Problematik der Windkraftanlagen

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1 Dietrich-Bonhoeffer-Gymnasium Wiehl Problematik der Windkraftanlagen Facharbeit im Projektkurs Erneuerbare-Energien Abiturjahrgang 2013 vorgelegt von Tim Colin Pack Abgabetermin: Note: Punktzahl: Kursleiterin: Herr Geck (Unterschrift)

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Geschichte der Windenergie Elektrizität aus Wind Bau einer Windkraftanlage Standortwahl Genehmigung Baukosten Wirtschaftlichkeit Betriebskosten Erlöse Problematik der Windkraftanlagen Negativ Faktoren Energiespeicher Neue Denkansätze Fazit...11 Literaturverzeichnis...12 Seite: 2

3 1. Einleitung In dem folgendem Text werde ich versuchen den Aufbau und die Funktionsweise einer Windkraftanlage darzustellen. Ebenso werde ich auf die Entwicklung einer solchen eingehen und mich mit der Geschichte der Windenergie beschäftigen. Ich habe dieses Thema gewählt, da ich mich schon im Projektkurs mit dem Thema Windenergie auseinandergesetzt habe und selbst eine Windkraftrad mit einem Mitschüler konstruiert habe. Mich interessiert ob sich eine solche Anlage wirklich lohnt und wo die Probleme bei der Energiegewinnung aus dem ja unendlichen Rohstoff Wind liegen. Am Schluss werde ich mich mit der Problematik warum die Windenergie nicht schon längst andere Energien verdrängt hat, beziehungsweise wo die Probleme liegen. 2. Geschichte der Windenergie Die Geschichte der Windenergie geht bis in die Zeit vor unserer Zeitmessung zurück. Die ersten ernstzunehmenden Beweise mit Quellen kommen aus den Jahren um 600 n.chr.. Zu dieser Zeit wurde der Wind allerdings ausschließlich als Antrieb mechanischer Arbeiten eingesetzt. Wie zum Beispiel zur Bewässerung als Schöpfe, Mahlen von Getreide und anderen Arbeiten. Solche Getreidemühlen waren hauptsächlich im persisch-arabischen Raum verbreitet, da dort starke Nordwestwinde mit bis zu 200km/h vorherrschten. Es werden heutzutage immer noch Ruinen solcher Windräder gefunden. Aufgrund der schlecht Windverhältnisse in Europa breitete sich diese Technik vorerst nicht so stark nach Westen aus. Vor allem in Binnenländern wie Österreich wurden häufiger Wasserläufer benutzt. Die Tatsache das dort die Städte häufig an einen Fluss gebaut waren verstärkte dies. So konnte sich die moderne Windkraftnutzung erst durchsetzen, nachdem es möglich war Elektrizität mithilfe der Windkraft zu Seite: 3

4 erzeugen. [1] Im 19. Jahrhundert machte Windenergienutzung einen weiteren technologisch großen Schritt. Die bis dahin gebauten Mühlen mussten bei Sturm immer gesichert werden, da Wind von einer falschen Seite, die Konstruktionen stark beschädigen konnte. In Nordamerika entwickelte man die Westernmill, welche die erste Mühle, die sich bei Sturm selbständig aus dem Wind drehen konnte und somit nicht beschädigt wurde. Sie wurde hauptsächlich zum Wasserpumpen eingesetzt. Mit diesem Fortschritt und der Möglichkeit Mühlen industriell herzustellen war der Weg für einen Einsatz im großen Stil frei. Doch durch die Entwicklung der Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren zur selben Zeit, wurde die Windkraft vorerst zurückgedrängt. 2.1 Elektrizität aus Wind Da im 19. Jahrhundert die Nutzung der Elektrizität auch für die Bevölkerung ein wichtiges Hilfsmittel zu werden begann und die Städte in einem hohem Tempo elektrifiziert werden mussten wurde es immer mehr ein Problem auf die abgelegenen Dörfer auf dem Land mit Strom zu versorgen. Um die 1920er Jahre waren schon fast alle Dörfer Deutschlands an das Übertragungsnetz angeschlossen, doch war eine solcher Fortschritt in vielen anderen Länder längst noch nicht möglich. Aufgrund dieser Tatsache versuchten Wissenschaftler in der zweiten Hälfte des 19ten Jahrhundert verstärkt eine Lösung mit Hilfe von Windrädern elektrische Energie zu erzeugen. Es wurde in Betracht gezogen die zu dieser Zeit noch sehr verbreiteten Windmühlen mit Dynamos auszustatten und somit die mechanische- in elektrische Energie umzuwandeln baute Charles Francis Brush eine Windkraftanlage indem er die Basis der Westernmills verwendete. Der Professor Poul La Cour an einer Volkshochschule in Askov beschäftigte sich schon seit Anfang des 19. Jahrhunderts mit dem Einsatz von Windenergie zur Stromerzeugung. Er baute 1891 ebenfalls ein experimentelle Windkraftanlage zum Antrieb eines Dynamos. Den entstandenen Strom benutzte er zur Elektrolyse und speicherte das so erzeugte Wasserstoffgas um später die Beleuchtung des Schulgeländes mit Gaslampen zu Seite: 4

