Erich Hau. Windkraftanlagen. Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit. 5., neu bearbeitete Auflage

Transkript

1 Windkraftanlagen

2 Erich Hau Windkraftanlagen Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit 5., neu bearbeitete Auflage

3 Erich Hau Dipl.-Ing. Krailling bei München Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1988, 1996, 2003, 2008, 2014 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media.

4 Vorwort zur fünften Auflage Die erste Auflage dieses Buches ist im Jahre 1988 erschienen. Rückblickend wird deutlich welchen Aufschwung die Windenergienutzung in diesen fünfundzwanzig Jahren erfahren hat.strom aus Windenergie leistet heute bereits in mehreren Ländern einen nennenswerten Beitrag zur Stromversorgung und ist damit ein fester Bestandteil der Energieversorgung. In Deutschland wird die Stromerzeugung mitwindkraftanlagen geradezu zu einem Eckpfeiler der Energiewende werden. Was sind, trotz mancher Widerstände, die Gründe für diesen Erfolg? Natürlich tragen die sich ändernden Rahmenbedingungen für die Energieerzeugung im allgemeinen entscheidend dazu bei. Die zunehmende Skepsis was die Zukunft der Atomenergie betrifft, die Verschmutzung der Atmosphäre durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe und nicht zuletzt Diskussionen über die Abhängigkeit von Energie-Importen dringen immer weiter ins öffentliche Bewusstsein und ebnen denweg für dieakzeptanz der erneuerbaren Energien. Selbst vor dem Hintergrund, dass die Stromerzeugungskosten in Deutschland vorwiegend für die privaten Stromverbraucher dadurch vorübergehend steigen. Die Weiterentwicklung der Windkraftanlagentechnik hat neben diesen energiewirtschaftlichen Faktoren ebenfalls zum Erfolg der Windenergienutzung beigetragen. Die Windkraftanlagen werden immer größer, effizienter und zuverlässiger im Betrieb. Damit kann, Strom aus Windenergie, nicht nur an entlegenen Standorten mit hohen Windgeschwindigkeiten, mit den Erzeugungskosten von konventionellen Kraftwerken konkurrieren. Selbst an Standorten im Binnenland sind die Stromerzeugungskosten mit Windkraftanlagen heute die billigste Art Strom zu erzeugen. Diese Entwicklung haben selbst die Enthusiasten, zu denen sich auch der Autor zählt, noch vor wenigen Jahren nicht zu hoffen gewagt. Mit der fünften Auflage habe ich, wie in den vorangegangenen Auflagen, versucht die jüngsten technischen Entwicklungen möglichst umfassend aufzugreifen. Der Umfang des Buches hat dadurch wieder etwas zugenommen. Vor allem habe ich einige technische Aspekte und konstruktive Lösungen, die vorher nur gestreift wurden, detaillierter dargestellt. Dazu gehört die Variationsbreite der Triebstrangkonzeptionen, die bedingt durch die zunehmende Größe der Anlagen, eine größere Rolle spielt. Eine ähnliche Tendenz ist bei den Turmkonstruktionen zu beobachten. Mit dem Vordringen der WindkraftanlagenindiewindschwächerenGebietedesBinnenlandeswerdendieTürmeimmerhöher und ihre Bauweise komplexer. Mit Blick auf die Wirtschaftlichkeit werden die Kosten und ihre Rahmenbedingungen für den Offshore-Einsatz von Windkraftanlagen zunehmend

5 VI VORWORT ZUR FÜNFTEN AUFLAGE transparenter. Die Investitionskosten für die ersten kommerziellen Offshore-Windparks noch unverhältnismäßig hoch sind, deshalb kommt der Kostenanalyse im Hinblick auf die Erschließung des Kostensenkungspotentials für die Offshore-Aufstellung eine besondere Bedeutung zu. Ich habe einer Reihe von Personen,die ich hier nicht alle namentlich erwähnen kann,für ihre Beiträge zu danken. Mein besonderer Dank gilt meinem langjährigen Freund und ehemaligem Arbeitskollegen Gerald Huß, der zahlreiche Diagramme neu berechnet, und sich der Mühe unterzogen hat die Ergänzungen für die fünfte Anlage Korrektur zu lesen. Frau Tanja Rüth hat wie in allen vorangegangenen Auflagen die Diagramme und Zeichnungen in bewährter Weise gestaltet. Dr. Hilmar Schlegel hat für diese Auflage den Computersatz druckfertig erstellt und zahlreiche Bildvorlagen so aufbereitet, daß sie mit bestmöglicher Qualität in Farbe gedruckt werden können. Nicht zuletzt gilt mein Dank dem Springer-Verlag, insbesondere Herrn Thomas Lehnert, dem Leiter des Lektorat Engineering, für seine zahlreichen Hinweise und für die Bereitschaft das 1000 Seiten-Buch, dieses Mal sogar mit Farbdrucken, neu aufzulegen. Krailling bei München im Juni 2014 Erich Hau

