Windkraftwerk

Windenergieanlage

Ein Windkraftwerk (WKA) oder eine Windenergieanlage (WEA) wandelt die Energie des Windes in elektrische Energie um und speist sie dann in ein Stromnetz ein. So entsteht eine Megawatt-Windkraftanlage - Schritt für Schritt. Von allen Kraftwerkstypen haben Windkraftanlagen die geringsten Auswirkungen auf die Umwelt: Für uns sind sie die perfekte Ergänzung zur Wasserkraft. Windenergieanlagen in Bayern und ganz Deutschland, Windkraftfonds. Die grösste Windkraftanlage der Schweiz.

Die Funktionsweise und Wichtigkeit der Windkraftanlage

Die Windenergieerzeugung ist bis zu einem gewissen Grad kostenlose Technologie, da ihre Anwendung keine zusätzlichen Energiequellen wie Steinkohle, Erdöl oder Erdgas erfordert. Die durch Windkraftanlagen gewonnene WEA ist damit eine umweltfreundliche Energiealternative für die zukünftige Stromerzeugung. Sie bilden Grundgestell, Baugruppenträger und Bekleidung für die Montage und Fixierung von Schaltgetriebe und Lichtmaschine.

Der Rotor wird von der kinetischen Kraft der Luftströmung beeinflusst, die auf die Flügel einwirkt und den Rotor in Rotation versetzt. Von dieser so genannten Rotationsenergie aus wird ein Stromerzeuger versorgt, der wiederum in gewohnter Weise aus der mechanisch- elektrischen Leistung nutzbaren Strom gewinnt. Man unterscheidet zwei unterschiedliche Typen von Windturbinen, die Aufwindturbine und die Abwärtswindturbine.

Das sind Kraftwerke, die aus einer Mischung von Gewächshaus, Schornstein und Windkraftanlage Strom gewinnen. Bei seinem Aufstieg treibt der Luftstrom zum einen einen Läufer an, der zum anderen einen Stromerzeuger treibt. Durch zerstäubte Wassertröpfchen wird die Abluft im Oberteil eines Hochkamins so gekühlt, dass sie mit einer Geschwindigkeit von bis zu 20 Meter pro Minute sinkt und auf dem Weg nach unten passend platzierte Rotorlüfter treibt, deren mechanischer Strom einen Stromerzeuger wieder versorgt.

Das Verfahren überzeugt neben dem emissionsarmen Betrieb im Zuge der Energieerzeugung aus Windenergie vor allem durch den Raumbedarf und die praktische Unabhängigkeit von Rohstoffen.

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In der heutigen Zeit ist die Windkraftnutzung diejenige mit Windturbinen (oder Windkraftanlagen) zur Stromerzeugung die dominante Variante. Im Beitrag zur Windkraft werden die allgemeinen Fragen der Windkraftnutzung erörtert, während hier spezielle Fragen der Windkraftanlage besprochen werden. Es gibt auch einen Beitrag über Windkraftwerke, die mehrere Windturbinen bereitstellen. Windturbinen (Windturbinen, Windturbinenumrichter, Windturbinen) sind in unterschiedlichen Ausführungen erhältlich:

Die Effizienz ist mit typisch ca. 40 % signifikant niedriger als bei Windkraftanlagen mit waagerechter Ausrichtung, aber größer als bei anderen Ausführungen mit senkrechter Ausrichtung. Nur in einem sehr jungen Entwicklungsstadium werden Betrachtungen angestellt, um den Betrieb von Installationen in sehr großen Höhen zu ermöglichen, die wie Milane an lange Seile gehängt sind. Andererseits müssen Systeme mit horizontalen Turbinen auf die Windgeschwindigkeit abgestimmt sein.

Wegen der eingeschränkten Rotordrehzahl war in alten Systemen fast immer ein technisches Zahnrad erforderlich, um den Stromerzeuger mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit antrieb. Deshalb kommen nun auch Gearless-Systeme zum Einsatz, bei denen ein besonders optimaler Stromerzeuger unmittelbar vom Läufer mitangetrieben wird. Langlebige Aggregate sind jedoch grösser, was die Dimensionen und das Eigengewicht der Maschinengondel und damit den Konstruktionsaufwand für den Tower erheblich steigert.

Mit Hilfe von permanent erregten Aggregaten mit starken Neodym-Permanentmagneten können die Baugröße und das Eigengewicht des Aggregats erheblich reduziert werden, und der Effizienz ist noch größer. Für den Energieertrag einer Windturbine ist die Windstärke von ausschlaggebender Relevanz. Im Halbwindmodus nimmt die Ergiebigkeit um den Faktor 8 ab! Der von einer Windturbine produzierte Strom richtet sich in hohem Maße nach der Windstärke.

