und Gefahren.  9

d.  Klima und Windenergie.  9

i.  Einfluss der Windenergie auf die Klimaveränderung.  9

ii.  Einfluss des Klimaveränderung auf die Windenergie.  10

e.  Entwicklungspotential der Windenergie.  11

i.  Arten von Windkraftanlagen.  11

ii.  Markteinschätzung.  12

iii.  externe Einflussfaktoren.  13

3.  Ausblick.  16

4.  Abkürzungsverzeichnis.  16

5.  Abbildungen.  17

6.  Literaturliste.  22

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1. Einleitung

In der folgenden Arbeit werde ich die Funktionsweise der Windkraftanlagen, Nutzung der Windenergie, Probleme, Vorteile, Klimaveränderungen in Abhängigkeit zur Windenergie und das Entwicklungspotential der Windenergie aufzeigen.

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2. Thema : Windkraft

a .Windenergie

i. Funktionsweise der Windkraftanlagen

Die Leistung von Windkraftanlagen wird durch die Abbremsung des Windes und dessen Umwandlung in mechanische Energie gewonnen. (Gasch 1996, S.22)

Bei der Windkraftgewinnung ist der Energiewandler externen Einflüssen ausgesetzt, da das Windangebot wetterabhängig ist und andere technische Probleme wie Strömungsstörungen im Turm auftreten können. Die wichtigsten Bestandteile einer Windkraftanlage sind der Turm, die Rotoren und die Gondel.(Abb.1) (Heier 2004, S. 1)

„Die Rotoren eines Windrads ähneln den Tragflächen eines Flugzeugs. Ihr gekrümmtes Profil führt zu unterschiedlichen Luftströmungen auf der Ober- und Unterseite des Flügels. Dadurch bildet sich ein Druckunterschied aus: unterhalb der Tragflächen ein Überdruck, oberhalb ein Unterdruck, wodurch die Rotoren in Drehung versetzt werden. Die Leistung, die dabei erreicht wird, hängt u.a. von der Flügelform, der Flügelgröße und vom installierten Generator ab“.(Leininger, Rose 2003, S.37) Die Stellung des Rotors kann vor dem Turm bei Luvläufern und dahinter bei Leeläufern installiert sein. Es gibt den Unterschied zwischen einem starren und gelenkigen Rotorblatt. Die beweglichen Flügelrotoren werden durch Bewegungen gesteuert und können somit die Leistungsabgabe regeln und begrenzen. (Gasch 1996, S.57-64) In der Gondel befindet sich ein Triebsstrang, welcher aus der Rotorwelle mit Lagerung, Bremse, Getriebe, Generatoren und Generatorenwelle zusammengesetzt ist. Meist ist auch bei Horizontalachsenanlagen ein Windnachführungssystem vorhanden um die Rotoren den wechselnden Windrichtungen nachzuführen. (Gasch 1996, S.33, S.66, S.71)

Um die kinetische Energie in mechanische und schließlich in elektrische Energie zu verwandeln besitzen die Windkraftanlagen ein System zur Windenergiewandlung. Die Rotorblätter entziehen einen großen Teil der Strömungsenergie und wandeln sie in Rotationsenergie um. Diese wird dem Generator über den mechanischen Triebsstrang mit integrierten Wellen, Kupplungen und Getrieben, zugeführt. (Heier 2004, S. 25)

An den Generator werden verschiedene Ansprüche, wie leichtes bedienen, hohe Lebensdauer, geringen Wartungsaufwand und niedrige Anschaffungskosten gestellt. (Heier 2004, S.115) Die Synchrongeneratoren sind drehzahlstarr und müssen mit dem Netzfrequenzen übereinstimmt werden weshalb sie selten angewendet werden. Die Frequenz von Asynchronmaschinen kann drehzahlvariabel sein und somit in den optimalen Leistungswert gefahren werden. Außerdem haben sie einen einfachen Aufbau und sind preiswert (Gasch 1996, S.260ff)