6 Aus dem Vorwort zur ersten Auflage Einen Kommentar zur Energie- und Umweltkrise möchte ich den Lesern und mir ersparen. Zu diesem Thema ist schon so viel aus berufeneren Federn geflossen, daß mir dazu keine neuen oder gar bessere Argumente einfallen. Statt dessen stelle ich einige dem Leser dienliche Hinweise zum Gebrauch dieses Buches voran. Das Buch trägt den Titel Windkraftanlagen. Dieser mit Bedacht gewählte Titel soll ausdrücken, daß die technischen Anlagen, besser sollte man vielleicht sagen: die Maschinen, zur Wandlung der Windenergie in elektrische Energie den Gegenstand dieses Buches bilden. Unter dem Begriff Windkraftanlage sind in diesem Zusammenhang industriell entwickelte und gefertigte Maschinen zu verstehen, die dazu bestimmt sind, elektrische Energie von allgemeiner Verwendbarkeit zu liefern.wer in diesem Buch Bastelanleitungen zum Selbstbau von Windrädern sucht so interessant dieses Hobby auch ist, wird enttäuscht werden. An wen also richtet sich dieses Buch? Es wendet sich in erster Linie an Personen, die sich mit der Forschung, der Entwicklung, dem Bau und dem Betrieb von Windkraftanlagen beruflich zu befassen haben. Sei es, weil sie Entscheidungen auf diesem Gebiet treffen müssen, sei es, weil sie ihre eigene fachbezogene Tätigkeit in einem übergreifenden Zusammenhang einordnen wollen. Meine Absicht ist es, mit diesem Buch einen Überblick über die Technik moderner Windkraftanlagen zu schaffen und die Orientierung in den damit verbundenen technischen und wirtschaftlichen Problemen zu erleichtern. Nach fast zwanzigjähriger, weltweiter Forschungs- und Entwicklungsarbeit auf diesem Gebiet und einer bereits beachtlichen Anwendungsbreite von Windkraftanlagen in einigen Ländern scheinen mir die Voraussetzungen für diesen Versuch gegeben zu sein. Diesem erklärten Ziel dienen die inhaltliche Gliederung und die Art der Darstellung. Ich habe versucht, die Probleme und technischen Lösungswege phänomenologisch zu analysieren und zu beschreiben. Formeln habe ich soweit wie möglich vermieden. Nur an den Stellen, wo mir die mathematischen Lösungsansätze für das Verständnis nützlich erschienen, sind sie angedeutet. Detaillierte Rechenanleitungen sind deshalb in diesem Buch nicht enthalten. Statt dessen habe ich am Schluß eines jeden Kapitels ausgewählte Literaturstellen angegeben, die den Einstieg in die rechnerische Behandlung der beschriebenen Problemkreise ermöglichen. Mir erschien diese Darstellungsform angesichts des angestrebten Zieles am besten geeignet