Sie ist im Grunde genommen der dritten Leistung der Windstärke, d. h, verhältnismäßig. Sie wird durch die Verdoppelung der Windstärke um das Achtfache vergrößert. Selbst bei sehr starken Windstärken bei Sturm müssen die Turbinen abgestellt werden, um Schäden zu vermeiden. Die modernen Turbinen mit optimierter Sturmkontrolle sind in der Regel so konzipiert, dass sie bei weit über dem Wert für die maximale Leistung liegenden Windstärken noch mit maximaler Leistung (nur mit reduziertem Wirkungsgrad) betrieben werden können; sie müssen erst bei wesentlich höherer Windstärke (bei Stürmen) vollständig ausgeschaltet werden.

Große Windkraftanlagen haben heute eine Höchstleistung von mehreren Mega-Watt. Derartige Werke haben Läuferdurchmesser von z.B. T. über 100 km. Auch die Nabenhöhe beträgt mehr als 100 Meter, um die höheren Windstärken in dieser Höhenlage zu ausnutzen. Die Effizienz des Läufers einer Windturbine, auch bekannt als Leistungsfaktor, ist das Übersetzungsverhältnis der gewonnenen elektrischen (oder gelegentlich mechanischen) Energie zur Energie des einfallenden Windes.

Letzteres wird als reiner Theoriewert berechnet: die Kraft, die erhalten würde, wenn die Druckluft bis zum vollständigen Stillstand durchbricht. Beste Windturbinen (mit dreiläufigen Rotoren) erreichen bereits jetzt einen Anteil von ca. 50 % (zumindest in einem bestimmten Drehzahlbereich ), so dass das physikalisch Machbare bereits weitestgehend ausgelastet ist.

Eine weitere Verbesserung ist zum Teil darauf ausgerichtet, gute Leistungszahlen in einem breiteren Spektrum von Windstärken zu erreichen. Möglich ist dies z. B. durch eine veränderliche Rotorgeschwindigkeit (zweistufig oder gar stufenlos): Bei niedrigeren Windstärken ist eine geringere Geschwindigkeit vorteilhafter. Die oft erwähnte durchschnittliche Windstärke ist dafür jedoch kein gutes Mass, da die produzierte Energie keinesfalls der Windstärke entspricht, sondern mit der dritten Energie steigt (siehe oben).

Hätte zum Beispiel ein Betrieb eine konstante Windstärke von 4 m/s das ganze Jahr über und weitere 8 m/s für die Hälfte der Zeit und keinen Sonnenschein außerhalb dieser Zeit, wäre der Jahresertrag am zweiten Betrieb etwa viermal so hoch, obwohl der Mittelwert in beiden Betrieben 4 m/s wäre. Der Durchschnittsertrag am zweiten Betrieb wäre viermalsolliger.

In gutem Onshore-Betrieb schaffen Windkraftanlagen weit über 2000 volle Laststunden pro Jahr - offshore und Utilities. Ullrichs. ?U auch 3000 Std. Die erreichbare Anzahl von Vollaststunden pro Jahr ist daher viel sinnvoller (was jedoch nicht nur vom Ort, sondern auch von der Fabrik abhängt). Dabei werden an geeigneten Onshore-Lagen (oft an Seeküsten) weit über 2000 volle Laststunden pro Jahr erreicht, möglicherweise auch ca. 3000 Std.

Die durchschnittliche produzierte Energie ist also klar über 20 Prozent der Höchstleistung (zum Vergleich: Ein Jahr hat 365 - 24 = 8760 Stunden.). Auf Offshore-Standorten kann es noch mehr sein, während im Inland und unter U. nur 1000 Vollaststunden erreichbar sind. Bei der Gegenüberstellung des Energieertrags mit anderen Kraftwerkstypen ist natürlich zu berücksichtigen, dass die Anzahl der dort oft erheblich höheren Durchlaststunden ( "oft mehr als 8000 Std. pro Jahr" bei Grundlastkraftwerken) ist; der Abgleich nur der Maximalleistungen kann hier täuschen.

Ein Berechnungsbeispiel ist eine Windkraftanlage mit einer Kapazität von 3 Megawatt, die ca. 4 Mio. (Stand 2012) ausmacht. In guter, aber nicht ausgezeichneter Lage erreichen sie 2000 Vollaststunden pro Jahr und erzeugen 3 Megawatt - 2000 h = 6000 MWh = 6 Mio. KW.

