Möglichkeiten und Grenzen der Windenergie
On- und Offshore im Vergleich

Hausarbeit

 im Rahmen der Ersten Staatsprüfung
für das Lehramt an Gymnasien

vorgelegt von

 Lars Bloch

Rostock, 19.04.2004
Fachbereich Maschinenbau und Schiffstechnik
Institut für Maritime Systeme und Strömungstechnik
Universität Rostock
Ingenieurwissenschaftliche Fakultät

Inhalt

1. Einleitung ...  1

2. Grundlagen der Windenergiewandlung ...  2

3. Strom aus Wind - Die ersten Versuche ...  4
3.1 Historischer Exkurs - Bis zur Energiekrise 1973 ...  4
3.2 Nach der Energiekrise ´73 ...  5
3.3 Windfarmen in Amerika ...  6

4. Bauformen von Windenergieanlagen ...  7
4.1 Rotoren mit vertikaler Drehachse ...  8
4.2 Horizontalachsen-Rotoren ...  9

5. Stand der Windenergienutzung in Deutschland ...  11

6. Die Onshore-Windenergiegewinnung ...  14
6.1 Windmessungen und Auswertung ...  14
6.1.1 Windanalysen ...  14
6.1.2 Flächennutzungspläne ...  17
6.2 Belastungen und Leistungsregelung  ...  19
6.2.1 Lasten auf den Rotor und die WEA ...  19
6.2.2 Leistungsregelung ...  21
6.3 Materielle Anforderungen ...  24
6.3.1 Rotorblatt ...  24
6.3.2 Nabe und Turm ...  26
6.3.3 Fundament ...  28
6.4 Transport, Betrieb und Wartung ...  28
6.4.1 Transport ...  28
6.4.2 Betrieb ...  30
6.4.3 Wartung und Instandsetzung ...  30
6.5 Netzanbindung ...  32
6.6 Kostensituation ...  34
6.6.1 Investitionskosten ...  34
6.6.2 Betriebskosten ...  35
6.6.3 Vergütung ...  36
6.7 Potentiale und Nutzung ...  37
6.7.1 Potentiale ...  37
6.7.2 Nutzung ...  38

7. Die Offshore-Windenergiegewinnung ...  39
7.1 Windmessungen und Auswertung ...  40
7.1.1 Windanalysen ...  40
7.1.2 Flächennutzungspläne ...  42
7.2 Belastungen und Leistungsregelung ...  43
7.2.1 Windlasten ...  43
7.2.2 Meereslasten ...  44
7.2.3 Leistungsregelung ...  47
7.3 Materielle Anforderungen ...  47
7.3.1 Rotorblatt ...  47
7.3.2 Nabe und Turm ...  48
7.3.3 Fundament ...  48
7.4 Transport, Betrieb und Wartung ...  51
7.4.1 Transport ...  51
7.4.2 Betrieb ...  52
7.4.3 Wartung und Instandsetzung ...  53
7.5 Netzanbindung  ...  53
7.6 Kostensituation  ...  55
7.6.1 Investitionskosten  ...  55
7.6.2 Betriebskosten  ...  56
7.6.3 Vergütung  ...  56
7.7 Potentiale und Nutzung  ...  57
7.7.1 Potentiale  ...  57
7.7.2 Nutzung ...  58

8. Fachdidaktische Orientierung für die unterrichtliche Gestaltung zur Thematik Möglichkeiten der Windenergie im Unterrichtsfach Arbeit-Wirtschaft-Technik  ...  59

Literaturverzeichnis ...  65

Verzeichnis der Abkürzungen und Einheiten ...  71

Anhang ...  72

1. Einleitung

Energien und ihre Nutzung haben die Menschen schon seit frühester Geschichte interessiert und gleichermaßen fasziniert. Dabei muss festgehalten werden, dass Energie die Grundlage des Seins auf der Erde ist, denn es wird vermutet, dass die Erde vor 15 bis 20 Milliarden Jahren bei einem Urknall unvorstellbaren Energiegehalts entstanden ist /11/.

In der Geschichte der Menschheit spielt die Nutzung des Windes als Energiequelle eine lange Rolle. Die Kraft des Windes wurde schon vor Jahrhunderten auf verschiedenartige Weise genutzt, vorwiegend in der Seefahrt durch Segeltransportschiffe, in der landwirtschaftlichen Industrie¹ oder auch zum Antrieb von Wasserpumpwerken. 

Im 21. Jahrhundert wird die Windenergie hingegen in großem Maße für die Stromerzeugung, also zur Energiebereitstellung nutzbar gemacht. Im übertragenen Sinne sind die heutigen Windenergieanlagen ebenfalls Windmühlen. Allerdings haben sich sowohl die Form und Größendimension als auch die angewandten physikalischen und technologischen Grundlagen im Laufe der Jahrhunderte entscheidend gewandelt.
Die Windenergie verzeichnet seit 20 Jahren die größten Zuwächse und verspricht auch die größtmöglichen Potentiale, um das gesteckte Ziel der Bundesregierung (bis 2010 soll der Anteil regenerativer Energien am Bruttostromverbrauch 12,5% betragen /8/) zu verwirklichen.

Diese Arbeit wird sich nach einem kurzen historischen Exkurs zur Energiegewinnung durch Windenergieanlagen und einem Überblick über deren gängigste Bauformen dem heutigen Stand der Technik im On- und Offshorebereich der Windenergie zuwenden. Dabei sollen die Eigenheiten der beiden Bereiche herausgearbeitet werden, um deren Möglichkeiten und Grenzen aufzudecken. In diesem Zusammenhang wird in Punkt 8 auch eine Möglichkeit der didaktischen Auseinandersetzung mit dem Themenbereich Windenergie vorgestellt.

