Strom aus Wind
Infos über Windenergie.
Die Windenergie ist eine der ältesten vom Menschen genutzten Energieformen. Schon seit Jahrhunderten werden Windmühlen zur Erleichterung von mechanischen Arbeiten genutzt. Im 19. Jahrhundert wurden die ersten Versuche unternommen, die mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Mit dem Fortschritt der Technik, dem steigenden Energiebedarf und dem wachsenden Bewusstsein für die Umwelt begann der Vormarsch des Stroms aus Wind.
Alles über Energiewandlung
Die Sonneneinstrahlung erwärmt die Erdoberfläche und die darüber liegenden Luftmassen je nach geographischer Region unterschiedlich stark. So ist die Einstrahlung am Äquator stärker als an den Polen. Wassermassen erwärmen sich langsamer als Landmassen, geben ihre Wärme aber auch langsamer wieder ab, sodass sich Landmassen tagsüber schneller aufwärmen, sich nachts aber im Vergleich zu Wassermassen auch wieder schneller abkühlen. Durch die aufsteigende Luft in stark erwärmten Regionen entstehen dadurch Tiefdruckgebiete, während sich in kühleren Regionen Hochdruckgebiete bilden. Um diese unterschiedlichen Druckgebiete auszugleichen, strömt Luft von Hoch- zu Tiefdruckgebieten – es entsteht Wind.
Wind ist also nichts anderes als bewegte Luft.
Bei der Stromerzeugung durch Windenergie wird die Windbewegung mittels der Rotorblätter, welche die Energie des Windes in eine Drehbewegung versetzen, in Rotationsenergie umgewandelt. Diese Rotationsenergie leitet der Rotor an einen Generator weiter, der daraus elektrischen Strom erzeugt. Die Menge des erzeugten Stroms hängt im Wesentlichen vom Durchmesser des Rotors, der Leistung des Generators, der Nabenhöhe und der Windstärke ab.
Im Fall einer Windenergieanlage findet also eine Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie statt.
Bei der Umwandlung der Bewegungsenergie in Rotationsenergie nutzen alle marktgängigen Anlagentypen das Prinzip des aerodynamischen Auftriebs. Wenn eine Luftströmung einen konvex geformten Rotor umströmen muss, entsteht unterhalb des Flügels ein Überdruck, während oberhalb des Flügels ein Unterdruck herrscht. Diese Druckdifferenzen erzeugen eine Auftriebskraft, welche die Rotorblätter der Windenergieanlage in Bewegung versetzt.Welche Windgeschwindigkeiten sind optimal?
Die Windenergie wird ab einer Windgeschwindigkeit von 3 bis 4 m/s, je nach Anlagentyp, für die Stromerzeugung nutzbar. Ab dieser Windgeschwindigkeit beginnen sich die Rotorblätter zu drehen. Dabei nimmt die Leistung mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zu. Verdoppelt sich die Windgeschwindigkeit, verachtfacht sich die Leistung. Die Nennleistung, also den maximalen Energieertrag, erreichen die Generatoren bei 12 bis 15 m/s, die sie dann auch bei höheren Windgeschwindigkeiten konstant beibehalten. Durch die aktive Blattverstellung bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten wird die Energieausbeute der pitch-geregelten Enercon Anlagen optimiert. Diese moderne und leistungsfähige Regeltechnik, bei der die Leistung durch die Verdrehung der Rotorblätter (Regelung des Anstellwinkels) an die Windgeschwindigkeit angepasst wird, gewährleistet einen Betrieb der Anlagen auch bei Starkwind und Sturm (ab 25 m/s). Erst ab einer Windgeschwindigkeit von 30 m/s (Orkanstärke) werden die Enercon Anlagen aufgrund des zu starken Windes automatisch abgeschaltet.