5 gewährleisten. Durch seine Windkanalversuche war La Cour sich zwar bewusst, das aerodynamisch geformte Flügel einige Vorteile besaßen, doch setzte er bei seien Entwürfen auf die mit vier Rotorblättern und Jalousieflügeln ausgestattete traditionelle Mühlenbauweise. So erreichte er mit Rotordurchmessern mit bis zu 20m Leistungen von 10 bis ca. 35kW. [2] Später kam er zu dem Konzept der Schnellläufer, welche nicht mehr vom Wind gebremst wurden und deren Flügelspitzen sich schneller als der Wind bewegten wurde erstmals das Betz'sche Gesetz von Albert Betz formuliert, welches zeigt das eine Windkraftanlage maximal 59,3% [3] der kinetischen Energie des Windes nutzen kann. Dieses Gesetz ist auch heute noch Grundlage für die Auslegung der Anlagen wurde ein Vertikalläufer entwickelt der eine Schnelllaufzahl von etwa 1,6 besaß und dessen Turbine gleichzeitig als Auftriebs- sowie Widerstandsläufer zu bezeichnen war. Für die von dem Schiffsoffizier Sigurd Savonius konzipierte Anlage existiert bisher noch kein gültiges physikalisch-mathematisches Modell. Kurz danach wurde in den USA von dem Franzose Georges Darrieus 1931 der Darrieus-Rotor patentiert, wobei es sich zwar um einen Schnellläufer handelte, aber ebenfalls eine Baumform mit vertikaler Achse besaß. Mit der Entwicklung der Windkraftanlage StGW-34 setzte der Erfinder Ulrich Hütter 1957 einen Meilenstein in der Geschichte der Windenergienutzung, denn sie gilt als Grundmodell aller modernen Freifahrenden Turbinen. Diese Anlage hatte einen Rohtordurchmesser von 34 Metern und eine Nennleistung von 100 kw. [4] Das im gleichen Jahr gebaute Dänische Projekt brachte es auf 200 kw. Sie hatte drei Flügel, welche aus Stabilitätsgründen untereinander abgespannt waren. Aus kosten gründen wurde sie zwar 1966 stillgelegt, doch schon 1977 im Rahmen eines Abkommens einer dänischen Institution mit der NASA wieder zu Forschungszwecken in Betrieb genommen. Das dänische Modell setzte sich Anfang der 1980er Jahre auch in den USA durch. So wurden jetzt auch Konstruktionen bis in die 500-kW-Klase möglich. Im 21. Jahrhundert ist es nun möglich Windkraftanlagen für Offshore Parks mit bis zu 110m Rotordurchmesser und 4,5 MW Nennleistung zu errichten. Seite: 5

