Technik von Windkraftanlagen

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1 Technik von Windkraftanlagen Fortbildung für Lehrer zur Ausstellung Windstärken Deutsches Technikmuseum Berlin Dipl.-Ing. Jan Liersch Key Wind Energy GmbH Bundesallee Berlin 1

2 Technik von Windkraftanlagen Einführung Geschichte der Windenergienutzung Physik des Windes Windenergienutzung Politische und wirtschaftliche Rahmenbedingungen Märkte in Deutschland und weltweit Die Technik dahinter gängige Windenergieanlagen Onshore - Windparks Offshore Windparks Kleine Windkraftanlagen Arbeitsfelder und Berufsbilder 2

3 Standardbauform von Windenergieanlagen WEA Standardbauform: Luvläufer (Rotor vor dem Turm) drei Rotorblätter horizontale Rotorachse aktive Windnachführung 3

4 An der Windenergienutzung beteiligte Fachrichtungen Rotorblätter - Faser- und Verbundstofftechnik - Aerodynamik - Strukturmechanik /Leichtbau Wind Meteorologie Turbulenzforschung Standortbegutachtung Gondel / Triebstrang - Maschinenbau - Mechanik - Elektrotechnik - Automatisierungstechnik - Schmierstoffe Turm - Maschinenbau - Bauwesen Elektrische Komponenten - Elektrotechnik - Elektronik / Regelungstechnik - Leittechnik - Netzanschluss Fundament - Bauwesen - Geologie 4

5 Die Entwicklung der Windtechnik 500 Mal mehr Energieertrag seit

6 Technik von Windkraftanlagen Einführung Geschichte der Windenergienutzung Physik des Windes Windenergienutzung Politische und wirtschaftliche Rahmenbedingungen Märkte in Deutschland und weltweit Die Technik dahinter gängige Windenergieanlagen Onshore - Windparks Offshore Windparks Kleine Windkraftanlagen Arbeitsfelder und Berufsbilder 6

7 Evolution der Windmühlen Project GmbH 7

8 Turmwindmühlen & Holländermühle Mittelmeer-Typ Holländische Kappwindmühle 8

9 Erfindungen und empirische Entwicklungen Automatische Windnachführung: Senkrecht zum Hauptrotor orientiertes Seitenrad, dreht automatisch durch Getriebeübersetzungen den Turmkopf in den Wind Zwei bis drei simultan arbeitende Mahlsteine zur Anpassung der Mahlleistung an die Windgeschwindigkeiten Regelung des Windrotors Jalousieflügel zur Reduktion der effektiven Flügelfläche bei steigendem Wind 9

10 Alte und neue Windmühlen Deutschland Im Hintergrund: ENERCON E40 (1994), Getriebelos, 40 m Rotor, 500 kw installierte Leistung 10

11 Deutsches Forschungsprojekt GROWIAN Name: Große Windkraftanlage Standort: Kaiser-Wilhelm-Koog, Nabenhöhe: 100,0 m Rotor: D = 100,4 m - Leeläufer Nennleistung: 3 MW Nenndrehzahl: 18,5 U/min Blattspitzengeschwindigkeit: 100 m/s Leistungsbeiwert der Anlage: 0,42 Gondelgewicht inkl. Rotor: 420 t 11

12 Technik von Windkraftanlagen Einführung Geschichte der Windenergienutzung Physik des Windes Windenergienutzung Politische und wirtschaftliche Rahmenbedingungen Märkte in Deutschland und weltweit Die Technik dahinter gängige Windenergieanlagen Onshore - Windparks Offshore Windparks Kleine Windkraftanlagen Arbeitsfelder und Berufsbilder 12

13 Erneuerbare Energien - Potenzial weltweit 13

14 Windenergie Globale Luftströmungen Aufgrund der Temperaturunterschiede zwischen dem Äquator und den Polen kommt es zu thermischen Strömungen Die globale Zirkulation ist überlagert von lokalen Besonderheiten 14