7 VIII AUS DEM VORWORT ZUR ERSTEN AUFLAGE zu sein. WerEntscheidungen zu treffen oder die Zielrichtung technisch-wissenschaftlicher Arbeiten zu verantworten hat, kann sich im allgemeinen nicht selbst an den Computer setzen. Aber er muß den Stand der Technik überblicken, die Probleme verstehen und Entwicklungslinien einschätzen können. DieKapitellassensich sofernmananderbehandeltenproblemstellungnichtimdetail interessiert ist bis zu einem gewissen Grade querlesen oder überschlagen, ohne daß der Gesamtzusammenhang oder das Verständnis für das nächste Kapitel verloren geht. Wer das Buch jedoch als Arbeitsunterlage benutzt und ein Kapitel durcharbeitet, wird schnell feststellen, daß sich hinter den Diagrammen eine Menge Theorie verbirgt, die im Text nicht unmittelbar sichtbar wird. Wichtig erschien mir angesichts des angestrebten Zieles auch die Vollständigkeit und Gleichgewichtigkeit des Inhaltes. Bücher, die in aller Ausführlichkeit auf die aerodynamische Berechnung des Rotors eingehen, aber das elektrische System oder die Auslegung des Turmes einerwindkraftanlage mit wenigen Sätzen abhandeln,mögen für denaerodynamiker von Nutzen sein, für jemand, der das System Windkraftanlage ganzheitlich beurteilen muß, ist der Wert jedoch sehr eingeschränkt. Ich bin mir allerdings darüber im Klaren, daß der Versuch einer umfassenden Darstellung der Technik moderner Windkraftanlagen nur im Ansatz gelungen sein kann. Ein Buch, das eine Reihe verschiedener Fachdisziplinen berührt, schreibt man nicht ohne fremde Hilfe. Ich habe deshalb einer Reihe von Personen zu danken, die mir dabei geholfen haben. Ohne ihre bereitwillige und sachkundige Mithilfe wäre das Buch nicht entstanden. In erster Linie bin ich meinen ehemaligen Arbeitskollegen von der Firma MAN zu großem Dank verpflichtet. Vor allem mein langjähriger Freund und Arbeitskollege Gerald Huß, der in unserer Abteilung für das Gebiet Aerodynamik verantwortlich war, hat nicht nur zahlreiche fachliche Beiträge geliefert, sondern hat mit mir die mit dem Buch zusammenhängenden Fragen diskutiert und mich dabei oft auf den richtigen Weg gebracht. In diesem Zusammenhang möchte ich auch erwähnen, daß der Inhalt dieses Buches sich weitgehend auf Ergebnisse aus Forschungs- und Entwicklungsprojekten stützt, die vom Bundesministerium für Forschung und Technologie sowie von der Kommission der Europäischen Gemeinschaft gefördert wurden. Auch dem Springer-Verlag sei an dieser Stelle für seine Bereitschaft gedankt, das Buch zu verlegen und es in dieser ansprechenden Form zu gestalten. München, im Juli 1988 Erich Hau

8 Inhaltsverzeichnis Häufig verwendete Symbole XXI 1 Windmühlen und Windräder ÜberdieUrsprüngederWindmühlen EuropäischeWindmühlentypen WirtschaftlicheBedeutungderWindmühlen WissenschaftundtechnischeEntwicklungimWindmühlenbau DieamerikanischeWindturbine Literatur Strom aus Wind Die ersten Versuche Poul La Cour EinPionierinDänemark Windkraftwerke GroßePläneinDeutschland kw aus dem Wind DieersteGroßanlageindenUSA Windkraftanlagen in den 50er Jahren VorderEnergiekrise Nach der Energiekrise Aufbruch in die moderne Windenergienutzung DiegroßenVersuchsanlagender80erJahre DerersteErfolgderkleinenWindkraftanlageninDänemark DieamerikanischenWindfarmen Literatur Bauformen von Windkraftanlagen RotorenmitvertikalerDrehachse Horizontalachsen-Rotoren Windenergie-Konzentratoren Begriffe undbezeichnungen Literatur Physikalische Grundlagen der Windenergiewandlung DieelementareImpulstheorienachBetz Widerstands-undauftriebsnutzendeWindenergiewandler Literatur... 90

9 X INHALTSVERZEICHNIS 5 Aerodynamik des Rotors Physikalisch-mathematischeModelleundVerfahren Blattelementtheorie WirbelmodellderRotorströmung NumerischeStrömungssimulation Rotornachlaufströmung LeistungscharakteristikdesRotors RotorleistungskennfeldundDrehmomentenkennfeld LeistungscharakteristikenverschiedenerRotorbauarten AerodynamischeLeistungsregelung Blatteinstellwinkelregelung LeistungsbegrenzungdurchStrömungsablösung(Stall) AktiveSteuerungderStrömungsablösung Instationäre Effekte und Grenzschichtbeeinflussung AusdemWinddrehen Das aerodynamische Profil CharakteristischeEigenschaften ProfilgeometrieundSystematik Laminarprofile EinflußaufdenRotorleistungsbeiwert KonzeptionelleRotormerkmaleundLeistungscharakteristik AnzahlderRotorblätter OptimaleFormdesBlattumrisses VerwindungderRotorblätter Blattdicke Auslegungsschnellaufzahl AusgeführteRotorblätter WindrichtungsnachführungdesRotors AerodynamikderVertikalachsen-Rotoren ExperimentelleRotoraerodynamik Modellmessungen im Windkanal MessungenanOriginalanlagen Literatur Belastungen und Strukturbeanspruchungen BelastungsartenundihreWirkungaufdieWindkraftanlage KoordinatensystemeundBezeichnungen UrsachenderBelastungen Eigengewicht,Zentrifugal-undKreiselkräfte Gleichförmige,stationäreRotoranströmung Höhenprofil derwindgeschwindigkeit SchräganströmungdesRotors Turmumströmung WindturbulenzundBöen Lastannahmen

