Windkraftanlage – Geschichte und Funktion

Dänemark: Wiege der modernen Windkraftnutzung

Die moderne Windkraftnutzung für die Stromerzeugung beginnt knapp vor 1900 in Dänemark. Aus der starken dänischen Volkshochschulbewegung heraus wollte man neue Chancen für die ländliche Bevölkerung erschließen. Dazu sollte die Stromversorgung mittels Windkraftanlagen dienen. Die damaligen Entwicklungen waren erstaunlich zuverlässig. Durch die windkraftbetriebenen E-Werke fand in Dänemark als einzigem Land der Erde die Elektrifizierung in ländlichen Gebieten gleichzeitig oder sogar früher statt als in den Städten. Durch die sich ausbreitenden zentralen Kohlekraftwerke samt ihren Überlandleitungen wurden die Windkraftanlagen verdrängt. Zu Krisenzeiten, beispielsweise in den Weltkriegen, griffen findige Ingenieure auf die Windkraft als unabhängige Energiequelle regelmäßig zurück und brachten sie auf den aktuellen Stand der Technik.

Startschuss erfolgt in der Energiekrise

Der eigentliche Startschuss zu dem anhaltenden Boom erfolgte jedoch erst nach der ersten Energiekrise 1973/74. Um die Erdölabhängigkeit zu reduzieren, sollten in Dänemark in Zukunft nur noch Atomkraftwerke gebaut werden. Aufgerüttelt durch diese Pläne, begannen engagierte Praktiker, an ihren eigenen Energiekonzepten zu arbeiten. Daraus entstand 1976 die erste netzgekoppelte Windkraftanlage (WKA) im Eigenbau. Die Windräder wurden zum Symbol der Anti-Atom-Bewegung und immer mehr Leute wollten mit ihren “Windmühlen” ein Zeichen setzen. Die Anlagen wuchsen kontinuierlich von einer Anfangsgröße von 22kW und 15m Durchmesser. Aus den Bastlerwerkstädten wurden kleine Betriebe.

Erste Windparks in USA und Deutschland

Der Durchbruch für die Windkrafttechnologie wurde 1985 durch Steuerabschreibungs-Regelungen in Kalifornien eingeleitet. Durch diese Regelungen wurde die Errichtung von Windkraftanlagen zu einem lukrativen Geschäft. Da nur die Dänen zu dieser Zeit tatsächlich funktionierende Anlagen anbieten konnten, verwandelte sich in Dänemark das Manufakturprodukt Windkraftanlage mit einem Schlag in ein Massenprodukt, das mehrere tausend Mal pro Jahr erzeugt wurde. Als nach wenigen Jahren die Steuerabschreibungsmodelle eingestellt wurden, fand der kalifornische Windkraftboom ein jähes Ende. Die Größe der Serienanlagen war auf 125kW und 20m Durchmesser angewachsen.

In den USA und Deutschland wurden gleichzeitig staatliche Forschungsprogramme durchgeführt. Dabei baute man Pilotanlagen mit einer Größe von bis zu 4500 kW und einem Rotordurchmesser von bis zu 120 m. Fast alle dieser top-down Ansätze endeten jedoch erfolglos. Nach der kalifornischen Ernüchterung gestaltete sich die Windkraftnutzung in Dänemark in verkleinertem Maßstab. Unterstützt wurde sie dabei von der Politik, die die Windenergie als heimische und umweltfreundliche Energieform anerkannte. Dadurch gab es für Windkraftanlagen verschiedene Förderungen: unter anderem wurden für den Strom aus Windrädern höhere Tarife festgesetzt. Das dritte Land, das aus der Geschichte der neuen Windkraft nicht wegzudenken ist, ist Deutschland. Dort trat 1991 das sogenannte Stromeinspeisungsgesetz in Kraft, das Windenergieanlagenbetreibern einen wirtschaftlichen Einspeisetarif sicherte. Auch andere Länder folgten dem dänisch/deutschen Vorbild wirtschaftlicher Einspeisetarife, was zu jährlichen Wachstumsraten von über 40 % in der Windbranche dieser Staaten führte.

