Im ersten Abschnitt soll zunächst der Aufbau von aktuell häufig genutzten Windrädern beschrieben werden, indem die einzelnen Komponenten vorgestellt werden, um im Anschluss auf die resultierenden Ursachen und Wirkungen innerhalb der Anlagen eingehen zu können. Im weiteren Verlauf werden die Transfersignale den einschlägigen Signalmerkmalen zugeordnet und relevante Rückkopplungen näher vorgestellt. Abschließend werden einige Aspekte hinsichtlich der Windenergie im Rahmen der Energiewende erläutert, damit ein möglicher Ausblick auf die Weiterentwicklung dieser Technologie formuliert werden kann.
Inhaltsverzeichnis
- 1. Einleitung
- 1.1 Einführung in die Thematik
- 1.2 Struktur dieses Assignments
- 2. Systembeschreibung
- 2.1 Ursachen & Wirkungen
- 3. Transfersignale
- 3.1 Zuordnung von Merkmalen
- Anströmung des Rotors und Rotation
- 3.2 Rückkopplungen
- Ökologische Rückkopplungen
- Ökonomische Rückkopplungen
- Soziale Rückkopplungen
- 3.1 Zuordnung von Merkmalen
- 4. Relevanz im Zusammenhang mit der Energiewende
- 4.1 Kosten der Stromerzeugung
- 4.2 Wirkungsgrade der Energiewandlungssysteme
- 4.3 Politische Einflüsse
- 5. Zusammenfassung & Ausblick
- 6. Quellenverzeichnis
- 7. Abbildungsverzeichnis
- 8. Anhang
- 8.1 Systembeschreibung
- 8.2 Ursachen und Wirkungen
- 8.3 Kosten der Stromerzeugung
- 8.4 Wirkungsgrade der Energiewandlungssysteme
- 8.5 Politische Einflüsse
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit untersucht die aerodynamische Energiewandlung in technischen Systemen, insbesondere Windkraftanlagen, als zentralen Bestandteil einer klimaneutralen Stromerzeugung in Deutschland. Das primäre Ziel ist es, den Aufbau und die Funktionsweise von Windrädern zu analysieren, deren Energieumwandlungsprozesse zu beleuchten und die relevanten ökologischen, ökonomischen und sozialen Rückkopplungen sowie politische Einflüsse im Kontext der Energiewende darzustellen.
- Aerodynamische Energiewandlung und ihre Prinzipien.
- Struktur, Komponenten und Funktionsweise von Windkraftanlagen.
- Analyse von Transfersignalen und Rückkopplungsprozessen (technisch, ökologisch, ökonomisch, sozial).
- Die Rolle der Windenergie im Rahmen der deutschen Energiewende.
- Wirtschaftliche Aspekte, Wirkungsgrade und politische Rahmenbedingungen der Windenergienutzung.
- Kritische Betrachtung und Zukunftsaspekte der Windenergietechnologie.
Auszug aus dem Buch
Energieformen
Windenergie ist die kinetische Energie bewegter Luft (von griechisch kinesis = Bewegung). Bei der Umwandlung in elektrische Energie durch eine Windenergieanlage muss die Energie des Windes über die Rotorblätter zunächst in mechanische Rotationsenergie gewandelt werden, die dann über einen Generator elektrischen Strom liefert. Die Wandlung der kinetischen Energie des Windes in elektrische Energie unterliegt, wie alle Energiewandlungen, energetischen „Verlusten“. So kann dem Wind rein physikalisch nicht mehr als 59 % der Leistung entnommen werden (siehe Betz und Leistungsentnahme). Zusätzlich kommen noch aerodynamische Verluste durch Reibung und Verwirbelungen am Rotorblatt hinzu. Circa weitere zehn Prozent Verluste entstehen durch Reibung in den Lagern und dem Getriebe sowie im Generator selbst, in den Umrichtern und den Kabeln als elektrische Verluste.
Kinetische Energie
Jede bewegte Masse m (Körper, Flüssigkeit oder Gas) enthält kinetische Energie Ekin. Sie ist gleich der Hälfte der Masse des Körpers mal dem Quadrat der Geschwindigkeit v. Für Windenergieanlagen ist die bewegte Masse die Luft, die durch die Rotorfläche der Windenergieanlage strömt.
Ekin = ½ mv²
Energie und Leistung
Der Luftdurchsatz, auch Massenstrom ṁ genannt, der in einer bestimmten Zeit durch die von den Rotorblättern überstrichene Fläche eines Windenergierotors (so genannte Rotorebene) strömt, kann durch die Multiplikation von Rotorfläche, Luftdichte und Windgeschwindigkeit zum Quadrat berechnet werden:
m = Αχρχν
Die Leistung P ist gleich der Energie E pro Zeiteinheit. Somit ergibt sich für die Leistung des Windes:
Pwind E = ½ mv²
Da der Luftdurchsatz proportional und die Energie des Windes vom Quadrat der Windgeschwindigkeit abhängig ist, ist die Leistung des Windes von der dritten Potenz der Geschwindigkeit abhängig.
Pwind = ½ 𝞀𝜋R²v³
Somit ist der entscheidende Faktor für die Leistung des Windes seine Geschwindigkeit. Nimmt die Windgeschwindigkeit um das Dreifache zu, so wird die Leistung um 3x3x3 = 27 Mal größer. Die Dichte der Luft hat einen linearen Einfluss auf die Leistung. Kalte Luft ist dichter als warme Luft, somit liefert eine Windenergieanlage bei gleicher Windgeschwindigkeit z. B. bei -10°C ca. 11% mehr Leistung als bei +20°C. Da die Dichte der Luft auch vom Umgebungsdruck abhängig ist, haben Hoch- und Tiefdruckgebiete, sowie die Höhenlage des Standorts einen Einfluss auf Leistung und Ertrag eines Windrades.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Dieses Kapitel führt in die Thematik der aerodynamischen Energiewandlung durch Windkraftanlagen im Kontext der klimaneutralen Stromerzeugung in Deutschland ein und skizziert die Struktur der Arbeit.
