Windenergie. FOT- 12/13 Lerngebiet 12.17: Energieressourcen schonen, am von: Riccardo Wopat

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1 Windenergie FOT- 12/13 Lerngebiet 12.17: Energieressourcen schonen, am von: Riccardo Wopat

2 1. Was ist Wind? 1.1 Entstehung von Wind 1.2 Windvorkommen 1.3 BeeinträchKgungen 2. WindkraLanlagen 2.1 Bauarten 2.2 AuNau 3. Leistungsentnahme aus dem Wind 3.1 Erläuterung 3.2 Leistungsbeiwert 3.3 Beispielrechnung 4. WirtschaLlichkeit 5. Sicherheit 6. Auswahl des Standortes 6.1 On- /Off- shore 7. Vor- /Nachteile von WKA 8. Entwicklung 9. Übung 10. ZukunL Inhalt 2

2 Leistungsbeiwert 3.3 Beispielrechnung 4. WirtschaLlichkeit 5. Sicherheit 6.

3 Was ist Wind und wie entsteht er? Massenstrom Ungleiche Erwärmung der Erdoberfläche Temperaturunterschiede Kalte(Hochdruck) & warme(tiefdruck) LuL Kalte LuL verdichtet sich und fällt ab, warme LuL dehnt sich aus und steigt auf. Ausgleich der Druckunterschiede Größere Unterschiede = stärkere resulkerende Winde 3

Kalte(Hochdruck) & warme(tiefdruck) LuL Kalte LuL verdichtet sich und fällt

4 Entstehung von Wind Tag&Nacht 4

5 Entstehung von Wind Tag&Nacht 5

6 6

7 Windvorkommen Winsen(Luhe) beste Voraussetzungen bevorzugt in Küstengebieten in Süddeutschland vereinzelnd gute Windgebiete Offshore sehr gute Voraussetzungen 7

8 - - - Gebäude und andere Bebauungen bremsen den Wind aus daher opkmale Standortwahl außerhalb von Städten ebenfalls bedingt durch Geräuschentwicklung 8

9 WindkraLanlagen 9

10 Bauarten AuLriebsläufer höherer Wirkungsgrad ruhigere LaufeigenschaLen gelangen durch Mast, bzw Turm in höhere LuLschichten Widerstandsläufer niedrigere Anlaufgeschwindigkeit eher geeignet für turbulente Windverhältnisse keine Windnachführung notwendig 10

LuLschichten Widerstandsläufer niedrigere Anlaufgeschwindigkeit

11 AuNau einer horizontalen WindkraLanlage (mit Ring- Generator) 11

12 Rotorbläjer meist aus glasfaserverstärkten Kunststoff selten auch kohlefaserverstärkt bestehend aus jeweils 2 Halbschalen In Sandwich- Bauweise geferkgt integrierter Blitzschutz eingebaute Heizung, gegen Vereisung werden auf Biegung belastet ZentrifugalkräLe aus der RotaKon der Rotorbläjer konstante Zugbelastung bei konstanter Drehzahl 12

geferkgt integrierter Blitzschutz eingebaute Heizung, gegen Vereisung werden auf

13 Rotorblaj(Flügel) Prinzip des aerodynamischen AuLriebs durch Wölbung längerer Weg auf der Oberseite dadurch Schnellerer Fluss, als auf der Unterseite Druckunterschied zwischen oben(unterdruck) und unten(überdruck) 13

dadurch Schnellerer Fluss, als auf der Unterseite

14 Generatorprinzip Durch IndukKon Bewegung eines Magnepeldes Veränderung bewirkt Elektronenbewegung(Strom- Spannung) im Leiter(Spule) Stromfluss wird induziert Wechselstrom 14

15 Antrieb Normalantrieb Rotor Getriebe Generator Energieverlust durch Reibung benökgt Strom zum Anlaufen Wartungsempfindlich Direktantrieb Rotor Generator effizienter starke Permanent(meist Neodym)- oder Elektromagneten notwendig seltene Wartung von nöten(vorteil zb. bei Offshore- Anlagen) 15