Geschichte der Windkraftnutzung in Österreich

Auch in Österreich weckte die Energiekrise das Interesse an Erneuerbaren Energien im Allgemeinen und an der Windenergie. Die staatlichen Forschungsanstrengungen konzentrierten sich auf kleine Anlagen. Trotz ansehnlicher technischer Lösungen blieb der rasche Erfolg aus. Dies, die Beruhigung auf dem Energiemarkt und vor allem das Fehlen einer Erprobungs- und Absatzmöglichkeit auf dem Heimmarkt brachten die österreichischen Forschungsanstrengungen in der zweiten Hälfte der 80er-Jahre zum Erliegen.

Potenzial lange Zeit unterschätzt

Lange Zeit wurde angenommen, dass das österreichische Windpotenzial für eine Nutzung durch Windkraftanlagen unzureichend sei. Erst eigene Messungen von Windenergieliebhabern Ende der 80er-Jahre zeigten die guten Windverhältnisse auf. Viele Standorte in Ostösterreich, speziell im Burgenland, können selbst mit Gebieten 15 km hinter dänischen und deutschen Küsten konkurrieren.

Förderung über das Ökostromgesetz

1994 kam es zu einer ersten Förderregelung für Windkraft, in deren Folge im Marchfeld die erste größere Windkraftanlage Österreichs mit einer Leistung von 150 kW errichtet wurde. Ein Jahr später wurde die erste Windkraftanlage mit Bürgerbeteiligung in Michelbach errichtet. Die österreichische Windkraft und Bürgerbeteiligung sind seit dieser Zeit sehr eng miteinander verbunden. Bereits 1996 hatten die Windkraftanlagen eine Leistung von einem halben MW erreicht. Die Hartlauer-Anlagen in Vösendorf wurden auch in diesem Jahr errichtet. Mit dem Elektrizitätsgesetz ElWOG wurde 1998 erstmals eine Abnahmepflicht zu festen Tarifen (Einspeisetarifen) für Ökostromanlagen geschaffen, welches im Ökostromgesetz 2002 weiter ausgebaut wurde. Das Gesetz löste einen Bauboom aus. 2006 erfolgten durch eine Novelle des Ökostromgesetzes wieder stark einschränkende Maßnahmen. Einspeisetarife werden seither nur mehr für jene Anlagenbetreiber vergeben, welche einen Vertrag mit der Ökostromabwicklungsstelle OeMAG erhalten. Es ist ein jährliches Kontingent an Fördermitteln für Neuanlagen vorhanden, nur solange dieses nicht erschöpft ist, gibt die OeMAG Verträge aus. Diese Regelung führte in Kombination mit äußerst niedrigen Einspeisetarifen dazu, dass in den Jahren 2007 bis 2009 bis auf wenige Ausnahmen fast keine Windkraftanlagen in Österreich errichtet wurden.

Erst die im Oktober 2009 in Kraft getretenen Verbesserungen des Ökostromgesetzes sowie der für 2010 verordnete Einspeisetarif in Höhe von 9,7 ct/kWh brachten den Windkraftausbau in Österreich wieder in Gang. Aber erst mit dem Ökostromgesetz 2012 hat die zweite große Ausbaustufe der Windkraft in Österreich begonnen.

Technik

In den letzten Jahrzehnten haben sich die technische Entwicklung und damit auch das Größenwachstum der Windkraftanlagen rasant gestaltet.

Die heute in Deutschland gängige Windenergieanlage hat einen Rotordurchmesser von circa 90 Meter, eine Nennleistung von 2,5 MW und eine Turmhöhe je nach Standort zwischen 80 und 130 Metern. Große Anlagen liegen mit der Nennleistung und dem Durchmesser etwa bei dem Doppelten. Damit hat sich die Nennleistung in den vergangenen zehn Jahren verzehnfacht, der Rotordurchmesser und die Nabenhöhe haben sich verdoppelt.

2012-02-17-groessenwachstum

Funktionsweise

Die Windenergieanlage nutzt die Windenergie – genauer die im Wind enthaltene Leistung – und wandelt diese mit dem Windrotor erst in mechanische und dann über einen Generator in elektrische Energie um.