Um den Verbraucher mit Energie zu versorgen und diese speichern zu können sind „Schalt- und Schutzeinrichtungen sowie Leitungen, möglicherweise auch Transformatoren und Netze“ nötig. (Heier 2004, S.1)

Die Leistung einer Turbine wird durch die Eingangsgrößen wie die Zustandsgröße der Windkraftanlage, Rotorgeometrie und Windgeschwindigkeit, welche vom Energieträger und Störgröße abhängt, bestimmt. (Heier 2004, S.26)

Im Laufe der Zeit haben sich sehr unterschiedliche Windräder entwickelt. Man differenziert bei den Bauformen zwischen vertikalen und horizontalen Achsen. Bei den horizontalen Windkraftanlagen drehen sich die Rotoren senkrecht zum Wind. Es gibt Schnell- und Langsamläufer bei den horizontalen Windräder, wobei die wenigen und schnell drehenden Rotorflügel mehr Leistung entziehen können und den Aufwand für Getriebe und Generator reduzieren, wodurch sie sich im Lauf der Zeit durchgesetzt haben. (Heier 2004, S.22; Lehmann Reetz, S.72; Gasch 1996, S.23)

Wenn der Wind schwach weht ist die vielblättrige Anlage trotz geringerem Wirkungsgrads dem Propeller überlegen. (Appel 1979, S.15)

Windenergieanlagen mit drei Rotorblätter haben sich wegen dem hohen Anlaufmoment und dem großen Wirkungsgrad durchgesetzt. (Hoffmann 1990, S.53)

Durch die Blattverstellung kann man direkt auf die Leistung eingehen und eventuelle äußere Störungen

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mindern bzw. ganz aufheben. Die Windenergieanlagen werden entweder durch eine Verdrehung der Rotorflügel um ihre Längsachse oder die Stall-Regelung, welche die Windströmungen bei zu hoher Windgeschwindigkeit durch die Rotorblätter abreißt, betrieben. (Heier 2004, S.22; Lehmann, Reetz 1995, S.72)

Man differenziert zwischen den Widerstandsläufern, welche die Energie durch die Abbremsung einer dem Wind quer stehenden Fläche nutzen und den Auftriebstriebsläufern, welche senkrecht zur Windströmung wirken. Zu einem typischen Widerstandsläufer zählt der Savonius-Rotor. (Abb.4) Ein Vorteil ist zwar, dass die Flügel schon bei geringen Luftströmungen anfangen zu laufen, dennoch besteht eine ungünstige Energieausbeute von weniger als 20% der Windenergie. Die Darrieus-Rotoren nutzen hingegen den Aufwind zur Energieförderung wobei die Rotoren sich um eine vertikale Achse drehen.(Abb.3) Positive Auswirkungen sind die Wartungsfreundlichkeit und dass man die Rotoren nicht nach dem Wind ausrichten muss, da die Rotorblätter bogenförmig aufgebaut sind. Um den Vorteil der stärkeren Windgeschwindigkeiten in der Höhe auszunutzen entwickelten sich die H-Darrieus-Rotoren bei welchen die Rotorenblätter höher angebracht sind und eine höhere Leistung erbringen können. (Abb.3) (Lehmann, Reetz 1995, S.72ff)

Neben den Windrädern mit klassischer Bauweisen gibt es auch noch die Aufwindkraftanlagen mit künstlich erzeugtem Wind. Hierbei nutzt man nicht den natürlichen, sondern künstlich erzeugten Wind. Die Luft wird im Kollektor durch die Sonne erwärmt und steigt auf Grund der Dichterverringerung im Kamin auf. Die Konvektionsströmung wird sich nach der Übereinstimmung des Drucks im Kamin und der angrenzenden Umgebung einstellen. Die mechanische Energie wird jedoch auch durch eine konventionelle Windradtechnik abgezweigt und mit einem Generator in elektrischen Strom umgewandelt werden. Der Wirkungsgrad kann durch Erhöhen des Kamins gesteigert werden. Die Aufwindkraftanlagen sind enorm große Gebilde. Dies ist dennoch nicht verwunderlich , denn der künstlich erschaffene Wind entsteht durch die selben Regeln wie in der Atmosphäre und bedeutet somit, dass meteorologische Maßstäbe notwendig sind. (Unger 1993, S. 42ff)

