Ziel der vorliegenden Arbeit ist, das Potential für Windenergieanlagen, zur Gewinnung elektrischer Energie, in Österreich abzuschätzen und standortspezifische Empfehlungen für geeignete Windenergieanlagen - Varianten zu entwickeln. Hierzu werden zunächst einige Grundlagen über die Entstehung und Auswirkung des Windes unter verschiedenen Bedingungen erläutert. Globale Windsysteme und deren Einfluss auf regionale Windsysteme, sowie die Beschaffenheit des Bewuchses und der Bebauung eines Gebietes sind ebenso von Bedeutung für die Auslegung einer WindEnergieAnlage (WEA), wie die Kenntnisse der Windverteilung in den bodennahen Luftschichten. Für die Auswahl eines Windenergie-Standortes sind spezielle Meßmethoden für eine effiziente Windmessung einzusetzen. Diese Messungen ermöglichen eine effiziente Abschätzung der zu erwartenden Energieerträge und sind daher für die Planung und Errichtung einer Windenergieanlage notwendig. Neben der theoretischen Berechnung der Energie aus dem Wind, werden noch allgemeine Aspekte zur Standortwahl dokumentiert, wobei der Schallschutz besonders betrachtet wird. Der Stand der Technik soll einen ausführlichen Überblick über die in Österreich zur Zeit installierten Windenergieanlagen geben und auf die aktuellen Anlagenkonzepte eingehen. In Ergänzung dazu, werden Windmessdaten automatischer Wetterstationen mit den anlagenspezifischen Winddaten der Windenergieanlagen verglichen und resultierend daraus potentielle Gebiete für die Windenergienutzung gesucht. Eine Betrachtung von drei typischen Anlagenkonzepten, soll zu einer Empfehlung für den Einsatz verschiedener Windanlagen führen. Eine Potentialabschätzung der Energieerträge und eine darauf basierende Investitionsrechnung soll einen Überblick über die wirtschaftlichen Aspekte der Windenergie-Nutzung geben.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Entstehung des Windes
2.1 Grundbegriffe
2.2 Wie entsteht Wind ?
2.3 Lokale Wind Systeme
3. Windmessung
3.1 Übersicht über Sensoren
3.1.1 Schalenkreuz - Anemometer
3.1.2 Windrichtungsgeber
3.1.3 Luftdruck- und Temperaturgeber
3.1.4 Vermeidbare Fehler bei der Windmessung
3.1.5 konventionelle Messmethode
3.1.6 Windprofilmessung mit Schallwellen (SODAR)
4. Energie aus dem Wind
5. Aspekte zur Standortwahl
5.1 Allgemeine Punkte
5.2 Windklimatologie
5.3 Schallschutz
6. Stand der Technik - Anlagenbestandteile und Begriffe
6.1 Leistung
6.2 Rotor
6.2.1 Rotorblätter
6.3 Regelsysteme
6.3.1 Stall – Regelung
6.3.2 Aktiv-Stall Regelung
6.3.3 Pitch –Regelung
6.3.4 Kombinierte Systeme
6.4 Turm
6.5 Gondel
6.6 Getriebe
6.7 Generator
6.7.1 Polumschaltbarer Asynchrongenerator
6.7.2 Generator mit variablem Schlupf
6.7.3 Doppeltgespeister Asynchrongenerator
6.7.4 Generator mit Indirekte Netzankopplung
6.7.5 Permanenterregter Ringgenerator
7. WEA in Österreich (>30KW)
8. Windbereiche in Österreich
8.1 Auswertung der Messkurven
8.1.1 Wien, Niederösterreich, Burgenland
8.1.2 Steiermark und Kärnten
8.1.3 Salzburg und Oberösterreich
8.1.4 Tirol und Vorarlberg
9. Empfehlungen für die Auswahl v. WEA für typische Standortvarianten
9.1 Aufstellung in Windparks
9.1.1 Beispielanlage Nordex N90 2300kW
9.1.2 Beispielanlage Vestas V80 2000kW
9.1.3 Beispielanlage Enercon E66 1800kW
9.1.4 Begründung für den Einsatz der Beispielanlagen in Windparks
9.2 Aufstellung in Gebirgsregionen
9.2.1 Beispielanlage Bonus 1,3 MW
9.2.2 Begründung für den Einsatz der Beispielanlage in Gebirgsregionen
9.3 Aufstellung als Einzelanlage
9.3.1 Beispielanlage Windtec 1500
9.3.2 Begründung für den Einsatz der Beispielanlage als Einzelanlage
9.4 Potentialabschätzung der elektr. Energieerträge
9.5 Investitionsberechnung
10. Zukünftige Entwicklungen
11. Zusammenfassung
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, das Potential für die Gewinnung elektrischer Energie mittels Windkraftanlagen in Österreich zu quantifizieren und standortspezifische Empfehlungen für geeignete Anlagentypen zu formulieren.