10 INHALTSVERZEICHNIS XI InternationaleundnationaleNormen KlassifizierungderWindkraftanlagenundWindzonen NormaleWindbedingungen ExtremeWindbedingungen Andere Umwelteinflüsse SonstigeexterneBedingungen Sicherheitsfaktoren MaschinenstatusundLastfälle NormalerBetrieb TechnischeStörungen StrukturbeanspruchungundDimensionierung Beanspruchungsarten Lastkollektive Strukturdynamik MathematischeModellierungderWindkraftanlage ModellierungderWindturbulenz AnalytischeAnsätzeundnumerischeSimulation KonzeptmerkmaleundStrukturbeanspruchungen AnzahlderRotorblätter RotornabengelenkebeimZweiblattrotor SteifigkeitderRotorblätter Regelungssystem DrehzahlelastizitätunddrehzahlvariableBetriebsweise MeßtechnischeErfassungderStrukturbeanspruchungen PrüfstandversuchemitRotorblättern Datenerfassungssysteme und Messungen an Originalanlagen Literatur Schwingungsverhalten AnregendenKräfteundSchwingungsfreiheitsgrade AeroelastischesVerhaltenderRotorblätter StatischeDivergenz EigenfrequenzenundSchwingungsformen TypischeRotorblattschwingungen TorsionsschwingungendesTriebstrangs MechanischesErsatzmodell ErsatzmodellefürdieelektrischeNetzkopplung EigenfrequenzenundEigenschwingungsformen Schwingungsanregungen und Resonanzen DynamikderWindrichtungsnachführung MechanischesModellundMomenteumdieHochachse Schwingungsanregungen und Resonanzen SchwingungenderGesamtanlage Turmsteifigkeit Resonanzdiagramme ausgeführter Anlagen

11 XII INHALTSVERZEICHNIS 7.6 RechnerischeSimulationdesSchwingungsverhaltens Literatur Rotorblätter Materialfragen Vorbild: Flugzeugtragflügel FrühereexperimentelleBauweisenvonRotorblättern GenieteteAluminiumkonstruktionen Stahlbauweisen TraditionelleHolzbauweise ÄltereFaserverbundbauweisen Holz-Epoxid-Verbundbauweise ModerneRotorblätterinFaserverbundtechnik Faserverbund-Technologie KonstruktiveAuslegungderRotorblätter Fertigungsverfahren BlattanschlußandieRotornabe RotorblattbauweisenimVergleich AerodynamischeBremsklappen Blitzschutz Enteisung Literatur Mechanischer Triebstrang und Maschinenhaus GrundsätzlicheÜberlegungzurLeistungsübertragung TriebstrangmitÜbersetzungsgetriebe ExperimentelleKonzeptionen HeutigeBauweisenmitschnellaufendemGenerator MittelschnellaufendeTriebstrangauslegung GetriebeloseBauart RinggeneratormitelektrischerErregung Permanentmagnet-Generator TriebstrangkonzeptionenimVergleich TriebstrangkonzeptionundBaumasse PerspektivenbeizunehmenderAnlagengröße Rotornabe ÄltereNabenbauarten GegosseneRotornabenfürDreiblattrotoren RotornabenbauartenfürZweiblattrotoren Blattverstellmechanismus Rotorblattlagerung BlattverstellsystememithydraulischemAntrieb ElektromotorischeBlattverstellung PassiveBlattverstellung Redundanz-undSicherheitsfragen