Rotor Generator effizienter starke Permanent(meist Neodym)- oder

16 Das schmutzige Geheimnis sauberer hjp:// /watch? v=gcp2afp7xne Windräder (60 Nd Neodym) 16

17 Leistungsentnahme aus dem Wind Teilweise Entnahme von kinekscher Energie aus LuLstrom Umwandlung in RotaKonsenergie KineKsche Energie: Volumen: LuLmasse: 17

18 Volumen- & Massenstrom Ein Volumenstrom ist das Volumen, welches sich innerhalb einer Zeiteinheit durch einen Querschnijbewegt. Unter Massenstrom versteht man die Masse, die sich innerhalb einer Zeiteinheit durch einen Querschnij bewegt 18

19 Berechnung der sich theoreksch der LuL zu entnehmenden Leistung(P) Leistung: ρ= LuLdichte(Rho) in kg/m 3 19

20 Leistungsbeiwert(Wirkungsgrad) - max. 59,3% - Windgeschwindigkeit hinter dem Rotor muss abnehmen - Darf aber nicht zum SKllstand kommen v 1 = unbeeinflusstewind- geschwindigkeit vor dem Rotor v 2 = Windgeschwindigkeit in der Rotorfläche (2/3 von v 1 ) v 3 = Windgeschwindigkeit kurz hinter dem Rotor (1/3 von v 1 ) 20

zum SKllstand kommen v 1 = unbeeinflusstewind- geschwindigkeit vor dem Rotor v

21 Beispielrechnung Berechnen Sie die tatsächlich, durch den Rotor, entzogene Leistung einer WKA mit dem Rotordurchmesser 127m, sowie dem Leistungsbeiwert. Außerdem gegeben: - p=1013,25hpa - R=287,058J/kg*K - 25 C - v 1 =8m/s; v 2 =4,8m/s; v 3 =3m/s Formeln: ; 21

22 Rechnung: (LuLdichte) (theoreksche Leistung des unbeeinflussten LuLstroms) 1,184!"! =!!!! 63.5!!!(8!! )!! 2 (tatsächlich durch den Rotor entzogene Leistung)!! =!! 63,5! 1,184!"!! 2 8!!! 3!!! 4,8!!!! 22

23 (Leistungsbeiwert) A: Es werden ca. 52% der kinekschen Windenergie in mechanische Leistung umgesetzt. 23

24 WirtschaLlichkeit Baukosten 1030 pro kw E- 126 = 7,58- MW- Anlage = 8.1 Mio. Betriebskosten: Ca. 2% der Baukosten pro Jahr = Einspeisevergütung 8,84 Cent/kWh Onshore, Offshore ca. 15 Cent/kWh Bei 2000 Volllaststunde pro Jahr = MWh = pro Jahr (Onshore) Bei 4500 Volllaststunden pro Jahr = MWh = pro Jahr (Offshore) 24

25 Sicherheit Begrenzung durch Strömungsabriss (Stall) Rotorbläjer sind fest mit der Nabe verbunden nicht verstellbar ab gewisser Windgeschwindigkeit zunehmende Turbulenzen 25

26 Begrenzung durch Verdrehung der Rotorbläjer(Pitch) Rotorbläjer einzeln verstellbar werden bei hohen Windgeschwindigkeiten aus dem Wind gedreht dauerhale Überwachung von Windgeschwindigkeiten und Leistungsabgabe erforderlich erhöhter Kostenfaktor 26

27 Begrenzung durch KombinaKon aus Pitch & Stall hohe Sicherheit plötzliche Böen werden durch Stall ausgeglichen langanhaltender Starkwind wird von der Pitchsteuerung entschärl meist gewähltes Sicherheitssystem 27

28 Auswahl des Standorts das 10- Fache der Gesamthöhe(oder mindestens 1200m) als Mindestabstand zu Gebäuden, Naturschutzgebieten und anderen Bebauungen(laut NLT, regional aber abweichend) aufgrund von Lärmentwicklung und Schajenwurf Windvorkommen(oL und konstant) gute Bodenbeschaffenheit und Infrastruktur BerücksichKgung von Bürgerinteressen 28

29 Onshore Vorteile Schnellere Wartungen möglich kurzer Stromtransport geringere AuNaukosten Nachteile Beeinflussung des LandschaLsbildes Lärmentwicklung teilweise keine konstante Windentwicklung 29