Der Wirkungsgrad einer typischen Windenergieanlage liegt gegenwärtig bei knapp 50 Prozent im Auslegungspunkt. Die Anlage ist für die Energieversorgung ausgelegt, die nicht die maximale Leistung, sondern den optimalen Energieertrag im Fokus hat. Das bedeutet, dass sich die Anlage den wechselnden Windbedingungen anpassen muss. Bei modernen Anlagen und Windparks steht unter anderem die Netzeinbindung im Zentrum der Entwicklung. Der Windpark muss heute einen Beitrag zu einer stabilen und sicheren Stromversorgung im Sinne der Versorgungssicherheit beitragen.

Energiewandlung

Windenergie ist die kinetische Energie bewegter Luft (von griechisch kinesis = Bewegung). Bei der Umwandlung in elektrische Energie durch eine Windenergieanlage muss die Energie des Windes über die Rotorblätter zunächst in mechanische  Rotationsenergie gewandelt werden, die dann über einen Generator elektrischen Strom liefert.

Energiefluss

Die Wandlung der kinetischen Energie des Windes in elektrische Energie unterliegt, wie alle Energiewandlungen, energetischen „Verlusten“. So kann dem Wind rein physikalisch nicht mehr als 59 Prozent der Leistung entnommen werden. Zusätzlich kommen noch aerodynamische Verluste durch Reibung und Verwirbelungen am Rotorblatt hinzu. Circa weitere zehn Prozent Verluste entstehen durch Reibung in den Lagern und dem Getriebe sowie im Generator selbst, in den Umrichtern und den Kabeln als elektrische Verluste.

Kinetische Energie

Jede bewegte Masse m (Körper, Flüssigkeit oder Gas) enthält kinetische Energie EKin. Sie ist gleich der Hälfte der Masse des Körpers mal dem Quadrat der Geschwindigkeit v:

Ekin

 

 

 

Für Windkraftanlagen ist die bewegte Masse die Luft, die durch die Rotorfläche strömt.

Energie und Leistung

Der Luftdurchsatz, auch Massenstrom genannt, der in einer bestimmten Zeit durch die Rotorfläche eines Windrades strömt, beträgt:

Luftdurchsatz

 

 

Die Leistung P ist gleich der Energie E pro Zeiteinheit. Somit ergibt sich für die Leistung des Windes:

Pwind

 

 

Da der Luftdurchsatz proportional und die Energie des Windes vom Quadrat der Windgeschwindigkeit abhängig ist, ist die Leistung des Windes von der dritten Potenz der Geschwindigkeit abhängig.

Pwind2

 

 

Somit ist der entscheidende Faktor für die Leistung des Windes seine Geschwindigkeit.
Nimmt die Windgeschwindigkeit um das 3 fache zu, so wird die Leistung um 3x3x3 = 27 Mal größer.
Die Dichte der Luft hat einen linearen Einfluss auf die Leistung. Kalte Luft ist dichter als warme Luft, somit liefert eine Windkraftanlage bei gleicher Windgeschwindigkeit z.B. bei -10°C ca. 11% mehr Energie als bei +20°C. Da die Dichte der Luft auch vom Umgebungsdruck abhängig ist, haben Hoch- und Tiefdruckgebiete sowie die Höhenlage des Standorts einen Einfluss auf den Ertrag eines Windrades.

Mechanische Leistung

An der drehenden Welle des Rotors wird die mechanische Leistung Pmech über das Produkt aus Drehmoment M und Rotorwinkelgeschwindigkeit Ω bzw. Drehzahl n bestimmt:

Pmech

Elektrische Leistung

Der angetriebene Generator setzt die mechanische Leistung in elektrische Leistung, die über das Produkt von Strom I und Spannung U bestimmt ist, um. Hier gilt das Induktionsgesetz, das die Kopplung von elektrischen und magnetischen Größen beschreibt. Beim Generator ergibt sich die induzierte Spannung auf einen im Magnetfeld bewegten elektrischen Leiter als Wirkung. Beim Motor ist die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im drehenden Magnetfeld die Folge.

http://www.wind-energie.de/infocenter/technik/funktionsweise/energiewandlung

 

 

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