ii. Nutzung der Windenergie

Die Menschen interessieren sich schon seit Jahrhunderten für die Windkraft. Sie wollen sie beherrschen und für ihren Nutzen gewinnen. Der Wind wurde früher zunächst für die Schifffahrt genutzt. Schon vor 5000 Jahren setzte man den Segelwind für den Antrieb der Schiffe ein. Diese Art der Fortbewegung war bis ins 19.Jahrhundert verbreitet. Heute sind die Segelschiffe nur noch in der Minderheit. Etwa 2000 Jahre danach entwickelte sich die lokale Anwendung des Windes durch den Einsatz von Windrädern. Nach Meinung der Historiker wurden die ersten Anlagen auf dem Land zur Windenergienutzung im Orient genutzt. Noch vor 100 Jahren stieß man allerorts auf die Nutzung von Windmühlen. In Deutschland befanden sich um die Jahrhundertwende vom 18. ins 19. Jahrhundert noch 22.000 Windmühlen. Sie verrichteten die schwere körperliche Arbeit für die Menschen. Man wandelte damals die mechanische Energie noch nicht um, wodurch keine ökologisch schädliche Nebenprodukte entstanden. (Unger 1993, S.10; Gasch 1996, S.9; Appel 1979, S.11, Hoffmann 1990, S.45)

Durch die Windkraft konnte die Leistung auf dem Meer sowie auf dem Land gesteigert werden. Durch Erfindungen wie zum Beispiel die Entwässerung durch Windpumpen konnten die menschlich körperlichen Anstrengungen vermindert und enorme Leistungen erzielt werden.(Heier 2004, S.4ff) Heute sind die Anlagen zur Wasserförderung durch die Windenergie in den Industrieländern verschwunden. In den Entwicklungsländern haben sie heute noch anhaltend einen verbreiteten großen Nutzen, da sie meist nicht an ein Energieversorgungsnetz angeschlossen sind. Wasserpumpen können zur Trinkwasserversorgung, Tränkwasserversorgung, Bewässerung und Entwässerung genutzt werde. (Gasch 1996, S.207ff)

Dennoch wird durch die industrielle Revolution die Windkraft für zwei Jahrhunderte fast verdrängt. Erst das Bewusstsein über die Knappheit von fossilen Energieträgern fördert die Entwicklung der Windkraftnutzung. (Hoffmann u.a. 1980, S.V)

Die von damals bekannte Bauform war die vertikalen Windkraftanlage, welche mit dem Prinzip des Widerstands arbeitete. (Abb.3+4) Wahrscheinlich wurde das Wissen durch Kreuzzüge nach Europa weiter gegeben. Hier entwickelten sich im frühen Mittelalter die Windkraftanlagen mit horizontalen Achsen,

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welche durch schräg gerichtete Segel angetrieben wurden und sich senkrecht zum Wind drehten.(Abb.2) Im Mittelalter entwickelten sich Bock- und Holländer-Windmühlen(Abb.5), welche größtenteils zum Mahlen und Wasserpumpen eingesetzt wurden und vorwiegend in Nordwesteuropa anzutreffen waren. In Südeuropa setzte sich hingegen die Turmwindmühle (Abb.5) mit seinen mehrflügligen Segelrotoren durch. (Gasch 1996, S.14)

