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.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Grundlagen der Windenergiewandlung
3. Strom aus Wind - Die ersten Versuche
3.1 Historischer Exkurs - Bis zur Energiekrise 1973
3.2 Nach der Energiekrise ´73
3.3 Windfarmen in Amerika
4. Bauformen von Windenergieanlagen
4.1 Rotoren mit vertikaler Drehachse
4.2 Horizontalachsen-Rotoren
5. Stand der Windenergienutzung in Deutschland
6. Die Onshore-Windenergiegewinnung
6.1 Windmessungen und Auswertung
6.1.1 Windanalysen
6.1.2 Flächennutzungspläne
6.2 Belastungen und Leistungsregelung
6.2.1 Lasten auf den Rotor und die WEA
6.2.2 Leistungsregelung
6.3 Materielle Anforderungen
6.3.1 Rotorblatt
6.3.2 Nabe und Turm
6.3.3 Fundament
6.4 Transport, Betrieb und Wartung
6.4.1 Transport
6.4.2 Betrieb
6.4.3 Wartung und Instandsetzung
6.5 Netzanbindung
6.6 Kostensituation
6.6.1 Investitionskosten
6.6.2 Betriebskosten
6.6.3 Vergütung
6.7 Potentiale und Nutzung
6.7.1 Potentiale
6.7.2 Nutzung
7. Die Offshore-Windenergiegewinnung
7.1 Windmessungen und Auswertung
7.1.1 Windanalysen
7.1.2 Flächennutzungspläne
7.2 Belastungen und Leistungsregelung
7.2.1 Windlasten
7.2.2 Meereslasten
7.2.3 Leistungsregelung
7.3 Materielle Anforderungen
7.3.1 Rotorblatt
7.3.2 Nabe und Turm
7.3.3 Fundament
7.4 Transport, Betrieb und Wartung
7.4.1 Transport
7.4.2 Betrieb
7.4.3 Wartung und Instandsetzung
7.5 Netzanbindung
7.6 Kostensituation
7.6.1 Investitionskosten
7.6.2 Betriebskosten
7.6.3 Vergütung
7.7 Potentiale und Nutzung
7.7.1 Potentiale
7.7.2 Nutzung
8. Fachdidaktische Orientierung für die unterrichtliche Gestaltung zur Thematik Möglichkeiten der Windenergie im Unterrichtsfach Arbeit-Wirtschaft-Technik
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Die Arbeit analysiert die technologischen, wirtschaftlichen und standortspezifischen Möglichkeiten sowie Grenzen der Windenergienutzung, wobei ein direkter Vergleich zwischen Onshore- und Offshore-Anlagen gezogen wird, um deren Potenziale für die Energieversorgung der Zukunft zu bewerten.
- Historische Entwicklung der Windenergienutzung und technologische Evolution der Anlagen
- Vergleichende Analyse der mechanischen Belastungen und Leistungsregelung (Onshore vs. Offshore)
- Untersuchung der materiellen Anforderungen und Gründungskonzepte für verschiedene Standorte
- Diskussion der Kostensituation, Wirtschaftlichkeit und regulatorischer Rahmenbedingungen (EEG)
- Didaktische Konzepte zur Implementierung des Themenbereichs Windenergie in den Schulunterricht
Auszug aus dem Buch
Die Onshore-Windenergiegewinnung
Windanalysen werden sowohl für Deutschland als auch für Europa und weltweit schon seit mehreren Jahrzehnten durchgeführt (z.B. durch den Deutschen Wetterdienst) und sie liefern seit jeher Richtwerte über die an einem gewählten Standort zu erwartenden Windleistungen. Die Angaben beziehen sich i. Allg. auf die durchschnittlich pro Jahr zu erwartende Windgeschwindigkeit und bilden die Basis für jedes angestrebte WEA Projekt. Für die von Windkraftunternehmen favorisierten Standorte werden inzwischen Analysen für Monatszeiträume vorgenommen. Auf Basis der gewonnen Erkenntnisse über die Windgeschwindigkeiten lokaler Standorte werden Prognosen aufgestellt, die die durchschnittlich zu erwartenden Windgeschwindigkeiten wiedergeben und eine Wirtschaftlichkeitsprüfung ermöglichen.
Aufgrund der proportionalen Abhängigkeit der Windenergieanlagenleistung und der Energieerträge von der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit spielen die lokalen Windverhältnisse eine entscheidende Rolle. Neben den windklimatologischen Einflussfaktoren wie Geländeverlauf (Orographie), Oberflächenrauhigkeit (Topographie) und Hindernisse in der Nähe des Standortes (mechanische Turbulenzen), bestimmen die Luftdichte (abhängig von Temperatur und Luftdruck), die Temperatur sowie die Sonneneinstrahlung (thermische Turbulenzen, Luftschichtung) den Verlauf und die Stärke des Windes. /29, 30, 31/
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Diese Einleitung führt in die historische Bedeutung der Windkraft ein und skizziert das Ziel der Arbeit, den aktuellen Stand der Technik im On- und Offshorebereich zu vergleichen sowie didaktische Ansätze zur Windenergie aufzuzeigen.