15 Globale Temperaturen verursacht durch Sonneneinstrahlung April 2006 [ 15

16 Strahlungsbilanz der nördlichen Hemisphäre Der Wind entsteht durch Sonneneinstrahlung auf die Erde Energieüberschuss am Äquator (Erhitzung der Luft Aufsteigen der Luft) Energiedefizit an den Polen (Abkühlung der Luft) Ausgleich durch die globale Luftströmung vom Äquator zu den Polen _ + 16

17 Windstärken in Europa Durchschnittliche Windgeschwindigkeiten Achtung: Messhöhe beachten! 17

18 Ungestörte Luftströmung verlangsamt sich zum Erdboden hin durch die Oberflächenreibung Ab ca m über der Erdoberfläche befindet sich ungestörte Luftströmung Darunter reibt sich Luftströmung an Erdoberfläche, wodurch sich die Windgeschwindigkeit verringert Je stärker die Rauigkeit, desto stärker ist der Abbremsvorgang Offshore Windpark Tunø Knob (Dänemark) Wichtig bei WEA-Standorten: Rauigkeit des Geländes Hindernisse: große Gebäude, einzelne Bäume etc. Kontur des Geländes (Orographie) Typischer Windpark in komplexem Gelände (Deutschland) 18

19 Lokale Windbedingungen Grenzschichten Schichtung der Troposphäre: In der planetarischen Grenzschicht (ca. 0,5 2 km) wird der Wind von der Oberflächenform der Erde beeinflusst Ekman Schicht (ca. 1 km), Winddrehungen und Windzunahme des Reibungswindes Bodennahe Luftschicht, auch Prandtl Schicht genannt (ca. 80 m 150 m), starke Beeinflussung durch Erdoberfläche 19

20 Rauigkeitsklassen Europäischer Windatlas: Beschreibung der Rauigkeitslänge z 0 mit Bildern z 0 = 0,0002 m z 0 = 0,03 m z 0 = 0,10 m z 0 = 0,40 m 20

21 [ Windenergie verursacht durch Sonneneinstrahlung Lokaler Effekt: See-Land-Brise Temperaturunterschiede zwischen Land und See treiben das lokale thermische System an. Tag und Nachtströmungen bewegen sich in entgegen gesetzte Richtungen. 21

22 Windenergie Beeinflussungen in Bodennähe Lineare Strömung Hindernisse Turbulente Strömung 22

23 [ Lokale und Regionale Windsysteme Spitzenböen Spitzenböen am Spitzenböen am

24 Lokale und Regionale Windsysteme Extremwetter nicht geeignet für Windenergienutzung Wirbelstürme Hurrikan / Tornado Luftmassenbewegung aufgrund von hohen Temperaturunterschieden Hohe Windgeschwindigkeiten verursachen schwere Schäden Nicht geeignet für Windenergienutzung [Australian News] Tropischer Wirbelsturm Yasi triff auf Australien

25 Technik von Windkraftanlagen Einführung Geschichte der Windenergienutzung Physik des Windes Windenergienutzung Politische und wirtschaftliche Rahmenbedingungen Märkte in Deutschland und weltweit Die Technik dahinter gängige Windenergieanlagen Onshore - Windparks Offshore Windparks Kleine Windkraftanlagen Arbeitsfelder und Berufsbilder 25

26 Windstärken nach Beaufort jede Kreisfläche enthält das gleiche Leistungsangebot Beaufort-Grad 3 16 km/h 1878 m² entsprechen W 3 schwacher Wind Blätter und dünne Zweige bewegen sich 4 mäßiger Wind Zweige und dünne Äste bewegen sich 5 frischer Wind kleine Bäume beginnen zu schwanken 6 starker Wind starke Äste bewegen sich 7 steifer Wind Bäume bewegen sich 8 stürmischer Wind Zweige brechen 9 Sturm kleine Schäden an Häusern und Dächern 8 68 km/h 24 m² 9 81 km/h 14 m² Beaufort-Grad 4 24 km/h 532 m² Beaufort-Grad 5 34 km/h 196 m² 6 44 km/h 86 m² km/h 43 m² 9 26

27 Windkraft nutzen aber wie? Windenergie ist die kinetische Energie (Bewegungsenergie) sich bewegender Luftmassen. Diese Energie wird in der Rotorfläche dem Luftstrom entzogen. v 1 EWind 1 mv A Windleistung ist Energie pro Zeit: Rotor P 1 = P ex + P 3 27