2. Systembeschreibung: In diesem Kapitel (detailliert im Anhang) werden der Aufbau und die einzelnen Komponenten von Windkraftanlagen erläutert, um deren Funktionsweise zu verstehen.
3. Transfersignale: Hier werden die elektrischen, mechanischen und thermischen Ein- und Ausgangssignale von Windturbinen analysiert sowie relevante technische, ökologische, ökonomische und soziale Rückkopplungen identifiziert.
4. Relevanz im Zusammenhang mit der Energiewende: Dieses Kapitel beleuchtet die Bedeutung der Windenergie für die Energiewende, insbesondere hinsichtlich der Stromerzeugungskosten, der Wirkungsgrade der Wandlungssysteme und politischer Rahmenbedingungen.
5. Zusammenfassung & Ausblick: Das Schlusskapitel fasst die zentralen Erkenntnisse zur Windenergie als wichtigen Beitrag zur Energiewende zusammen, widerlegt gängige Kritikpunkte und gibt einen Ausblick auf die notwendige Weiterentwicklung.
8. Anhang: Der Anhang enthält detaillierte Ausführungen zu Systembeschreibungen, Ursachen und Wirkungen, Kosten der Stromerzeugung, Wirkungsgraden und politischen Einflüssen, die aus Platzgründen aus dem Fließtext ausgelagert wurden.
Schlüsselwörter
Windenergie, Energiewandlung, Windkraftanlage, Aerodynamik, Regenerative Energie, Stromerzeugung, Rückkopplung, Energiewende, Systemkomponenten, Wirkungsgrad, Stromgestehungskosten, Politische Einflüsse, Infraschall, Rotationsenergie, Klimaneutralität
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Diese Arbeit behandelt die aerodynamische Energiewandlung durch technische Systeme, insbesondere Windkraftanlagen, und ihre Rolle bei der klimaneutralen Stromerzeugung in Deutschland.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Themenfelder umfassen den Aufbau von Windkraftanlagen, die Analyse von Transfersignalen und Rückkopplungen (technisch, ökologisch, ökonomisch, sozial) sowie die Relevanz und die politischen Einflüsse der Windenergie im Kontext der Energiewende.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das primäre Ziel ist die Analyse der Windenergie als erneuerbare Energiequelle für eine klimaneutrale Stromversorgung, indem ihre technischen Prozesse, systemischen Wechselwirkungen und gesellschaftlich-politischen Rahmenbedingungen untersucht werden.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer deskriptiven Systemanalyse, die den Aufbau von Windkraftanlagen beschreibt, deren Energieumwandlungsprozesse beleuchtet und die identifizierten Signale sowie Rückkopplungseffekte systematisch darstellt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil behandelt die detaillierte Systembeschreibung der Windkraftanlagen, die Zuordnung von Merkmalen zu Transfersignalen, die Identifizierung verschiedener Rückkopplungsarten und die Relevanz der Windenergie im Zusammenhang mit der Energiewende, einschließlich Kosten, Wirkungsgraden und politischen Einflüssen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird charakterisiert durch Schlüsselwörter wie Windenergie, Energiewandlung, Windkraftanlage, Aerodynamik, Regenerative Energie, Stromerzeugung, Rückkopplung, Energiewende, Systemkomponenten, Wirkungsgrad, Stromgestehungskosten, Politische Einflüsse, Infraschall, Rotationsenergie und Klimaneutralität.
Welche Arten von Rückkopplungen werden im Kontext von Windkraftanlagen identifiziert?
Im Kontext von Windkraftanlagen werden technische, ökologische, ökonomische und soziale Rückkopplungen identifiziert, die die Funktionsweise und Akzeptanz der Anlagen beeinflussen.
Wie wird die Leistung des Windes in einer Windkraftanlage berechnet und welche Faktoren beeinflussen sie maßgeblich?
Die Leistung des Windes hängt maßgeblich von der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit, der Rotorfläche und der Luftdichte ab. Die kinetische Energie des Windes wird nach der Formel Ekin = ½ mv² berechnet.
Welche Rolle spielt die 10H-Regelung in Bayern für den Ausbau der Windenergie?
Die 10H-Regelung in Bayern schreibt einen Mindestabstand von Windkraftanlagen zum 10-fachen ihrer Höhe zu Wohngebäuden vor, was den Ausbau von Windenergieanlagen in dieser Region stark eingeschränkt und unattraktiv gemacht hat.
Welche Kritikpunkte gibt es an Windkraftanlagen, insbesondere bezüglich Infraschall, und wie werden diese im Dokument behandelt?
Ein häufiger Kritikpunkt ist der sogenannte Infraschall, dem gesundheitliche Auswirkungen zugeschrieben werden. Die Arbeit weist jedoch darauf hin, dass Studien die wissenschaftliche Belegbarkeit dieser Zusammenhänge nicht bestätigen und eher Nocebo-Effekte eine Rolle spielen könnten.
- Arbeit zitieren
- Simon Münster (Autor:in), 2021, Aerodynamische Energiewandlung. Technische Systeme - Aerodynamik, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1390063