Seit dem 19.Jahrhundert findet eine Expansion der amerikanischen Windturbinen, den „Westernrädern“ (Abb.2), statt. Sie wurden meist aus Stahl konstruiert und dienten zum Wasserpumpen. Seit etwa einem halben Jahrhundert versucht man aerodynamische Rotorblätter zu verwenden. Zu Beginn der 50er Jahre wurden die ersten Windkraftanlagen als Serie vom deutschen Hersteller Allgaier hergestellt. Sie wurden für die Nutzung von abgelegenen Gehöften entwickelt. An der Küste wurden Anlagen mit einer Leistung von 10kW und im Landesinnere von 6kW aufgestellt um die Menschen mit Elektrizität zu versorgen. Als in den 70ern Jahre die Brennstoffpreise stiegen, wurde die Windkraft wirtschaftlich sehr interessant und die USA, Schweden und Deutschland haben in den Windkraftanlagen im MW- Bereich eine große Bedeutung gesehen. In den 80ern wollten die Länder, in erster Linie Kalifornien, Dänemark, Holland und Deutschland, die Windkraft als „Netzeinspeisung im großen Rahmen“ einsetzen. Die Windparks setzten sich durch da man dadurch eine größere Leistung erzielen konnte. Heutige Windkraftanlagen haben im Gegensatz zu den früheren Windmühlen vergleichsweise schnell drehende Rotorblätter. In den 80ern wurden noch die Windräder mit Zweiblattrotoren und heutzutage werden vorwiegend Windräder mit Dreiblattrotoren gebaut.(Heier 2004, S.25ff)

Es werden Überwachungs- und Schutzeinrichtungen bei den Windkraftanlagen eingebaut um das öffentliche Versorgungsnetz vor störenden Einwirkungen zu sichern. (Heier 2004,S.237) Inselbetriebe sind nicht an das Versorgungsnetz geschlossen und versorgen die Verbraucher direkt mit Energie. Sie sind heute hauptsächlich in den Entwicklungsländern aufzufinden. (Heier 2004, S.306) Heutzutage werden die Windkraftanlagen vorwiegend für die Stromerzeugung genutzt. (Gasch 1996, S. 240ff)

b. Probleme

i. Flächeninanspruchnahme

Windparks benötigen eine große Fläche, da die neuen Windkraftgenerationen immer höher werden und die Abstände zwischen den Windkraftanlagen wachsen. Die Windenergieanlagen können 100 - 170 m hoch werden und benötigen einen Abstand von 350-400 m. (Kriedemann u.a. 2003, S.145) Als die Windenergie sich rapide in Deutschland ausbreitete, entstanden Konflikte um die Benutzung des dicht besiedelten Landes. (Schaal, Kolshorn 2005, S.435)

Raum liegt zum limitierten Nutzen vor, da bereits Flächennutzungen vorhanden oder geplant sind. Um die Windenergie zu fördern und langfristig für die Windenergiegewinnung nutzen zu können müssen kostspielige Raumplanungen vorgenommen werden um einen geeigneten Sandort aus zuweisen. Zum einen müssen die Konfliktpunkte, wie Ästhetik, Umweltschutz etc. berücksichtigt werden. Zum anderen haben bereits vorhandene Netz- und Straßenanbindungen positive Auswirkungen auf die Standortwahl. (Böhner, Kickner 2006, S.23)

Klimatische Gunst- und Präferenzräume müssen auch in die Planung miteinbezogen werden um die Windenergiepotentiale zu erfassen.

Letztendlich kann man sagen, dass die direkte Flächeninanspruchnahme durch das Fundament und die Erschließungswege zwar nicht so enorm sind, aber die indirekten und visuellen Auswirkungen auf die Umgebung umso größer sind. Der Bau von Windkraftanlagen wird vor allem von der Bevölkerung kritisch beobachtet. (Schmitt u.a. 2006, S.406)

ii. hohe Bau- und Betriebsausgaben

Von den Windräder werden mehrere Eigenschaften wie eine hohe Aerodynamik, Steifigkeit und Festigkeit verlangt. Dennoch sollen die Baukosten niedrig gehalten werden um im Wettbewerb konkurrenzfähig zu sein. Ausschlaggebend für die Kosten sind die Anzahl der Rotorblätter, die Rotordrehzahl, die Bauweise, die

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