- Grundlagen der Meteorologie und die Entstehung von Windsystemen.
- Methodik der Windmessung und Bedeutung der Standortwahl unter Berücksichtigung ökologischer und technischer Aspekte.
- Stand der Technik aktueller Windenergieanlagen und deren Anlagenkonzepte.
- Analyse des Windangebots in österreichischen Regionen anhand von Messdaten der ZAMG.
- Wirtschaftliche Potentialabschätzung und Investitionsrechnung für unterschiedliche Standorte.
Auszug aus dem Buch
3.1.6 Windprofilmessung mit Schallwellen (SODAR)
„Das SODAR-System ist ein akustisch arbeitendes Messverfahren, welches die windspezifischen Größen wie z.B. die Wind-Geschwindigkeit und –Richtung erfasst. Drei generierte Schallimpulse werden nacheinander unter definiertem Winkel in drei Raumrichtungen ausgesendet. Das an Inhomogenitäten aus der Atmosphäre zurückgestreute Signal wird auf Dopplerverschiebung analysiert. Diese zeitaufgelöste Verschiebung ist ein Maß für die Windgeschwindigkeit aus einer definierten Messhöhe und beinhaltet die Messgrößen zur Errechnung der Windrichtung.
Das Sodarsystem ermöglicht die berührungslose Messung der Windverhältnisse vom Erdboden aus. Die aufwendige Installation von Windmessmasten (WMM) mit der derzeit zum Standard zählende Sensorik – kalibrierte Anemometer und Windfahnen – entfällt gänzlich. Die Höhe der WMM stößt an ihre Grenzen. Nabenhöhen bei modernen WEA von 100 m sind keine Seltenheit mehr. Die Errichtung von WMM die diese Anlagen vermessen können, ist sehr kostenintensiv“.
„Das SODAR-System stellt einen mobilen Mast -Ersatz für Messhöhen bis zu 200 m dar. Das Messsystem ist schnell zu installieren und kann somit an mehreren nahegelegenen Messstandorten eingesetzt werden. Es ist durch seine geringe Abmessung keine optische Beeinträchtigung. Durch die einstellbare Auflösung kann in Höhenstufungen von 5 oder 10 m gemessen werden. Das System wurde so konzipiert, dass es autark über mehrere Tage betrieben werden kann. Ein weiterer großer Vorteil ist, dass keine Baugenehmigung für die Installation eines SODAR-System erteilt werden muss.
Im Gegensatz zum WMM kann ein SODAR-System auch in komplexem und schwer zugänglichem Gelände eingesetzt werden. Die Akzeptanz der Bevölkerung zeigte sich bei zahlreichen Messungen als positiv“.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Diese Einleitung skizziert den wachsenden Energiebedarf Österreichs und die Rolle der Windkraft als klimaschonende Alternative zur Erreichung gesetzlicher Klimaschutzziele.
2. Entstehung des Windes: Es werden die meteorologischen Grundlagen erläutert, wie Wind entsteht und welche Faktoren, wie globale Zirkulation oder Bodenrauhigkeit, dessen Geschwindigkeit und Verhalten beeinflussen.
3. Windmessung: Dieses Kapitel behandelt notwendige Sensoren und moderne Messverfahren wie SODAR, um präzise Daten für die Planung von Windparks zu erheben.