DunoAir optimiert Ihre Energieausbeute
Bei der Umwandlung von Energie in die verschiedenen Energieformen wird ein Teil der eingesetzten Energie ungenutzt an die Umwelt abgegeben. So kann eine Windenergieanlage rein physikalisch maximal nur 59 % der im Wind enthaltenen kinetischen Energie nutzen und in mechanische Energie umwandeln. Dieses von Albert Betz berechnete theoretische Maximum wird jedoch in der Praxis aufgrund aerodynamischer, mechanischer und elektrischer Verluste nicht erreicht. So kommt es durch Reibung und Verwirbelungen am Rotorblatt und durch den Drall im Nachlauf des Rotors zu aerodynamischen Verlusten. Mechanische Verluste entstehen durch Reibung im Lager und dem Getriebe sowie im Generator selbst. Wärmeentwicklung durch elektrische Widerstände in Umrichter und Kabeln sorgt für elektrische Verluste. Aufgrund dieser Umwandlungsverluste erreichen unsere modernen Enercon Anlagen heute eine Ausbeute zwischen 40 und 50 %.
Bestandteile einer Windenergieanlage: Mehr als die Summe der Teile.
Moderne Windenergieanlagen zur netzgekoppelten Stromerzeugung sind hochtechnisierte Anlagen, die im Wesentlichen aus 50 bis 150 m hohen Turmbauten, der Gondel mit den maschinellen Einrichtungen und dem Rotor mit horizontaler Achse und drei Rotorblättern bestehen.
Fundament
Das Fundament ist das Bindeglied zwischen Turm und Baugrund und trägt sämtliche statischen und dynamischen Lasten der Windenergieanlage. Die Fundamente unserer Enercon Anlagen sind kreisförmig und bestehen aus einem Stahlgeflecht, das mit Beton ausgegossen wird. Die Kreisform hat den Vorteil, dass die Kräfteeinwirkung für alle Windrichtungen gleich ist und das zu verbauende Volumen an Beton und Stahl nachweislich reduziert wird. Die Anfüllung des Fundamentes mit dem Bodenaushub der Baugrube ermöglicht es zusätzlich, die Standsicherheit auch mit einem kleineren Durchmesser zu gewährleisten.
Turm
Der Turm ist das größte und schwerste Teil der Windenergieanlage. Enercon produziert Türme zwischen 50 und 150 m Höhe und von mehreren hundert Tonnen Gewicht. Die Höhe des Turmes ist unter anderem entscheidend für die Ertragssituation an einem Standort. Je höher der Turm, desto geringer sind die Belastungen durch Turbulenzen und desto höher sind die Windgeschwindigkeiten. Wir tendieren daher zu immer größeren Nabenhöhen, mit denen sich höhere Erträge erzielen lassen.
Die bevorzugte Turmbauart unserer Enercon Anlagen sind Rohrkonstruktionen aus Beton, die in Segmenten zum Standort transportiert und dort montiert werden.
Eine weitere Besonderheit der Türme von Enercon sind die grünen Streifen am Fuß des Mastes. Durch die verschiedenen Grüntöne soll eine bessere Integration in das Landschaftsbild erreicht werden.Rotor
Der Rotor „fängt“ die Energie des Windes ein und gibt sie an den Antriebsstrang weiter. Dabei verbindet die Rotornabe die Rotorblätter mit dem Rest der Anlage und überträgt die Leistung auf die Rotorwelle. Über die Rotorblätter wird bei unseren Windenergieanlagen auch das Bremsen der Anlage gesteuert. Durch die Blattwinkelverstellung (Pitch-Regelung) ist eine Leistungsbegrenzung der Anlagen bei hohen Windgeschwindigkeiten möglich. Über sogenannte Pitch-Motoren kann die Lage jedes einzelnen Rotorblattes zum Wind gesteuert werden und so die Aerodynamik aktiv kontrolliert werden. Dies ist notwendig geworden, da die heute verwendeten Rotorblätter mit Längen von 35 bis über 60 m sehr hohe Kräfte entwickeln, die mit mechanischen Bremsen nicht mehr beherrschbar sind.