6 3. Bau einer Windkraftanlage 3.1 Standortwahl Die Standortwahl geht vor allem anderen, bei der Errichtung einer Windkraftanlage, dabei gilt je stärker und vor allem konstanter der Wind an einem Ort weht, desto besser geeignet ist dieser als möglicher Standort. Um den Standort am besten bestimmen zu können wird von den Verantwortlichen immer ein Standortgutachten eingeholt. Dieses beurteilt unter anderem dem Jahresenergieertrag, beschreibt die Windverhältnisse am Standort und erläutert eventuelle Risiken. Häuser,Bäume und Berge können die Geschwindigkeit und Richtung des Windes mit unter stark verändern, deshalb sollte der Abstand einer Windkraftanlage zu einem Hindernis mindestens 15- bis 20-mal so groß sein wie seine Höhe, oder eine größere Höhe als die des Hindernisses haben. In Binnenländern, gibt es zu viele Einflüsse, die eine Berechnung der Windgeschwindigkeit zu ungenau machen, da diese den Einfluss von rauem Gelände und anderen Hindernissen kaum erfasst. So müssen dort Messungen ausgeführt werden um an Daten für die Planung zu gelangen, allerdings sollte diese immer auf Höhe der späteren Nabe des WKA's liegen, da sonst die Ergebnisse durch Hindernisse verfälscht werden könnten. Offshore-Windenergieanlagen haben den Vorteil, das auf dem Meer keine derartigen Hindernissen den Wind beeinflussen. Um die Natur nicht zu schädigen und die Schifffahrt nicht zu behindern müssen solche Parks in Deutschland immer mindestens 30 km Abstand zur Küste haben. Hinzu kommt zu der Standortwahl auch die Vorranggebiete in Gemeinden. Die sind Gebiete in denen WKA's gebaut werden dürfen. Die Gemeinden bestimmten diese Flächen also selber. [5] 3.2 Genehmigung Nach der Standortwahl ist grundsätzlich eine Baugenehmigung für den Bau einer Windkraftanlage nötig. Je nach Anzahl der zu bauenden Anlagen muss auch noch eine Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP) durchgeführt werden. Bei bis zu zwei Anlagen ist dies nicht der Fall, bei drei bis fünf Anlagen muss sie erst nach einer Seite: 6

7 Standort bezogenen vorzeitigen Prüfung des Einzelfalls durchgeführt werden. Erst ab 20 Anlagen ist eine UVP unabdingbar. Die UVP bewertet wie sich die Anlage auf die Umwelt auswirkt, dabei wird der optische Eindruck, der Geräuschpegel, der Schattenwurf und der Einfluss auf die Tier- und Pflanzenwelt berücksichtigt. Unumgängliche Eingriffe in die Natur sind nach dem Bundesnaturschutzgesetz in Deutschland soweit wie möglich zu unterlassen und auszugleichen. Die Wertung der eventuellen Auswirkungen, regeln die Gesetzte der jeweiligen Bundesländer. Ein entscheidender Faktor bei der Genehmigung ist die Flora-Fauna-Habitat- Verträglichkeitsprüfung (nach der FFH-Richtlinie der EU). Diese schützt den Lebensraum bedrohter Tier- und Pflanzenarten und es wird geprüft ob der Lebensraum einer Geschützen Tierart beeinträchtigt wird. [6] Ebenfalls ist je nach Struktur der anliegenden Siedlungen ein Geräuschgutachten erforderlich. Zwar Beträgt der Schallpegel einer 1,5 Megawatt-Anlage an der Gondel bei etwa 105dB (bei Wind mit 10m/s), doch nimmt dies bei einer Entfernung von 100m auf rund 50dB ab, was etwa einer Lautstärke einer normalen Unterhaltung entspricht. Für eine Baugenehmigung sind bestimmt maximale Grenzwerte einzuhalten, die je nach Siedlungsstruktur unterschiedlich sind. [7] Tag Nacht Industriegebiete 70 db(a) 70 db(a) Gewerbegebiete 65 db(a) 50 db(a) Kerngebiete, Dorfgebiete, Mischgebiete 60 db(a) 45 db(a) Wohngebiete, Kleinsiedlungsgebiete 55 db(a) 40 db(a) Reine Wohngebiete 50 db(a) 35 db(a) Kurgebiete, Krankenhäuser, Pflegeanstalten 45 db(a) 35 db(a) 3.3 Baukosten Da die Nachfrage an Windkraftanlagen steigt, werden sie nun nicht mehr in Einzelarbeit hergestellt, sondern können in größeren Stückzahlen gefertigt werden und die günstigen Rahmenbedingung, wie zum Beispiel staatliche Forschungs-,Entwicklungs- und Fördermaßnahmen, sowie günstige Finanzierungsmöglichkeiten, den Preis für den Bau einer Windkraftanlage senken, ist der Preis in den vergangenen 20 Jahren stark gesunken. Der Preis hängt von der Leistung der jeweiligen Anlage ab. Man kann bei großen Anlagen ca. mit 800 bis Euro pro Megawatt rechnen. Bei kleineren Anlagern können die Preise bei bis Seite: 7

