Kleinwindkraftanlagen. Anwendungen und Technik im Detail.

INHALTSVERZEICHNIS

1 Einleitung

2 Erneuerbare Energie am Beispiel der Windenergie
2.1 Was versteht man unter erneuerbarer Energie
2.2 Windkraftanlagen
2.2.1 Allgemeine Windkrafttechnik und Begriffe
2.3 Physikalische Grundlagen der Windkraft
2.3.1 Entstehung des Windes
2.3.2 Windgeschwindigkeit
2.3.3 Messung von Windgeschwindigkeiten
2.3.4 Funktionsweise einer Windkraftanlage
2.3.5 Leistungsausbeute einer Windkraftanlage

3 Kleinwindkraftanlagen
3.1 Einsatzbereiche von Kleinwindkraftanlagen
3.1.1 Pumpen
3.1.2 Batterieladeeinrichtungen
3.1.3 Netzeinspeisung
3.2 Konstruktive Bauformen
3.2.1 Vertikalläufer
3.2.2 Horizontalläufer
3.2.3 Sonderformen
3.3 Scheibengenerator
3.4 Errichtung von Kleinwindrädern
3.4.1 Standortfaktoren
3.4.2 Kostenfaktoren
3.5 Förderungen

4 Ökologische und ökonomische Aspekte der Windkraft
4.1 Ökologische Aspekte
4.2 Ökonomische Aspekte

5 Schlussfolgerung

6 Literaturverzeichnis

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 m² 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

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 (CO2). Nach Schätzungen von Wissenschaftlern werden der CO2- 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 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]

Mit den ersten Windkraftanlagen zur Stromerzeugung wurden rund 22 kW (Kilowatt) Leistung bei einem Rotorendurchmvon 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:

- On-shore

Von einer On-shore Anlage spricht man, wenn die Anlage an Land errichtet wurde. Moderne Anlagen haben eine durchschnittliche Leistung von 1,5 MW und einen Rotorendurchmesser von 70 Metern. Diese liefern im Schnitt rund 3,5 Mio. (Millionen) Kilowattstunden (kWh) was einen durchschnittlichen Energieverbrauch von 1000 Vierpersonenhaushalten entspricht. On- shore Anlagen sind technisch bereits ausgereift und können bei entsprechenden Vorraussetzungen (Infrastruktur, Transport, geeignetes Windaufkommen, etc.) relativ problemlos errichtet werden.^[12]

- Off-shore

Von einer Off-shore Anlage spricht man, wenn die Anlage vor der Küste im Meer errichtet wird. Im Vergleich zu On-shore Anlagen mit 1,5 MW liegt der Leistungsbereich bei auf See installierten Anlagen derzeit zwischen 3 und 5 MW. Mit einer 5 MW Anlage auf See werden rund 17,5 Mio. KWh Strom im Jahr produziert, dies entspricht dem durchschnittlichen Verbrauch von 5000 Vierpersonenhaushalten. Als Einsatzgebiet eignen sich allerdings nur Gebiete mit einer Wassertiefe von 15 bis 35 m, denkbar sind aber Fundamente für Tiefen bis zu 45 m. Diese sind aber im Moment noch nicht ausgereift und befinden sich noch im Versuchstadium.

- Windpark

Unter Windpark oder Windfarm (aus dem Englischen) versteht man eine räumliche Ansammlung von mehreren Windkraftanlagen. Diese werden bevorzugt in windreichen Gebieten (On- sowie Off-shore) errichtet. Wichtig ist dabei die richtige Anordnung der einzelnen Windräder so zu wählen, dass sich diese nicht gegenseitig durch Luftverwirbelungen beeinflussen.^[13] Der im österreichischen Gebirgsmassiv der Niederen Tauern (Steiermark) auf einer Seehöhe von 1900m errichtet Tauernwindpark^[14], ist derzeit der höchstgelegene Windpark Europas.^[15]

2.3 Physikalische Grundlagen der Windkraft

2.3.1 Entstehung des Windes

Durch die unterschiedliche Erwärmung der Erdoberfläche und den daraus resultierenden Gebieten mit unterschiedlichem Luftdruck entstehen gerichtete Luftbewegungen in der Atmosphäre. Die Luftteilchen strömen vom Hochdruckgebiet in ein Tiefdruckgebiet und versuchen dadurch den zwischen den Gebieten herrschenden Druckunterschied auszugleichen. Dabei werden sie auch noch von weiteren Faktoren wie der Corioliskraft (Einfluss der Erdrotation) und dem Landschaftsbild (Meere, Berge, Täler, Bauwerke, etc.) beeinflusst.^[16] Global betrachtet führt die Gesamtheit dieser Einflüsse zu einem globalen Zirkulationssystem.^[17]