Das Besondere am Enercon Rotorblattkonzept ist die veränderte Blattgeometrie, bei der auch der innere Teil der Rotorkreisfläche genutzt und somit der Wirkungsgrad erhöht wird. Auch die Blattspitzen sind hinsichtlich Schallemission und Energieertrag optimiert.Gondel
Schnittzeichnung: ENERCON Gondel Die Gondel befindet sich auf der Spitze des Turms und enthält den gesamten Maschinensatz einer Windenergieanlage. Das zentrale Bauteil ist der Antriebsstrang, der im Falle unserer Enercon Anlagen aus Rotornabe, Rotorwelle mit Lagerung und Generator besteht. Um den großen Ringgenerator in der Gondel unterbringen zu können, haben Enercon Anlagen die charakteristische Eiform. Die Gondel ist aufgrund der notwendigen Windrichtungsnachführung drehbar auf dem Turm gelagert und lässt sich über sogenannte Azimuthmotoren drehen. Über sie wird die Windenergieanlage optimal zum Wind ausgerichtet. Rein optisch sind die von DunoAir geplanten Anlagen durch das auf der Gondel angebrachte blaue Firmenlogo zu identifizieren.
Getriebeloses Anlagenkonzept
Getriebeloses Antriebskonzept DunoAir plant in seinen Windparks ausschließlich mit der getriebelosen Anlagenkonzeption der Enercon Windenergieanlagen. Bei getriebelosen Anlagen treibt der Rotor einen speziellen Synchrongenerator (einen Ringgenerator) mit großem Durchmesser direkt an. Dieser Ringgenerator ist direkt an die Nabe der Windenergieanlage gekoppelt und dreht sich langsam mit einer Rotordrehzahl von 6 bis 20 Umdrehungen pro Minute. Die Ausgangsspannung und -frequenz dieses hochpoligen Synchrongenerators variieren mit der Drehzahl und werden über einen zwischengeschalteten Gleichstromkreis mit Wechselrichter für die Abgabe an das Netz umgerichtet.
Im Gegensatz zu Getriebeanlagen verfügen die getriebelosen Anlagen, mit denen wir planen, über weniger bewegte Teile und kaum Mechanik und garantieren so einen geringeren Materialverschleiß und lange Lebenszeiten. Auch Wartungen, Ölwechsel und Reparaturen der Getriebe werden überflüssig. Einziger Nachteil des getriebelosen Anlagenkonzeptes ist die Größe und das Gewicht des Ringgenerators, der deutlich größer und schwerer ist als ein klassischer Synchrongenerator.
Funktionsweise eines DunoAir Windparks
Die größten Anlagen, mit denen wir planen, erreichen heute eine Leistung von 3 bis zu 7,5 MW und haben einen Rotordurchmesser von 80 bis 126 Metern. Neben einer ständigen Leistungsüberwachung und Regelung verfügen die Anlagen über eine Fehlerfrüherkennung und über Systeme zum Blitzschutz und stehen üblicherweise in Windparks. Während in der Vergangenheit oftmals noch Einzelanlagen betrieben wurden, werden die meisten Anlagen heute in Windparks zusammengefasst, sodass Synergieeffekte bezüglich der Netzeinspeisung und der Wartungsarbeiten generiert werden können. Auch das Landschaftsbild wird durch die modernen Großanlagen in Windparks weniger beeinflusst, da einzelne Standorte besser genutzt werden, sodass andere Flächen frei bleiben können. Darüber hinaus stehen auch die Flächen rund um die Windenergieanlage weiterhin der Landwirtschaft oder der Natur zur Verfügung.
Potenzielle Standorte für Windkraft
Gute Windgebiete in Deutschland sind neben den Küstengebieten vermehrt auch Binnenstandorte. Angesichts der stetig steigenden Masthöhen werden die exponierten Lagen der Mittelgebirge sehr attraktiv für die Errichtung von Windenergieanlagen.