28 Leistungsumsetzung durch die Windenergieanlage Windleistung in der Rotorfläche: PWind E mv 1 ρav Rotorverluste Rotorleistung: PRotor E c. ( v1) Wind P Rotor 1 3 ρav1 c P. Rotor ( v1 ) 2 c P Leistungsbeiwert (Effizienz) Windleistung nutzbare Rotorleistung 28

29 Physikalisches Leistungsmaximum (nach A. Betz, 1920) Leistungsbeiwert cp v 3 /v 1 = 1 bedeutet keine Leistungsentnahme durch den Rotor v 3 = 0 bedeutet völligen Stillstand der Luft im Rotor (physikalischer Unsinn) Der optimale Leistungskoeffizient (größte Effektivität) zwischen den Werten ist gegeben bei v 3 /v 1 = 1/3 resp. v 2 /v 1 = 2/3 Windverhältnis= v 3 /v 1 Das theoretische Leistungsmaximum liegt bei 59,3% Moderne WEA zur Energiegewinnung erreichen eine maximale Rotoreffizienz von mehr als 50% (gesamte Systemeffizienz ca. 45% bis 50%) 29

30 Spezifische Leistung in W/m² Leistungsentnahme im Betrieb Die Leistungsentnahme einer WEA hat zwei Betriebsbereiche: v 1 < v N (Windgeschwindigkeit kleiner als Nennwindgeschwindigkeit): P ~ v 3 : Leistungsentnahme folgt in etwa der Windleistungskurve η: mechanisch-elektrische Effizienz v 1 > v N (Windgeschwindigkeit größer als Nennwindgeschwindigkeit): P = P N : die Leistungsbegrenzung greift, um eine Überlastung des Generators zu verhindern Windgeschwindigkeit v in m/s 30

31 Windenergie nutzen physikalische Prinzipien Auftriebssprinzip : Eine schmale Segelfläche lenkt den Wind um. Die Strömungsumlenkung bewirkt eine Auftriebskraft. F L Widerstandsprinzip : Ein breites Segel bremst den Wind stark ab. Es entsteht eine Widerstands- bzw. Schubkraft. F D 31

32 Modell eines Schalenkreuz-Anemometers Vereinfachte Darstellung mit nur 2 Schalen v v-u A c W1 = 1,3 u v+u u c W2 = 0,34 Windgeschwindigkeit Anströmgeschwindigkeit Umfangsgeschwindigkeit 32

33 Rotierender Flügel beim Auftriebsläufer F L W Drehachse v 2 Rotorblatt = Flügel u c Rotorebene 1 F c A ρ 2 L L c v 2 2 Geschwindigkeitsdreieck: Vektoren: c = v 2 + u, Betrag: c² = v 2 ² + u² c : Anströmgeschwindigkeit (relative Geschwindigkeit) u = R : Umfangsgeschwindigkeit des Flügels an der Blattspitze v 2 : Windgeschwindigkeit in der Rotorebene (vom Rotor bereits beeinflusst) n : Rotordrehzahl in 1/s W = 2*pi*n : Winkelgeschwindigkeit in1/s Schnelllaufzahl: Umfangsgeschwindigkeit bezogen auf die Windgeschwindigkeit R 33

34 Druckverteilung am Blattprofil eines Auftriebsläufers Das Blatt wird mehr nach oben gesogen als von unten getragen 34

35 Stall-Effekt am Rotorblatt 35

36 [DeWind D8] Die Technik einer modernen WEA Kompakte Gondel, aber Rotorlast wirkt sich auf Getriebe aus heute gibt es spezielle WEA Getriebe Spannsatz Kühler Getriebe Konische Rotorwelle Generator Blattlager Pitch Rotorhauptlager Elektronik Spinner Nabe Windnachführungsmotoren Maschinenträger Elastomerlager Drei-Punkt Befestigung für Rotorwelle: festes Rotorhauptlager und zwei flexibel Gummigetriebelager 36