30 Offshore Vorteile sehr gute und konstante Windbedingungen Verschonung des LandschaLsbildes größere Windparks möglich Nachteile wartungsempfindlicher (folgend längere Ausfallzeiten) höhere AuNaukosten lange Netzanbindungen für Stromtransport evtl. BeeinträchKgung der Tierwelt 30

31 Vor- & Nachteile von WKA Vorteile Wind als unbegrenzten Rohstoff langfriskg günskger Strom kurze Energierücklaufzeit Nachteile BeeinträchKgung des LandschaLsbildes(Onshore) Wind kann nicht gespeichert werden fast ausschließlich in Küstenregionen sinnvoll evtl. BeeinträchKgung der Tierwelt 31

32 Wohin mit überschüssigen Strom? Wind kann nicht gespeichert werden erzeugter Strom muss direkt abgenommen werden von Verbraucher oder Stromspeicher(Bsp. PSK) Im Norden produziert im Süden gebraucht veraltetes Stromnetz Verluste beim Transport 32

33 Entwicklung 33

34 Berechnen Sie die tatsächlich, durch den Rotor, entzogene Leistung einer WKA mit dem Rotordurchmesser 46m. Übung Außerdem gegeben: - p=1013,25hpa - R=287,058J/kg*K - 25 C - v 1 =8m/s; v 2 =4,8m/s; v 3 =3m/s 34

35 35

36 36

37 ZukunL Verbesserung bestehender Anlagen durch Re- powering Ausbau von Offshore Windparks 37

38 Danke! 38

39 Quellenangabe Folie 3-8 hjp:// lieben- segeln.de/theorie/wejer/entstehung- von- wind hjp://de.wikipedia.org/wiki/wind hjp:// logo.de/cms/bilder/a /80/0/0/4f4ebdc4/wind_tag_520x350.jpg hjp:// logo.de/cms/bilder/a /80/0/0/d5d87e58/wind_nacht_520x350.jpg hjp:// zukunl.de/erneuerbare- energien- menu/windenergie Folie 9-21 hjp://reneweconomy.com.au/wp- content/uploads/2012/11/wind- turbines17.jpg hjp://wotys.de/windkral.htm hjp:// windkralanlagen.com/news/verkkale- windkralanlagen- im- vergleich- mit- horizontalen- anlagen/ hjp://windenergie.lima- city.de/bilderinfoprojekt/winkralanlageturm.jpg hjp:// renewables.de/typo3temp/pics/c1ad53b5c1.jpg hjp:// energie.de/infocenter/technik/funkkonsweise/aulriebslaeufer hjp://rze- falbala.rz.e- technik. - kiel.de/~waller/lp/windenergie/windenergie04-05.pdf hjp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c2/generator.png/300px- Generator.png hjp://jumk.de/mein- pse/neodym.jpg hjp:// bayerwald.de/index.php/mythen- a- fakten/neodym- was- ist- das hjp://www2.physik.uni- greifswald.de/~pompe/up- VORLESUNG/up- windkral.pdf hjp:// WindkraL.pdf hjp:// kassel.de/n11/agrartechnik/fachgebiet/pdf/physik/projekte_2010/handout_windkralanlagen.pdf hjp://de.wikipedia.org/wiki/betzsches_gesetz hjp:// hjp://de.wikipedia.org/wiki/luldichte hjp:// 39

40 Folie hjp:// windenergie.net/polikk- 2/eeg- verguetung hjp:// und- windenergie.de/windenergie/kosten- und- bau- windkralanlagen.html hjp:// hjp:// due.de/n8/nphysik/hauptseminar/ws0506/windenergie.pdf hjp:// kommunal.de/uploads/tx_tcdownloadmngr/ NLT_Naturschutz_und_Windenergie_Januar_2011.pdf Folie hjp:// energien.de/fileadmin/ee- import/files/pdfs/allgemein/applicakon/pdf/ ee_in_deutschland_graf_tab.pdf hjp:// energie.de/sites/default/files/images/page/2011/technik/ groessenwachstum.jpg hjp://img.fotowelt.chip.de/imgserver/communityimages/692400/692418/1280x.jpg 40

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