12 INHALTSVERZEICHNIS XIII 9.7 Rotorlagerung Lagerprobleme RotorwellemitseparatenLagern Dreipunkt-LagerungvonRotorwelleundGetriebe Einlager -Konzeption RotorlagerungaufeinerfeststehendenAchse Rotorbremse Übersetzungsgetriebe Getriebebauarten ÄußereBelastungsvorgabenfürdieGetriebeauslegung Innere Getriebedimensionierung und konstruktive Auslegung WirkungsgradundGeräuschentwicklung DrehzahlvariableÜberlagerungsgetriebe TorsionselastizitätimmechanischenTriebstrang EinbaudeselektrischenGenerators Maschinenhaus BauweiseundstatischeKonzeption HilfsaggregateundsonstigeEinbauten ÄußereForm ästhetischegesichtspunkte Windrichtungsnachführung FunktionsprüfungundSerienfertigung Literatur Elektrisches System Generatorbauarten Synchrongenerator Asynchrongenerator Permanentmagnet-Generatoren Beurteilungskriterien für den Einsatz elektrischer Generatoren inwindkraftanlagen DrehzahlfesteGeneratorenmitdirekterNetzkopplung SynchrongeneratormitdirekterNetzkopplung AsynchrongeneratormitdirekterNetzkopplung AsynchrongeneratormitvariablemSchlupf DrehzahlgestufteGeneratorsysteme DrehzahlvariableGeneratorsystememitFrequenzumrichter Frequenzumrichter GeneratormitVollumrichter Asynchrongenerator mit übersynchroner Stromrichterkaskade DoppeltgespeisterAsynchrongenerator DirektvomRotorangetriebenedrehzahlvariableGeneratoren SynchrongeneratormitelektrischerErregung GeneratormitPermanentmagnet-Erregung ElektrischeGesamtausrüstungderWindkraftanlage GroßeAnlagen

13 XIV INHALTSVERZEICHNIS KleineundmittlereAnlagen ElektrotechnischeKonzeptionenimVergleich Literatur Regelung und Betriebsführung Betriebsdatenerfassung Betriebswindmeßsystem ElektrischeLeistungsmessung SonstigeBetriebsdaten TechnologieundCharakteristikderRegler Windrichtungsnachführung LeistungsregelungmitBlatteinstellwinkelregelung MathematischeModellierung DrehzahlfesteGeneratorenimNetzparallelbetrieb Netzparallelbetrieb mit drehzahlvariablen Generatorsystemen InselbetriebohneDrehzahlführungdurchdasNetz LeistungsbegrenzungdurchdenaerodynamischenStall NetzparallelbetriebmitfestemBlatteinstellwinkel InselbetriebmitfestemBlatteinstellwinkel Stall-RegelungmitverstellbaremBlatteinstellwinkel BetriebszyklusundSicherheitssystem Betriebszustände Sicherheitssystem BaulicheRealisierungdesRegelungssystems ZusammenwirkenmitdemStromnetz Literatur Turm und Fundament TurmbauartenundVarianten Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen TurmauslegungnachdeutschenBauvorschriften FreitragendeStahlrohrtürme SteifigkeitundBaumasse KonstruktionundFertigungstechnik AufstiegshilfenundEinbauten Gittertürme Betontürme Ortbeton-Bauweise Beton-Fertigteilbauweise Beton/Stahl-Hybridtürme Turm-KonzeptionenimVergleich OptimaleTurmhöhe Fundament Dimensionierende Lasten und Bodenbeschaffenheit Fundamentbauarten

14 INHALTSVERZEICHNIS XV EinbindungdesTurmesimFundament TypischeAusführungsbeispiele Literatur Windverhältnisse UrsachendesWindesundEnergieinhalt GlobaleVerteilungdermittlerenWindgeschwindigkeiten WindverhältnisseinEuropaundinDeutschland CharakteristischeGrößenundGesetzmäßigkeiten Mittlere Jahreswindgeschwindigkeit und Häufigkeitsverteilung derwindgeschwindigkeiten ZunahmederWindgeschwindigkeitmitderHöhe StetigkeitdesWindes WindturbulenzundBöen LokaleWindverhältnisse TopographieundHindernisse ErmittlungderWindgeschwindigkeit Messungen mit Anemometern und stationärem Windmeßmast SODARundLIDAR Ermittlung der Winddaten und der Energielieferung nachdemeuropäischenwindatlas Numerische Modelle zur Simulation von dreidimensionalen Windfeldern ÜberdasWindenergiepotential Literatur Leistung und Energielieferung Vom Rotorleistungskennfeld zur effektivenanlagenleistung InstallierteGeneratorleistungundRotordrehzahl LeistungsverlustedurchRegelungundBetriebsführung Verlusteimmechanisch-elektrischenTriebstrang LeistungsbeiwerteausgeführterAnlagen Leistungskennlinie NormierteLeistungskennlinie VermessungderLeistungskennlinie Aufstellortbezogene EinflüsseaufdieLeistungskennlinie SchwierigesGelände Luftdichte Turbulenz Sonstige wetterbedingte Einflüsse VerschmutzungundAbnutzungderRotorblätter SchallreduzierterBetrieb GleichförmigkeitderLeistungsabgabe Jahresenergielieferung Berechnungsverfahren NäherungsweiseErmittlungderEnergielieferung

