Einführung zur Windenergie und den verschiedenen Anlagen

Transkript

1 Naturwissenschaft Florian Bleich Einführung zur Windenergie und den verschiedenen Anlagen Referat / Aufsatz (Schule)

2

3 Autor: Florian Bleich Windenergie 1. Einleitung Heute wird die meiste Energie gewonnen, indem man Rohstoffe, die nie wieder nachwachsen, verbrennt. Nur vereinzelt sieht man Windkraftwerke, Wasserkraftwerke oder Solaranlagen. Ist dies nicht der falsche Weg? Ist es richtig, dass wir das gesamte Erdöl, die gesamte Kohle verbrauchen und mit den Abgasen der Kraftwerke unsere Luft immer mehr verschmutzen? Ehe nicht alles verbraucht und kaputt ist, werden die Menschen nicht begreifen, dass es sehr wohl andere, wahrscheinlich bessere Wege zur Energiegewinnung gibt. Mit diesem Referat möchte ich eine Alternative, die Gewinnung von Energie durch Windkraftwerke, aufzeigen. 2. Was ist Wind? Als Wind bezeichnet man Luftbewegungen in der freien Natur. Sie entstehen durch Druckausgleich zwischen Gebieten mit hohem Luftdruck und Gebieten mit niedrigem Luftdruck. Steigt zum Beispiel über der von der Sonne erwärmten Landoberfläche die Luft empor, dehnt sie sich dabei aus. Über dem daneben liegendem Meer bleibt die Oberfläche und damit auch die Luft kühler. Diese Luftdichteunterschiede verursachen Luftdruckunterschiede und durch diese entstehen Luftströmungen. Es weht ein Wind. Nachts dreht sich die Windrichtung um, weil dann das Wasser wärmer ist als die schneller abkühlende Landoberfläche. Der Druckausgleich geschieht immer vom Hochdruckgebiet zum Tiefdruckgebiet. Durch die Erdrotation erfolgt der Druckausgleich nicht auf dem kürzesten Weg, sondern spiralförmig um das Zentrum herum. Ruht die Luftströmung, spricht man von Windstille, ist sie sehr heftig von Sturm. Einen kräftigen Windstoß bezeichnet man als Böe.

4 3. Was ist Windenergie? Windenergie ist eine kostenlose Energie. Wir können sie nutzen, ohne andere Energieträger ( Gas, Kohle, Öl ) anzugreifen. Mit Windkraftanlagen lässt sich die Bewegungsenergie des Windes nutzbar machen. Die Energie kann der anströmenden Luft durch Turbinen mit Flächen unterschiedlicher Anzahl, Form, Größe und Kombination entzogen werden. Im Gegensatz zu früheren Windrädern entsteht die Drehung des Rotors nicht nur nach dem einfachen Widerstandsprinzip, sondern auch durch aerodynamisch erzeugte Auftriebskräfte, die an den Rotorblättern wirksam werden. Am häufigsten werden tragflügelähnliche Konstruktionen ( Rotorflügel oder -blätter ) verwendet, um die Strömungsenergie der Luft in mechanische Rotationsenergie umzuwandeln. Der Energieentzug aus dem Wind erfolgt durch Verzögerung der Luftströmung. Sie wird an den Rotorblättern umgelenkt, wodurch diese in Rotation versetzt werden. Die Form der Rotorblätter ähnelt dem Profil einer Flugzeugtragfläche, deren Oberseite stärker gewölbt ist als die untere Seite. Durch dieses Profil wird die Geschwindigkeit der anströmenden Luft einerseits erhöht ( Oberseite ), andererseits herabgesetzt ( Unterseite ). An der unteren Seite des Profils bildet sich im Bereich der verlangsamten Strömung ein Überdruck, an der oberen Seite entsteht dagegen Unterdruck. Diese unterschiedlichen Druckverhältnisse führen dazu, dass an dem Profil Auftriebskräfte wirksam werden. Durch diesen Auftrieb wird eine Flugzeugtragfläche nach oben gedrückt, das Rotorblatt einer Windkraftanlage erhält indes Antrieb in Drehrichtung ( Rotordrehmoment ). Bei einer Energieumwandlung durch reine Widerstandsflächen ist der Energieentzug aus der Luft geringer als bei auftriebsnutzenden Windrädern. Der Einsatz dieser Windenergieanlagen beschränkt sich wegen niedriger Drehzahlen im Allgemeinen auf mechanische Antriebe. Die Konstruktionen sind überwiegend einfach und sehr massiv ausgeführt und können maximal etwa 20 % der in der Luft enthaltenden Strömungenergie entziehen. Bei auftriebsnutzenden Anlagen wird in der Praxis ein Wert von 45 % erreicht. Ein Windrad mit 100% Wirkungsgrad ist nicht möglich. In Deutschland wird die Windenergie hauptsächlich zur Stromerzeugung genutzt, es gibt aber auch andere Möglichkeiten, die Bewegung direkt zu verwenden. 4. Die Geschichte der Nutzung der Windenergie Das Windrad ist seit Jahrtausenden auf verschiedenen Erdteilen bekannt. Vor 4000 Jahren standen die ersten Windräder in Mesopotamien, einer Landschaft zwischen Euphrat und