2.3.2 Windgeschwindigkeit

Die Windgeschwindigkeit ist im Wesentlichen von der Höhe über dem Meeresspiegel, sowie der Oberflächenbeschaffenheit, welche als Rauhigkeit bezeichnet wird, abhängig. Sie gibt an, wie viel Weg die bewegte Luft in einer bestimmten Zeiteinheit im Raum zurückgelegt hat. Da die Luftmassen über dem Meer auf wesentlich weniger Widerstand stoßen als an Land, sind die höchsten Windgeschwindigkeiten über den Meeren, an den Küstengebieten und an hohen Bergen zu finden. Weiters wird die Windgeschwindigkeit auch von der Jahreszeit beeinflusst, in den Wintermonaten kommt es zu höheren Windgeschwindigkeiten als in den Sommermonaten. Die Windgeschwindigkeit wird meist in Meter pro Sekunde (m/s), Knoten (kn) oder Seemeilen pro Stunde (sm/h) angegeben.^[18]

2.3.3 Messung von Windgeschwindigkeiten

Für die Standortwahl eines Windrades ist es erforderlich genau über die vorherrschenden Windgeschwindigkeiten Bescheid zu wissen. Die Windstärke kann mit verschiedenen Hilfsmitteln wie Bändern, Windfahnen, Windsäcken oder Anemometern ermittelt werden. Eine Messung und Auswertung der Windgeschwindigkeit über einen längeren Zeitraum bezeichnet man als Ertragsanalyse. Die genauesten Messungen können mit Anemometern, auch Windmesser genannt, durchgeführt werden. Hier kann zwischen zwei verschiedenen Messsystemen unterschieden werden.^[19]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Schalenkreuzanemometer^[20] (links); Abb. 2: Ultraschallanemomete^[21] (rechts)

Das Schalenkreuzanemometer (Abb. 1): Dabei handelt es sich um ein Messgerät bei dem die Drehbewegung der vom Wind angetriebenen halbkugeligen Schalen um eine Achse in elektrische Impulse umgewandelt und diese ausgewertet werden.^[22]

Das Ultraschallanemometer(Abb. 2): Mit diesem Gerät kann sowohl die horizontale, als auch die vertikale Windgeschwindigkeit mit größerer Genauigkeit als beim Schalenkreuzanemometer ermittelt werden. Das Gerät ist meist mit vier Ultraschllsendern-/Empfängern ausgerüstet. Jeder Sensor sendet Ultraschallwellen in Richtung der drei anderen Sensoren aus, die vom Wind versetzt werden. Über die hervorgerufene zeitliche Verzögerung der Schallwellen können die horizontale und die vertikale Windgeschwindigkeit berechnet werden.

[...]

^[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

^[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]

^[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

^[12] Vgl. hier und im Folgenden Geitmann, Sven; Mit neuer Energie in die Zukunft, Erneuerbare Energien und Alternative Kraftstoffe, 4.Auflage, Hydrogeit Verlag, 2005 , Seite 142; Kaltschmitt, Martin; Streicher, Wolfgang; Wiese, Andreas; Erneuerbare Energien, Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte, 4. Auflage, Springer, 2006,Seite 223

^[13] Vgl. Kaltschmitt, Martin; Streicher, Wolfgang; Wiese, Andreas; Erneuerbare Energien, Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte, 4. Auflage, Springer, 2006,Seite 321-322

^[14] Anmerkung: Tauernwindpark besteht aus 11 Anlagen mit je 1,75MW Nennleistung

^[15] Vgl. o.V.; Tauernwind Windkraftanlagen GmbH; Online im Internet unter: http://www.tauernwind.com/windpark/windpark_sstart.htm [Stand 18.05.2007]

^[16] Vgl. Hacker, Günther; Jerke, Gabriele, Wind Bewegt, Kleine Windräder selber bauen, 1. Auflage, Solar- Wind- Team G. Hacker, 2006, Seite 12

^[17] Vgl. o.V.; E-Controll; Windenergie, Zirkulationssystem; Online im Internet: http://www.e- control.at/portal/page/portal/ECONTROL_HOME/OKO/ENERGIEQUELLEN/WINDENERGIE [Stand 04.05.2007]

^[18] Vgl. o.V.; E-Control; Windenergie, Windgeschwindigkeit räumlich betrachtet; Online im Internet: http://www.e-control.at/portal/page/portal/ECONTROL_HOME/OKO/ENERGIEQUELLEN/- WINDENERGIE [Stand 04.05.2007]

^[19] Vgl. Hacker, Günther; Jerke, Gabriele, Wind Bewegt, Kleine Windräder selber bauen, 1. Auflage, Solar- Wind- Team G. Hacker, 2006, Seit 13-15

^[20] Quelle: o.A.; Online im Internet unter: http://images.mercateo.com/images/products/PCE- Group/schalenkreuzanemometer-pce-a420.jpg

^[21] Quelle: o.A.; TH-Friedrichs Metereologische Systeme; Online im Internet unter: http://www.th- friedrichs.com/TH_Friedrichs/stuff/we_img/gruppe4_img/width_500px/ThFr_4300_Verlauf.jpg [Satnd 04.05.2007]

^[22] Vgl. Hacker, Günther; Jerke, Gabriele, Wind Bewegt, Kleine Windräder selber bauen, 1. Auflage, Solar- Wind- Team G. Hacker, 2006, Seite 13f