15 XVI INHALTSVERZEICHNIS SensitivitätbezüglichderWinddaten TechnischeVerfügbarkeitundKapazitätsfaktor Energielieferungsprognosen für Projektfinanzierungen WichtigeEntwurfsparameterundEnergielieferung Anlagen-Leistungsbeiwert Rotordurchmesser OptimaleRotordrehzahlundDrehzahlvariabilität Leistungsregelung InstallierteGeneratorleistung NabenhöhedesRotors Betriebswindgeschwindigkeitsbereich Die Windkraftanlage als Energiewandler einegrundsätzlichebetrachtung Literatur Umweltverhalten GefahrenfürdieUmgebung Wie weit kann ein Rotorblatt fliegen? Risikobetrachtungen Schallemissionen AkustischeKenngrößenundzulässigeImmissionswerte GeräuschquellenbeiWindkraftanlagen Schalleistungspegel Schallausbreitung Schattenwurf StörungenvonFunkundFernsehen StörungenderVogelwelt Landverbrauch Optische Beeinträchtigung der Landschaft WindenergienutzungundKlimaschutz EinflußaufdasUmgebungsklima Nutzung der Windkraft und CO 2 -Emissionen Literatur Anwendungskonzeptionen und Einsatzbereiche WindkraftanlagenimInselbetrieb Autonome Stromversorgung mit Windenergie die Speicherproblematik HeizenmitWindenergie Wasserpumpen EntsalzenvonMeerwasser InselnetzemitDieselgeneratorenundWindkraftanlagen WindkraftanlagenimVerbundmitdemStromnetz EinzelanlagenimNetzparallelbetrieb WindfarmenundWindparks

16 INHALTSVERZEICHNIS XVII 16.4 WindkraftanlagenimKraftwerksverbund DieRegelungsproblematik DasVerbundnetz BeitragzurgesichertenLeistung WindkraftanlagenindustrieundAbsatzmärkte HistorischeEntwicklungderAbsatzmärkte DieWindkraftanlagenhersteller ZuliefererindustrieundDienstleistungsunternehmen Literatur Windenergienutzung im Küstenvorfeld der Meere Technische Probleme der Offshore-Aufstellung von Windkraftanlagen TechnischeAnforderungenandieWindkraftanlagen GründungaufdemMeeresgrund ElektrischeKonzeption TransportundMontage Betrieb von Offshore-Windkraftanlagen WetterbedingteZugänglichkeit WartungundInstandsetzung Offshore-WindenergienutzungimBereichderNord-undOstsee OzeanographischeBedingungenundWindverhältnisse VölkerrechtlicheSituation KriterienfürdasGenehmigungsverfahren Die ersten Offshore-Windparks Offshore-WindenergieinEuropa StromausderNordseefürDeutschland Offshore-ProjekteWeltweit Literatur Planung, Errichtung und Betrieb Projektentwicklung Genehmigungsverfahren GesetzeundRegelwerke Planerische Vorgaben der Gemeinden und regionalen Gremien GenehmigungvonWindkraftprojektennachBImSchG BaugenehmigungfüreinzelneAnlagen TechnischeAuslegungvonWindparks AerodynamikderFeldaufstellung InterneelektrischeVerkabelungundStichleitungzumNetz Netzanschluß TiefbauarbeitenamAufstellort Transportprobleme ErrichtungamAufstellort Standardverfahren ErrichtungohneschwereHebezeuge

