Windkraft

1890 bis 1930 war die Periode die zum aufkommen elektrizitätserzeugender Windkraftanlagen. Hier war es vergleichbar wie in der ersten Phase mit Windmühlen. Ein gewisser Vorsprung in der Technik gelang den Wissenschaftlern mit den Grundlagen der Aerodynamik. Aufgrund des preisgünstigeren Erdöls endete diese Periode ebenfalls.

Die erste Innovationsphase fand zwischen 1930 und 1960 stand. Zu dieser Phase kam es wegen der Energieknappheit im 2. Weltkrieg. Grundlagen in der Aerodynamik, die in der zweiten Phase erworben wurden, haben die Wissenschaftler/Physiker in dieser Phase zur Fortschritten gebracht.

Seit 1973 kommen viel mehr die Themenbereiche Energiekreise und Umweltproblematik im Vordergrund. Dazu auch die technischen Fortschritte, die zur kommerziellen Durchbruch sorgen. Diese Phase wird auch als die zweite Innovationsphase mit Kommerzialisierung gennant.

Die erste Großwindanlage entstand 1941 in den USA. Die Anlage hatte ein Rotordurchmesser von 53 Metern und die Nennleistung betrug 1,2 Mega Watt.

1987 entstand der erste Windpark in Norddeutschland, die eine Gesamtleistung von 8,75 Mega Watt leisten konnte.

In den folge Jahren nahm die Zahl solcher Anlagen stetig zu.

2. Technik

2.1 Anlagearten

2.1.1 Dreiblattrotor

2.1.1.1 Rotor

Eine Windkraftanlage besteht aus mehreren Bestandteilen. Das Herzstück der Anlage ist der Rotor. Der Rotor dient zur Umwandlung der Windenergie in mechanische Rotationsenergie.

Der Rotor besteht aus drei Motorblättern, einer Gondel und einer Aerodynamische Bremse. Innerhalb der Gondel befindet sich die Getriebe, Bremse und Generator.

Weitere Informationen zum Aufbau und Funktionsweise folgen in den weiteren Unterkapiteln.

2.1.1.2 Rotorblatt

Eine Windkraftanlage die man gewöhnlich fast überall sieht besteht aus drei Rotorblättern. Die Rotorblätter dienen dazu, die strömende Energie zu entnehmen, die dann zum Generator zugeführt wird.

Der Rotorblatt beinhaltet im inneren mehrere verschiedene Profile [Bild 1], die zur sehr günstigen Verhältnis von Auftriebs- und Widerstandsbeiwerte sorgen.

Ein sehr besonderes Merkmal des Rotorblattes ist die verstellbare Blattspitze, die bei Überdrehzahl als aerodynamische Bremse genutzt wird. Über ein Führungsholm wird die Blattspitze quer zur Anströmung gestellt, dadurch das die Blattspitze sich am Aussenradius befindet, und die wirksame Kreisringfläche sehr groß ist, ist auch die Bremskraft und das Bremsmoment sehr hoch.

2.1.1.3 Getriebe

Die Getriebe einer Windkraftanlage sitzt direkt hinter der Nabe und somit in der Gondel. Sie wandelt den Drehzahl zwischen Rotor und Arbeitsmaschine und somit auch das Drehmoment um. Dadurch wird die Leistung vom langsam drehenden Rotor auf die schneller drehende Spindel zum Maschinenbetrieb übertragen.

Hier nochmal verschiedene Arten von Drehzahlwandlern bei Windkraftanlagen[4]

• Stirnradgetriebe
• Planetenradgetriebe
• Kegelradgetriebe
• Riementrieb
• Kettentrieb
• Hydrodynamischer Wandler (Kupplung)

2.1.1.4 Generator

Der Generator einer Windkraftanlage wandelt die mechanische Energie, die durch die Rotorblätter aufgenommen wurde, in elektrische Energie um. Die Funktionsweise des Generators ist so, dass eine Leiterschleife in einem Magnetfeld so bewegt werden, dass sich der Fluß in der schleife ändert. Durch diese Bewegung wird eine Spannung erzeugt. Diese Spannung nennt man in der Elektrotechnik Induktion. Allgemein gilt für einen Generator: Je höher der induzierten Spannung ist, desto höher wird auch die Leitergeschwindigkeit.