8 zu Euro pro kw kosten. So würde also eine Anlage mit 2,5MW ca. 2.5 Millionen Euro kosten. Der Turm und der Rotor machen zusammen fast die Hälfte der Anlagenkosten aus. Das Getriebe und der Generator verursachen ebenfalls große kosten. Die Investitionsnebenkosten betragen auch nochmal 20 bis 30 Prozent der Anlagenkosten. Hier stellen das Fundament und die Netzanbindung den höchsten Kostenfaktor dar. [8] 4 Wirtschaftlichkeit 4.1 Betriebskosten An den Betriebskosten haben die Instandhaltung beziehungsweise die Wartungskosten den größten Anteil darstellen. Versicherungen, Steuern und Pachtgebühren zählen ebenfalls zu den Betriebskosten. Von 1,5 bis 2 Prozent der Investitionskosten der Windkraftanlage pro Jahr wird bei heutigen Kalkulationen ausgegangen. Umso älter eine Anlage wird, desto höher werden die Seite: 8

9 Wartungskosten, wobei man bedenken muss, dass heutige Windkraftanlagen dafür ausgelegt sind 20 Jahre lang Strom zu erzeugen. [9] 4.2 Erlöse Laut dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) entstehen die Erlöse aus dem vom Netzbetreiber zu zahlenden Einspeisevergütung für den Strom der in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird. Hierbei wird jede Kilowattstunde (kwh) Strom aus Windenergie mit einem festgelegtem Betrag vergütet. Zurzeit liegt dieser Vergütungssatz bei 4,92 Cent pro kwh, allerdings kommt in den ersten 5 Jahren ab Inbetriebnahme der Anlage eine zusätzliche Anfangsvergütung von 9,20 Cent pro kwh hinzu. Dieser wird Jährlich um einen Prozentpunkt gesenkt. Die tatsächlichen Erlöse hängen stark von deren Auslegung und den Windgeschwindigkeiten am Standort ab. 5. Problematik der Windkraftanlagen 5.1 Negativ Faktoren Die Kosten für den Bau einer Anlage sind immens. Eine kosteneffizient Energie Seite: 9

10 Lösung für Privatpersonen stellen sie also sicher nicht dar. Sie rechnen sich also nur in größeren Projekten wie Offshorewindparks bzw. Windparks die von größeren Investoren finanziert werden. Durch den Bau einer Windkraftanlage oder eines Windparks wird Natur geschädigt. Beim Bau wird sorgfältig geprüft ob der Schaden nicht zu groß ist, doch verbraucht eine Windkraftanlage sehr viel Platz. 5.2 Energiespeicher Die Speicherung der erzeugten Energie der Windkraftanlagen ist mit das größte Problem. Der Strom wird nicht immer benötigt und Wind ist kein zu 100 Prozent kalkulierbarer Faktor. Üblicherweise wird der Strom direkt in das Stromnetz geleitet, doch was wenn der Strom nicht benötigt wird? Es gibt bereits Projekte die eine Speicherung der überschüssigen Energie vorsehen. Der Energieversorger RWE arbeitet zum Beispiel an einem Projekt, wobei die Windkraftanlage einen Kompressor antreiben der Druckluft in unterirdische Tanks pumpt. Bei Bedarf wird die Luft durch eine Turbine wieder zu Strom umgewandelt. 5.3 Neue Denkansätze Wie zuvor bereits beschrieben kann nach dem Betz'schen Gesetz eine Windkraftanlage maximal 60 Prozent der mechanischen Leistungen die der Wind ohne den bremsenden Rotor in Nutzleistung umwandeln. Doch da liegt auch nicht das eigentliche Problem. Das Problem ist die mangelnde Konstanz des Faktors Wind. Also muss eine Lösung gefunden werden, die Energie die während der Wind weht zu speichern und später wieder abzugeben. Eventuelle wäre auf eine Kopplung zweier erneuerbaren Energien möglich. Diese würden dann zum Beispiel auf Offshore Parks durch die Windenergie, Wasser in einen Tank pumpen, welches später durch Turbinen wieder in Energie umgesetzt werden könnte. Seite: 10

11 6. Fazit Rückblickend lässt sich sagen, das die Windenergie zwar schon eine lange Zeit der Entwicklung und Forschung hinter sich hat, das aber noch vieles zu verbessern ist. Außerdem stehen die erneuerbaren Energien mit der Energie-wende vor einem Neuanfang. Die fossilen Brennstoffe gehen aus und die Forscher konzentrieren sich auf Alternativen. Das Hauptaugenmerk ist hierbei auf die Speicherung der Energie zu legen, da die jetzigen Methoden diese mit zu viel Verlust speichern. Seite: 11

12 Literaturverzeichnis [1] = [2]= m [3] = [4]= Berlin_GroWiAn.pdf [5]= [6]= [7]= [8]= [9]= Seite: 12