4. Energie aus dem Wind: Hier werden die physikalischen Grundlagen der kinetischen Energiegewinnung aus Windströmungen und der Betzsche Leistungsbeiwert theoretisch hergeleitet.
5. Aspekte zur Standortwahl: Die Autoren beschreiben rechtliche, ökologische und technische Kriterien, die für die Genehmigung und Eignung eines Standortes entscheidend sind.
6. Stand der Technik - Anlagenbestandteile und Begriffe: Eine detaillierte Übersicht über die technologischen Komponenten moderner Windenergieanlagen, inklusive Regelungssystemen und Generatortypen.
7. WEA in Österreich (>30KW): Das Kapitel gibt einen Überblick über die in Österreich installierten Windkraftanlagen und deren technische Entwicklung seit den 1990er Jahren.
8. Windbereiche in Österreich: Anhand von Messdaten der ZAMG werden verschiedene Regionen in Österreich auf ihr Windpotential für die Nutzung durch Windenergieanlagen analysiert.
9. Empfehlungen für die Auswahl v. WEA für typische Standortvarianten: Es werden spezifische Anlagentypen für Windparks, Gebirgsregionen und Einzelstandorte empfohlen, ergänzt durch eine Potentialabschätzung.
10. Zukünftige Entwicklungen: Dieses Kapitel befasst sich mit dem Ausbau der Windkraft in Österreich und gibt einen Ausblick auf geplante Projekte basierend auf politischen Rahmenbedingungen.
11. Zusammenfassung: Abschließend werden die zentralen Erkenntnisse der Arbeit zur Planung, Messung und wirtschaftlichen Rentabilität von Windkraftprojekten zusammengefasst.
Schlüsselwörter
Windkraft, Windenergieanlage, Windmessung, Standortwahl, Ertragsprognose, Asynchrongenerator, Ringgenerator, Windpark, Energiepotential, Investitionsrechnung, Österreich, Wetterdaten, Rotor, Regelsysteme, Schallschutz
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit befasst sich mit der Nutzung von Windenergie in Österreich, wobei ein Schwerpunkt auf der standortspezifischen Planung und der Auswahl geeigneter Anlagentypen liegt.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die Arbeit umfasst meteorologische Grundlagen, Techniken zur Windmessung, den Stand der Technik bei Anlagenteilen, eine Analyse des österreichischen Windpotentials sowie eine wirtschaftliche Investitionsrechnung.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das primäre Ziel ist es, das Potential für Windenergieanlagen in Österreich abzuschätzen und fundierte Empfehlungen für die Auswahl verschiedener Anlagentypen für typische Standortvarianten zu entwickeln.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit kombiniert theoretische physikalische Berechnungen zur Windenergie mit einer empirischen Auswertung von meteorologischen Daten der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG) und einer betriebswirtschaftlichen Investitionsanalyse.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in Grundlagen, Messverfahren (inklusive des SODAR-Systems), Anlagentechnik (Generatoren, Getriebe, Regelung), Standortkriterien sowie die praktische Auswertung von Messkurven an verschiedenen Standorten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Schlüsselbegriffe sind Windenergie, Windpark, Potentialabschätzung, Standortwahl, Asynchrongenerator und Investitionsrechnung.
Was ist der Vorteil eines Ringgenerators gegenüber konventionellen Systemen?
Der Ringgenerator ermöglicht den getriebelosen Betrieb, was zu einem höheren Wirkungsgrad, geringerem Gewicht und verringertem Wartungsaufwand führt, da keine Erregerleistung notwendig ist.
Warum ist das SODAR-System für moderne Windprojekte relevant?
Das SODAR-System bietet eine mobile, akustische Methode zur berührungslosen Windmessung, die auch in komplexem Gelände einsetzbar ist und Windprofile ohne aufwendige Masten bis zu 200 Meter Höhe erfassen kann.
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- Andreas Richter Dipl. Ing. (FH) (Author), 2002, Windkraft in Österreich - Entscheidungskatalog für die Planung und Errichtung von Windenergieanlagen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/8946