Oftmals wird die Standort-Qualität durch den Abgleich des erwarteten Ertrages einer Windturbine mit einem Bezugsertrag bestimmt, der sich bei standardisierten Windverhältnissen ergäbe. So zeigen zum Beispiel exzellente (zugegebenermaßen seltene ) Lagen 130% des Referenzertrages, während arme Lagen weit darunter sein können. Neben dem Standortangebot gibt es natürlich noch viele andere Faktoren für die Standortwahl: Auch wenn die Windstärke besonders bedeutsam ist, gibt es noch einige andere bedeutsame Standortbedingungen.

Windkraftanlagen dürfen nicht zu nah zusammen gesetzt werden, da sonst der Gewinn pro Windkraftanlage abfällt. Auf der anderen Seite sollte der Ort nicht zu nah an Wohngebäuden sein, um Lärmbelästigung und Schattenbildung zu verhindern. Demgegenüber steht jedoch die Tatsache, dass es im südlichen Teil weniger produktive Orte gibt als im nördlichen Teil. Der Einsatz auch einkommensschwacher Gebiete im südlichen Teil würde zu erhöhten Belastungen gegenüber der Verwendung wesentlich verbesserter Gebiete im nördlichen Teil des Landes und damit zu zusätzlichen Aufwendungen für die Stärkung der Stromnetze im Fernverkehr mitführen.

Die meisten Windturbinen werden an Land errichtet - am liebsten an windigen Orten, die entweder auf flachem Gelände oder vorteilhaft auf Hängen oder Gebirgen gelegen sein können, die den Windstrom möglicherweise noch bündeln können. In den Küstengebieten, vor allem in den überwiegend landwirtschaftlich genutzten Gegenden, gibt es oft vorteilhafte Lagen.

Hier werden oft ganze Windräder (Gruppen vieler Windräder) erbaut. Soweit vorteilhafte Onshore-Lagen knapper werden, werden OffshoreLagen (z.B. h. Lagen im Wasser, auch in größerer Entfernung zur Küste) immer attraktiver. Allerdings werden bereits jetzt alternativ Verfahren zur Fixierung von schwebenden Windkraftplattformen mit am Meeresboden befestigten Drahtseilen getestet, bei denen noch viel tiefere Gewässer kein Problem mehr darstellen.

Der Energieertrag ist daher viel besser als an Land. Der Energieertrag ist deutlich höher. Die wesentlichen Vorteile der Offshore-Windenergie sind die in der Regel hohen durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten (oft mit weniger Fluktuationen als an Land) und die Entwicklung großer Gebiete ohne Beeinträchtigung des Landschaftsschutzes oder anderer Landnutzungsformen. Höhere Systemkosten und Netzanbindungskosten können durch die erreichte Höchstleistung ausgleichen werden.

Problematisch sind vor allem der Lebenszyklus (mit dem Ziel, unter B 25 Jahre zu erreichen) und die Instandhaltung unter rauen Einsatzbedingungen. Salzhaltige Meeresluft begünstigt in hohem Maße die Oxidation von Komponenten, und die Instandhaltung von Installationen auf See (insbesondere in größerer Entfernung vom Ufer) ist teuer. Deshalb ist hier die Erforschung sehr widerstandsfähiger Systeme besonders wichtig.

Es handelt sich um zwölf Windturbinen von zwei unterschiedlichen Produzenten mit einer maximalen Kapazität von je 5 MegaWatt. Später werden die Windparks auf See viel umfangreicher sein. Dabei kann es von Vorteil sein, Altanlagen, die noch in Betrieb sind, durch weniger, aber grössere Neuanlagen zu ersatz. Deshalb werden immer häufiger Altanlagen mit geringer Ausbringung durch neue Werke abgelöst - noch bevor sie die technische Nutzungsdauer erreicht haben -, um gute Lagen besser zu nützen.

In einigen Fällen kann die erreichte Gesamtproduktion deutlich gesteigert werden, auch wenn die Zahl der Windkraftanlagen sinkt. Auch wenn der Einsatz von Windkraftanlagen in der Regel sehr umweltschonend ist, ist es möglich, dass eine Reihe von negativen Auswirkungen auftritt: So kann es z.B. zu einer Erhöhung der Energieeffizienz kommen: Doch nicht zu stark belegte Windkraftanlagen werden von vielen Menschen gar als wunderschön wahrgenommen. Aus Umweltschutzgründen sind einige Orte für die Installation von Windkraftanlagen nicht vorgesehen.

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