5 Tigris, 1000 Jahre später im östlichen Mittelmeerraum und danach in China. Im 7. Jahrhundert wurden in Europa die ersten Windmühlen gebaut. Im 17. Jahrhundert war der Höhepunkt der Windmühlenzeit. Noch im Jahr 1875 wurden in Norddeutschland ca , in Holland ca Mühlen gezählt. In Amerika wurden bis zum ersten Weltkrieg über 6 Millionen kleiner Windräder betrieben. meistens zum Betrieb von Pumpen und Generatoren. Windräder waren also in vielen Teilen Europas, Asiens und Amerika bis in das 19. Jahrhundert eine sehr wichtige Energiequelle. Nach dem Ölschock in den 70er Jahren ist alternative Energie, also auch Windenergie, bei uns wieder interessant geworden sahen viele Industrieländer die Chance, durch die Nutzung der Windenergie von den Ländern unabhängig zu werden. Die Regierungen förderten die Entwicklung von Windenergieanlagen. Zuerst wurden in Deutschland nur kleine bis mittlere Anlagen gebaut so genannte Windenergiekonverter ( WEK ) folgte dann der Bau des legendären Growian 1, einer GROßWIndAnlage, in Brunsbüttel, Schleswig- Holstein. Diese größte Anlage der Welt hatte einen Rotordurchmesser von 100 Metern. Die Gondel mit dem Maschinenhaus wog allein 345 t und war so groß wie ein Einfamilienhaus. Der Turm bestand aus 3 cm dickem Stahl, war 96 m hoch und hatte einen Durchmesser von 3,5 m. Growian erzeugte maximal 3 Megawatt Strom, das war der Energiebedarf von ca Haushalten. Wegen technischer Probleme, die man nicht vorhersehen konnte, stand die Anlage sehr oft still. Das Forschungsprojekt wurde im Sommer 1987 beendet und Growian abgebaut. Die Forscher hatten erkannt, dass den theoretischen Vorteilen dieser Groß-anlagen sehr viele Schwierigkeiten in der technischen Ausführung und damit verbunden, hohe Kosten gegenüberstehen. Die Kosten für diesen Prototyp betrugen 100 Millionen DM, eine Serienanfertigung dieser Anlage würde immerhin noch ca Millionen kosten. Seitdem setzen die Energieversorger auf kleinere Anlagen, die mit Leistungen zwischen 25 und 300 KW und durch ihre ausgereifte Technik weniger störanfällig sind. Es wurden so genannte Windparks gebaut. Der erste Windpark in Deutschland mit 30 Anlagen wurde im Jahr 1987 eingeweiht. Die Anlage bei Niebüll, die im Jahr 1990 eröffnet wurde, gilt mit ihren 35 Anlagen als größter Windenergiepark Europas. Gleichzeitig wurde die Forschung an Großanlagen aber fortgesetzt. Im Juli 1990 wurde auf Helgoland der Horizontalachsenkonverter WKA 60 mit 1,2 Megawatt in Betrieb genommen. Der Bund förderte den Bau von Windanlagen, in Deutschland wird die Zahl der privaten Kleinanlagen auf etwa 400 geschätzt.