37 E Kalkulationsschema für den Energieertrag total E i in kwh h SEi Shi PT i Relative Häufigkeit der Windklasse in % i P i El. Leistungsertrag der Windklasse v i T Zeitperiode (z.b. Jahr = 8760h) E i Energieertrag der Windklasse E total Gesamtenergieertrag in Zeitperiode P i in kw Resultierende Ertragskurve v i in m/s (c) =S [(a)*(b)*t ] h i in % P N v N v i in m/s Leistungskurve der WEA (b) v i in m/s Windhistogramm des Standorts (Berlin) (a) 37

38 3 Punkte, die der Windmüller wissen muss Die Formel für die Windleistung enthält Windgeschwindigkeit ³ d.h. doppelte Windgeschwindigkeit liefert 8-fache Leistung Aktuelle Windenergieanlagen arbeiten mit dem Auftriebsprinzip wie Flugzeuge, Hubschrauber oder Segeljollen, Nicht wie Rahsegler und Anemometer Man kann nur maximal 59% der Windleistung nutzen (Physikalischer Wirkungsgrad nach Betz) Der Gesamtwirkungsgrad von WEA liegt ca. bei 50% 38

39 Technik von Windkraftanlagen Einführung Geschichte der Windenergienutzung Physik des Windes Windenergienutzung Politische und wirtschaftliche Rahmenbedingungen Märkte in Deutschland und weltweit Die Technik dahinter gängige Windenergieanlagen Onshore - Windparks Offshore Windparks Kleine Windkraftanlagen Arbeitsfelder und Berufsbilder 39

40 Voraussetzungen für Windparkprojekte Windangebot (Standort) + Kapital (Technik, Wirtschaft) + Politische Rahmenbedingungen (Politik, Umwelt, Akzeptanz) = Markt zur Nutzung der Windenergie Waren diese Bedingungen gegeben, trat jedesmal ein Boom der Windenergienutzung ein: Dänemark 1980/81 Kalifornien 1980/81 Deutschland seit 1991 Indien 1993 Spanien 1997 Frankreich, Italien, China, USA... 40

41 Entwicklung der gesetzlichen Bestimmungen 41

42 Installierte Leistung in GW Netzgebundene WEAs: Globale Installation : 197 GW Jahr [Global Wind Energy Council (GWEC), 2011] 42

43 [Global Wind Energy Council GWEC, 2011] Windenergie - Globale Installation je Kontinent Jährliche Installation

44 Windenergie weltweit 2010 Top 10 der installierten Leistung und Marktanteil in Prozent Land Gesamt 2010 in MW Bis 07/2011 in MW China USA Deutschland Spanien Indien Italien Frankreich Großbritannien Kanada Dänemark k.a. Gesamt Top MW MW Großbritannien 3% Frankreich 3% Italien 3% Dänemark 2% Kanada 2% Indien 7% Sonstige 14% Spanien 10% Deutschland 14% China 22% USA 20% Quelle: GWEC,

45 Quelle: windmonitor Windenergieanlagen in Deutschland Räumliche Verteilung der installierten Leistung aller in Deutschland installierten WEA (in MW) MW, Stand

46 Quelle: DEWI/BWE, 2011 Installierte und kumulierte Wind Leistung in Deutschland Stand: 07/2011 Gesamt: Neubau 2011: MW 793 MW 46

47 Quelle: DEWI, 2011 Windenergie-Nutzung in den Bundesländern Rangfolge nach installierter Leistung 47

48 Marktanteile am Neubau in Deutschland 2009/

49 Technik von Windkraftanlagen Einführung Geschichte der Windenergienutzung Physik des Windes Windenergienutzung Politische und wirtschaftliche Rahmenbedingungen Märkte in Deutschland und weltweit Die Technik dahinter gängige Windenergieanlagen Onshore - Windparks Offshore Windparks Kleine Windkraftanlagen Arbeitsfelder und Berufsbilder 49

50 WEA: Onshore (1) REpower 3.XM - Baureihe Prototyp nahe Husum, Ende 2008 REpower 3.4M o Nennleistung: 3,4 MW o Rotordurchmesser: 104 m o Nabenhöhen: m REpower 3.2M o Nennleistung: 3,2 MW o Rotordurchmesser: 114 m o Nabenhöhe: 93 m [REpower] [REpower] [REpower] 50