2. Grundlagen der Windenergiewandlung

Der Energieentzug aus dem Wind erfolgt durch Verzögerung der Luftströmung mit Hilfe des Rotors einer Windenergieanlage (WEA). Die mit einer Windgeschwindigkeit [...] ungestört anströmende Luftmasse m_L hat die Bewegungsenergie W_L = [...]. Da sich bewegende Luftmassen nicht aufgestaut oder gespeichert werden können, muss das mit größerer Windgeschwindigkeit [...] zuströmende Luftvolumen nach Energieentzug an der WEA bei geringerer Windgeschwindigkeit [...] durch eine entsprechend größere Flache wieder abfliesen. (Abb. 2.1) Ein Teil der Bewegungsenergie der abströmenden Luft muss dabei erhalten bleiben. Nach Betz gilt für eine maximale Energieausbeute durch eine WEA, dass die ursprüngliche Windgeschwindigkeit [...] weit
hinter dem Windrad abgebremst wird /29/ (s. a. Punkte 3.1). Eine vollständige Abbremsung der Luftbewegung wurde einen Luftstau verursachen und somit wäre kein Leistungsentzug möglich /29, 30, 31 u. a./. Die Leistung einer WEA kann dann durch den Leistungsbeiwert c_P, die Luftdichte p, die vom Wind durchströmte Rotorflache A und die Windgeschwindigkeit beschrieben werden:

Abb. 2.1 Strömungsverlauf am Windrad /31/
[Abb. in Downloaddatei enthalten]

Der Leistungsbeiwert c_P ist der Quotient aus der dem Wind entziehbaren mechanischen Leistung P und der im Wind enthaltenen Leistung P₀. Im günstigsten Fall, einer verlustfreien Energieentnahme, beträgt dieser Wert 0,5926 /2/. (s. a. Punkt 3.1) 

Eine moderne Windenergieanlage mit einer Nennleistung von 1,5 MW und einem Rotordurchmesser von 70 m beispielsweise, ermöglicht an einem durchschnittlichen Standort² eine Stromlieferung von etwa 3,5 Mio. kWh im Jahr. Dies ist ausreichend Energie für ca. 1000 Vier-Personen-Haushalte /47/.

Hauptkomponenten moderner WEA sind der Turm, der Rotor, die Gondel mit den mechanischen Übertragungselementen und dem Generator sowie bei Horizontalachsrotoren ein Windrichtungsnachführungssystem. Schalt- und Schutzeinrichtungen sowie Leitungen, möglicherweise auch der Transformator und das dazugehörige Netz, sind zur Versorgung von Verbrauchern oder Speichern erforderlich. (Abb. 2.2)

Abb. 2.2 Schematischer Aufbau einer Horizontalachs-WEA mit Getriebe /30/
[Abb. in Downloaddatei enthalten]

Die Umwandlung der kinetischen Primärenergie des Windes erfolgt über die WEA. Vereinfacht wandelt ein durch den Wind angetriebener Rotor die kinetische Energie in mechanische Energie und treibt direkt oder über ein Getriebe einen Generator an, der diese in elektrische Energie wandelt (Abb.2.3). Die elektrische Energie kann dann in das örtliche Stromnetz eingespeist (Punkt 6.4 und 7.4) und dem Verbraucher zur Verfügung gestellt werden.

Abb. 2.3 Vereinfachte schematische Darstellung der Wandlungs- und Wirkungskette einer WEA /30/
[Abb. in Downloaddatei enthalten]

3. Strom aus Wind - Die ersten Versuche

3.1 Historischer Exkurs - Bis zur Energiekrise 1973

Der Anlass, den Wind als Energiequelle für die Stromerzeugung zu nutzen, lag in der mangelnden Elektrizitätsversorgung der ländlichen Bereiche. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts waren diese vor allem in den großen Flächenstaaten nur selten an das öffentliche Stromnetz angeschlossen /30/.

Die erste systematische Entwicklung zur Nutzung der Windkraft für die Stromerzeugung fand in Dänemark statt. Poul La Cour baute im Jahre 1891 eine Experimentalwindkraftanlage in Askov für den Antrieb eines Dynamos, und verwendete den erzeugten Gleichstrom zur Elektrolyse. Das gewonnene Wasserstoffgas speicherte er und nutzte es für die Beleuchtung mit Hilfe von Gaslampen. Die Firma Lykkegard nutzte die Erkenntnisse La Cour´s und baute bis 1918 bereits 120 stromerzeugende WEA. Diese Anlagen erreichten eine Leistung zwischen 10 und 35 kW und bei einem Gesamtwirkungsgrad von ca. 22% eine Energielieferung von bis zu 50.000 kWh/a /30/.

In Deutschland waren es Major Kurt Bilau und der Physiker Albert Betz, die die Entwicklung maßgeblich beeinflussten. Betz ging das Problem der Physik und Aerodynamik des Rotors streng wissenschaftlich an. In einem 1920 erschienenen Beitrag in der Zeitschrift für das gesamte Turbinenwesen wies er theoretisch nach, dass die dem Wind maximal mit einem klassischen scheibenförmigen Windenergiewandler durch Umwandlung der kinetischen Energie zu entziehende Leistung auf 59,3% der im Windstrom enthaltenen Energie begrenzt ist /2/. 

[....]

1 als Antriebskraft für Mahlräder in Kornmühlen, erstmals nachgewiesen um 700 in Persien sowie die moderne europäische Windmühle erstmals 1143 als Prototyp in englischer Sprache erwähnt

2 Annahmen: durchschnittliche Windgeschwindigkeit von 5,5m/s und 2500 Vollaststunden