2.1.1.5 Nabe und Blattverstellung[6]

Auch ein Bestandteil des Rotors ist die Nabe. Die Nabe fällt bei den Windkraftwerken mit den verschiedenen Bauformen auf, die auch auf Bild 4 bildlich dargestellt sind.

• Blattanschluss starr

Diese Bauform ermöglicht eine hohe Biegewechsellast auf Motorwelle und Schlagbiege(wechsel)last auf die Blattwurzeln.

• Blattanschluss starr und pitchend

Entlastet alle Komponenten der Anlage von Beanspruchungen aus den mittleren Luftkräften bei Standwind und Sturm.

• Blattanschluss schlagend

Diese Form der Nabe entlastet die Blattwurzeln von allen Schlagbiegemomenten und Motorwelle von Biegewechsellasten aus räumlich ungleichmäßiger Rotoranströmungen.

• Blattanschlusspendelnd

Entlastet Rotorwelle von Biegewechsellasten aus räumlich ungleichmäßiger Anströmen und reduziert dynamischen Anteil von Schlagbiegemomenten an den Blattwurzeln.

Eine Neue Generation der Blattverstellung ist das Blattwinkelverstellsystem. Dieses System beruht sich ebenfalls auf das Pitch-Prinzip und wird insbesondere bei Anlagen mit der Multimegawattklasse angebracht.

Durch dieses System kann man eine Leistungsbegrenzung bei hohen Windgeschwindigkeiten erzeugen. Dies schützt die Anlage vor Überlastungen. Bei einem Notfall kann durch die Blattwinkelverstellung, die Blätter in eine sichere Position gebracht werden. Bei einem Notabschalten oder Netzausfall funktioniert dies ohne Fremdenergie.

Das System unterstützt die Pitch-Winkeln im Bereich 0° bis 30° beim Netzbetrieb und 70° bei netzentkoppeltem zustand.

Dieses System befindet sich meist in der Nabe aber kann auch in der Gondel angebracht sein.

2.1.1.6 Bremse

Durch eine kleine Nennleistung auffallende mechanische Bremse, die auch als Betriebsbremse dient, kommt nur in Windkraftanlagen vor. Bei größeren Leistungen benutzt man die mechanische Bremse als Haltebremse.

Eine Windkraftanlage wird Hauptsächlich nur Aerodynamisch gebremst. Das heisst, dass man durch verstellen der Flügel die Anlage zum stehen bringt. Dieses System wird meist bei Anlagen aus Stahl oder Pitch-Anlagen eingesetzt, da man durch verstellen der Blattspitzen (Tip-Bremse) oder des gesamten Motorblattes die Anlage zum ruhen bringt.

Auch mechanische Scheibenbremsen kommen in einer Windkraftanlage vor. Diese Bremsscheiben dienen nur zur Fixierung der Rotorblättern, die bei Notausfällen und manuellen Stopp bei Wartungen, genutzt werden.

2.1.1.7 Messinstrumente

Eine Windkraftanlage muss mit mehreren Sensoren ausgestattet sein. Die zahlreichen Sensoren dienen zur einwandfreien Betriebsführung der Anlage. Die Sensoren befinden sich in und auf der Gondel.

Folgende Größen werden und müssen ermittelt werden:

• Windgeschwindigkeit und -richtung [Bild 5]
• Drehzahl des Rotors und des Generators
• Temperaturen (Umgebung, Lager, Getriebe, Generator, Gondel)
• Öldruck (Getriebe, Kühlkreisläufe, Pitchhydraulik)
• Pitch- und Azimutwinkel
• Elektrische Größen (Spannung, Ströme, Phasenlage)
• Vibrationen und Gondelschwingung

2.1.1.8 Windrichtungsnachführung

Für die Windkraftanlage mit drei Rotorblättern ist die Windrichtung eins der wichtigsten Parameter. Um die senkrechte Anströmung auf die Rotorebene optimal zu nutzen muss die Anlage auch fachgerecht ausgerichtet werden.

Bei der Windnachführung unterscheidet man zwischen zwei Typen. Das aktive System nutzt eine externe elektrische oder hydraulische Hilfsenergie. Dagegen nutzt das passive System die Antriebskraft zur Windrichtungsnachführung.