2. Grundlagen der Windenergiewandlung: Das Kapitel erläutert die physikalischen Prinzipien des Energieentzugs aus dem Wind mittels Rotoren und definiert zentrale Kennzahlen wie den Leistungsbeiwert cP.
3. Strom aus Wind - Die ersten Versuche: Es wird die historische Entwicklung der Windenergienutzung betrachtet, angefangen bei frühen Versuchen vor der Energiekrise 1973 bis hin zur Entstehung erster Windfarmen in den USA.
4. Bauformen von Windenergieanlagen: Hier werden die verschiedenen technischen Bauformen von Rotoren mit vertikaler und horizontaler Drehachse gegenübergestellt und ihre aerodynamische Funktionsweise beschrieben.
5. Stand der Windenergienutzung in Deutschland: Dieses Kapitel analysiert die gesetzlichen Rahmenbedingungen, insbesondere das Stromeinspeisungsgesetz und das EEG, sowie den Ausbau der Windenergieanlagen in Deutschland.
6. Die Onshore-Windenergiegewinnung: Ein umfassendes Kapitel, das von Windanalysen über technische Belastungen, Materialanforderungen und Transportlogistik bis hin zur Kostenstruktur und den Potenzialen an Land reicht.
7. Die Offshore-Windenergiegewinnung: Analog zum Onshore-Kapitel werden die spezifischen Herausforderungen auf See behandelt, darunter Meereslasten, spezielle Gründungen, Montage auf rauer See und die komplexere Netzanbindung.
8. Fachdidaktische Orientierung für die unterrichtliche Gestaltung zur Thematik Möglichkeiten der Windenergie im Unterrichtsfach Arbeit-Wirtschaft-Technik: Das letzte Kapitel bietet einen Leitfaden für Lehrkräfte, um das Thema Windenergie im Rahmen eines AWT-Schulprojekts praxisorientiert zu vermitteln.
Schlüsselwörter
Windenergie, Onshore, Offshore, Windenergieanlagen, WEA, Aerodynamik, Leistungsregelung, Faserverbundwerkstoffe, Windpark, EEG, Netzanbindung, Investitionskosten, Betriebskosten, Standortanalyse, Didaktik
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
Die Arbeit befasst sich mit den Möglichkeiten und Grenzen der Windenergienutzung und vergleicht dabei die technischen und wirtschaftlichen Aspekte von Onshore- und Offshore-Windparks.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit behandelt die aerodynamischen Grundlagen, die Materialkunde, technische Anforderungen, logistische Herausforderungen bei Transport und Wartung sowie die ökonomischen Rahmenbedingungen durch das EEG.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das primäre Ziel ist die Herausarbeitung der spezifischen Eigenheiten, Potenziale und Grenzen von Windenergieanlagen in Onshore- und Offshore-Bereichen zur Einordnung ihrer Rolle in der zukünftigen Stromerzeugung.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer fundierten Literaturanalyse technischer Dokumentationen, Studien von Windenergie-Instituten und gesetzlicher Grundlagen, um den aktuellen Stand der Technik und Wirtschaftlichkeit wissenschaftlich aufzuarbeiten.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine detaillierte technische Analyse der Onshore- und Offshore-Windenergiegewinnung, inklusive Windmessungen, Belastungsbetrachtungen, technischer Auslegung und der ökonomischen Bewertung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zu den wichtigsten Begriffen zählen Windenergie, Onshore, Offshore, Windenergieanlagen, Aerodynamik, Gründungskonzepte, EEG und Wirtschaftlichkeit.
Wie unterscheidet sich die Belastungssituation zwischen Onshore- und Offshore-Standorten?
Während Onshore-Anlagen primär durch Windlasten und Turbulenzen beeinflusst werden, sind Offshore-Anlagen zusätzlich extremen Meereslasten, Strömungen, Korrosion und in manchen Regionen Eisgang ausgesetzt, was eine robustere Konstruktion und spezielle Gründungsformen erfordert.
Warum ist das "Repowering" im Onshore-Bereich ein zentrales Thema?
Repowering beschreibt den Ersatz älterer, unrentabler Anlagen durch moderne, leistungsstärkere WEA, was angesichts begrenzter Flächen für den weiteren Ausbau der Windenergie an Land immer wichtiger wird.
- Quote paper
- Lars Bloch (Author), 2004, Möglichkeiten und Grenzen der Windenergie - On- und Offshore im Vergleich, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/33947