Bei der Ausweisung von Windvorranggebieten in den Regionalplänen der Länder dienen die Mindestabstände zu Wohngebieten und Verkehrswegen, zu Naturschutzgebieten und Biotopflächen, zu Gewässern sowie zu Militärbasen und Flughäfen als Entscheidungsgrundlage. Sind Vorranggebiete gefunden und ausgewiesen, muss eine verfeinerte Standortplanung naturschutzfachliche Interessen, insbesondere den Artenschutz, berücksichtigen. In einer Umweltverträglichkeitsstudie werden die Eingriffe in Natur und Landschaft bewertet und notwendige Kompensationsmaßnahmen festgelegt. Zusätzlich werden die lokalen Windverhältnisse des ausgewählten Standortes genau analysiert und die Schall- und Schattenimmissionen ermittelt. Anhand der Ergebnisse der vorangegangenen Untersuchungen wird letztendlich das genaue Parklayout festgelegt.Netzeinspeisung
Im Generator werden die drehenden Bewegungen in elektrischen Strom mit einer Spannung von 400 Volt umgewandelt. Die Menge des erzeugten Stroms hängt im Wesentlichen vom Durchmesser des Rotors, der Nabenhöhe und der Windstärke ab.
Um elektrische Energie in ein Stromnetz einzuspeisen, muss dieser Strom an die Netzfrequenz, Phasenlage und Spannung angepasst sein.
Wie die Mehrheit der heutigen Anlagen werden auch die von uns geplanten Enercon Anlagen mit einer variablen Rotordrehzahl betrieben. Die variable Frequenz des Generators wird dann mit Hilfe eines Umrichters an die gewünschte Netzfrequenz – in Europa sind es 50 Hz – angepasst bzw. synchronisiert.
Über einen Transformator, der die Spannung je nach lokaler Netzspannung auf 20 kV hochspannt, wird der erzeugte Strom an das nächstgelegene Umspannwerk weitergeleitet. Von hier aus wird der Strom ins Stromnetz eingespeist, aus dem der Endverbraucher seinen Strom bezieht.
Das Stromnetz als Übertragungsmedium der elektrischen Energie zwischen Windenergieanlage und Endverbraucher ist unterteilt in eine Übertragungs- und eine Verteilernetzebene. Windenergieanlagen sind überwiegend an das Verteilernetz angeschlossen. Der Netzanschluss findet hier meist in der Mittel- und Hochspannungsebene statt.Repowering für optimale Energieeffizienz
Zentrales Instrument für die Steigerung der Windenergiegewinnung an Land ist mittlerweile das Repowering. Ältere, kleinere Windenergieanlagen mit geringeren Erträgen, wie sie noch in den Anfangszeiten der Windbranche errichtet worden sind, werden durch moderne und leistungsstärkere Anlagen ersetzt. Daraus ergeben sich einige Vorteile:
- Steigerung der Energieeffizienz bei sinkender Anlagenanzahl
- Erhöhung der kommunalen Einnahmen durch die Gewerbesteuer
- Entlastung des Landschaftsbilds durch Verringerung der Anlagenanzahl & Beseitigung von Einzelanlagen
- Verbesserung der Netzintegration
Windenergieanlagen besitzen eine hohe Lebensdauer von 25 bis 30 Jahren. Durch die großen Fortschritte in der Technik ist es aber durchaus sinnvoll, ältere Anlagen schon vor Ablauf der Lebensdauer zu ersetzen, um so die Vorteile des Fortschritts nutzen zu können, Natur und Landschaft zu entlasten und höhere Erträge zu erzielen. Das Repowering bietet außerdem die Möglichkeit, Planungsfehler aus den Pionierjahren zu korrigieren und so eine höhere Akzeptanz in der Bevölkerung zu schaffen.
Durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) wird das Repowering entsprechend vergütet, um so Anreize in der Planung zu schaffen.
Maximaler Energieertrag
Abhängig vom Typ beginnt eine Windkraftanlage ab einer Windgeschwindigkeit von etwa drei Metern pro Sekunde (m/s) Strom zu produzieren. Der maximale Energieertrag wird bei einer Windstärke von 12 bis 13 m/s erreicht. Sobald eine Windstärke von 28 m/s (Orkanstärke) überschritten wird, werden die Anlagen automatisch abgeschaltet. Erst wenn der Wind wieder eine akzeptable Stärke erreicht hat, schalten die Anlagen dann automatisch wieder ein.