51 ( WEA: Onshore (2) Enercon E-101 Prototyp MW, 101 m Rotordurchmesser 99 m / 135 m Nabenhöhe 51

52 [wikipedia] [Key Wind Energy] WEA: Onshore (3) Enercon E-126 Prototyp Rysumer Nacken nahe Emden, November 2007 ca. 18 WEA errichtet 6-7,5 MW ca. 18 GWh/Jahr (18 Mio. kwh/jahr) 127 m Rotordurchmesser 135 m Nabenhöhe Rotorblatt besteht aus 2 Segmenten, im Inneren aus Stahl [ENERCON] 52

53 Die höchste Windturbine Fuhrländer FL2500 Laasow, Brandenburg Gitterturm: 162 m Nennleistung: kw Rotordurchmesser : 100 m Fuhrländer.de press release: 01/

54 WEA: Onshore und Offshore (1) Vestas V90-3MW Prototyp: MW, 90 m Rotordurchmesser Mehr als 500 WEA Offshore und Onshore in Betrieb [Vestas] [ GE Deutschland] Vestas V112-3 MW Prototyp MW, 112 m Rotordurchmesser 85 m / 119 m Nabenhöhe Synchrongenerator mit PM [Vestas] 54

55 [RenewableEnergyWorld] WEA: Onshore und Offshore (2) REpower 5M Prototyp: Oktober MW, 126 m Rotordurchmesser 6 WEA Offshore (WP alpha ventus), weitere Onshore [REpower] REpower 6M 3 Prototypen (onshore) März ,150 MW 126 m Rotordurchmesser [REpower] 55

56 Offshore Windenergie-Technologie Wartung Installation Netzanbindung Tragstruktur Wirtschaftlichkeit, Risiko Windenergieanlage 56

57 WEA: Offshore (1) Bard Prototypen Onshore in Emden 1 Prototyp Nearshore in Hooksiel, BARD Offshore 1 z.z. im Bau 5 MW Nennleistung 122 m Rotordurchmesser 90 m Nabenhöhe Areva Wind M5000 (ehem. Multibrid) Prototyp: Dezember MW Nennleistung 116 m Rotordurchmesser 6 WEA Offshore (WP alpha ventus), weitere Onshore [ [ 2009] 57

58 [ WEA: Offshore (2) Siemens SWT ,6 MW Nennleistung 120 m Rotordurchmesser 2 Prototypen nahe Kopenhagen, Dänemark errichtet im Dezember 2009 Siemens SWT ,6 MW Nennleistung 107 m Rotordurchmesser Mehr als 100 WEA in Betrieb Windpark Burbo, Großbritannien 58

59 Was ist speziell an der WEA-Offshore-Technik? Turbinenkonzepte Zuverlässig Robust gegen Schwerwetter und Korrosion Tragstrukturen Abhängig von Wassertiefe und Seeboden Installation von Fundament, Turm und Turbine Wetterabhängig Verfügbarkeit von Kran- und Installationsschiffen Betrieb & Wartung Zugänglichkeit begrenzt (Boote, Spezialschiffe, Helikopter) Netzanbindung Seekabelwege Kapazität (HGÜ oder Wechselspannung) & Transformatorstation Netzintegration 59

60 Bauarten von Kleinwindenergieanlagen (KWEA) [Quelle: Qualitätssicherung im Sektor der Kleinwindenergieanlagen, BWE 2011] 60

61 Beispiele für Bauformen von KWEA H-Darrieus-Rotor 3 - Blatt Rotor 2 - Blatt Rotor 61

62 wwindea.org Anwendungen für KWEA Betrieb von Telekommunikationseinrichtungen Batterielader für Boote Betrieb von elektrischen Zäunen 62

63 Prognose der jährlichen neu installierten Windenergieleistung in Deutschland [DEWI-Studie 2008] 63

64 2020: Das Potenzial der Windenergie 64

65 Unterrichtsmaterialien Österreichische Interessensgemeinschaft Windkraft BMU Bildungsmaterialien für Grundschulen Erneuerbare Energien rialien/grundschule/doc/46177.php 65

66 Vielen Dank! 66