17 XVIII INHALTSVERZEICHNIS DieMontagedesMaschinenhausesamAufstellort GroßeExperimentalanlagenmitZweiblattrotor Inbetriebnahme KommerzielleAnlagenundWindparks VersuchsanlagenundPrototypen TechnischeBetriebsführung ErfassungderBetriebsdaten ÜberwachungundSteuerungmitSCADA-Systemen TechnischeZustandsüberwachung ConditionMonitoring Betriebssicherheit TechnischeSicherheitssysteme GefahrendurchextremeWetterlagen WartungundInstandsetzung ReguläreWartung SchadensursachenundReparaturrisiken StatistischeAuswertungen Literatur Kosten von Windkraftanlagen und Anwendungsprojekten HerstellkostenundVerkaufspreisevonWindkraftanlagen SpezifischeKostenundBezugsgrößen Die Baumasse als Grundlage zur Ermittlung der Herstellkosten BaumassenausgeführterWindkraftanlagen Ermittlung der Herstellkosten mit massenbezogenen Kostenwerten HerstellkostenderheutigenWindkraftanlagen KonzeptionelleMerkmaleundHerstellkosten KostendegressioninderSerienfertigung KostensenkungdurchtechnischeWeiterentwicklung AlternativetechnischeKonzeptionen ÜberdieEntwicklungskostenvonWindkraftanlagen EntwicklungderVerkaufspreise InvestitionskostenvonschlüsselfertigenProjekten Projektentwicklung TechnischeInfrastruktur SonstigeKosten TypischeKostenbeispiele Betriebskosten WartungundInstandsetzung Versicherungen SonstigeBetriebskosten JährlicheBetriebskosten Offshore-Projekte BestimmendeFaktorenfürdieInvestitionskosten EntwicklungderInvestitionskostenseit TypischeKostenbeispiele

18 INHALTSVERZEICHNIS XIX Betriebskosten Ausblick Literatur Wirtschaftlichkeit der Stromerzeugung aus Windenergie Unternehmensformen und Finanzierung StatischeBerechnungderStromerzeugungskosten EinzelneAnlagenundWindparks Offshore-Windparks DynamischeBerechnungderWirtschaftlichkeit Kapital-oderBarwertmethode KapitalflußprognosefüreinenWindpark Stromerzeugungskosten aus Windenergie im Vergleich zuanderenenergiesystemen EnergetischeAmortisationvonWindkraftanlagen BeschäftigungseffektderWindkraftnutzung Bedeutung der energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen fürdienutzungdererneuerbarenenergien Literatur Glossar englische Fachausdrücke 937 Deutsch Englisch Englisch Deutsch Sachverzeichnis 959

19 Häufig verwendete Symbole v w Windgeschwindigkeit (m/s) v w mittlere Windgeschwindigkeit (m/s) v wn Nennwindgeschwindigkeit (m/s) v r resultierende Anströmgeschwindigkeit (m/s) D Rotordurchmesser (m) R Rotorradius (m) A Rotorkreisfläche (m 2 ) H Höhe (m) n Rotordrehzahl (U/min) ω Winkelgeschwindigkeit (rad/s) r Örtlicher Rotorradius (m) u Örtliche Umfangsgeschwindigkeit (m/s) ψ Rotorumlaufwinkel bei Rotordrehung (grad) α aerodynamischer Anstellwinkel (grad) ϑ Blatteinstellwinkel (grad) (auch: Polradwinkel) λ Schnellaufzahl c Rotorblattiefe/Profil-Sehnen-Länge (m) F A aerodyn. Auftrieb (N) F W aerodyn. Widerstand (N) M T aerodyn. Torsionsmoment (Nm) F S (Rotor-) Schub (N) M (Rotor-) Drehmoment (Nm) P Leistung (W) c PR Rotor-Leistungsbeiwert c P Anlagen-Leistungsbeiwert c A aerodyn. Auftriebskoeffizient c AA aerodyn. Auslegungs-Auftriebskoeffizient c W Widerstandskoeffizient c MT Torsionsmomenten-Koeffizient c SR Rotor-Schubkoeffizient c M Rotor-Drehmomentenkoeffizient f Netzfrequenz (Hz) U Spannung (V) R elektrischer Widerstand ( )

20 XXII Häufig verwendete Symbole I Stromstärke (A) ϕ elektrischer Phasenwinkel n syn synchrone Drehzahl (U/min) n mech mechanische Drehzahl (U/min) s Schlupf η Wirkungsgrad Φ Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeitsverteilung A Skalierungsparameter der Windgeschwindigkeitsverteilung k Formparameter der Windgeschwindigkeit σ 0 Turbulenzintensität (%) α Hellmann-Exponent p Luftduck (mbar) t Temperatur ( C) ϱ Luftdichte (kg/m 3 ) ν kinematische Zähigkeit der Luft (m 2 /s)