2.1.1.9 Turm

Der größte und schwerste Bauteil einer Windkraftanlage ist der Turm. Er ist ca. 1,8 mal länger als der Motordurchmesser und wiegt mehrere hundert Tonnen. Auch bei den Kosten macht der Turm durch seinen Transport und der Montage den größten teil aus.

Die höhe des Turms hängt vom Standort ab. Sehr hohe Anlagen werden meist an stellen gebaut, wo man einen hohen Bodenenrauigkeit (z. B. Wald) hat. Sehr hohe Anlagen haben auch eine höhere Nennleistung, dies kann man an Bild 6 genauer entnehmen.

Auch beim Turm gibt es verschiedene Bauarten[11]:

• Abgespannte Masten
• Gittertum
• Stahlrohrtürme
• Betontürme
• Hybrid-Türme

2.1.1.10 Netzanschluss

Windenergieanlagen können verschiedene Spannungsebenen produzieren. In der Hochspannungsebene erlaubt es eine Erzeugung von < 60 kV bis < 220 kV, in der Mittelspannungsebene zwischen = 6 kV und = 60 kV und in der Niederspannungsebene < 6 kV.

Die erzeugte hohe Spannung erlaubt einen Transport von großen elektrischen Leistungen über weite Strecken, ohne allzu hohe Verluste zu bekommen. Dies ist wichtig da, Spannungen in höhe von 220 kV und 380 kV von Kraftwerken in das Übertragungsnetz eingespeist werden. Da die Hochspannungsebene große Leistungen erfordert, werden da z. B. Offshore-Anlagen, die durch den stetigen und starkem Wind, größere Leistungen erzeugen können, genutzt.

Die meisten Windkraftanlagen werden im Mittel- und Hochspannungsebene betrieben. Das heißt, dass 96% der Winderzeugung im Verteilernetz landet. Lediglich 4% der gesamt angeschlossenen Winderzeungsanlagen hat einen Netzanschluss am Übertragungsnetz. Im Ersatzschaltbild [Bild 7], kann man die einzelnen Komponenten entnehmen.

2.1.2 Savonius Rotor [13]

Diese Art von Wirkturbine wurde im 19. Jahrhundert von Sigurd Savonius entwickelt. Die besonderen Merkmale der Anlage sind, dass es bereits bei sehr geringen Windgeschwindigkeiten schon in Einsatz gebracht werden kann. Es ermöglicht bereits ab ca. 2 m/s den Einsatz, da der Maximale Schnelllaufzahl im Bereich von 0,3 bis 0,6 erreicht wird.

Diese Anlage wird nicht als Elektrischeenergieerzeugung genutzt. Der erste Einsatzort des Savonius Rotors ist beispielsweise der Schiffbau zur Belüftung der Mannschafts- und Laderäume. Später wurde diese Anwendung auch im Bereich der Transportfahrzeuge genutzt. Andere Bereiche wären auch, Wasserpumpen, Tiefbrunnen und Bewässerungen. Auch als Anfahrhilfe für den Darrieus Rotor wird diese Anwendung in Einsatz gebracht.

2.1.3 Darrieus Rotor [15]

Der Franzose Georges Darrieus, hat 1925 die Erfindung der Darrieus Rotoren gemacht und diese 1931 patentiert. Im klassischen Darrieus Rotor sind die Rotorblätter am oberen und unteren ende der Welle befestigt. Meist besteht diese Anwendung von 2 oder 4 Rotorblättern. Ein sehr großes Nachteil, was die Anlage auch nicht grad sehr attraktiv macht ist, dass die Anlage nicht von allein Anfahren kann. Es muss von einem Generator oder mit einer integrierten Savonius Rotor in Betrieb gesetzt werden. Auch der maximale Leistungsbeiwert ist geringer als bei Windkraftanlagen mit horizontaler Achse.

Diese Anwendung wird auch mit horizontaler Achse betrieben, was H-Darrieus gennant wird. Bei diese Variante werden die geraden Rotorblätter senkrecht an der Welle befestigt. Diese Form von Anlage ist bei kleinen Windkraftanlagen mit geringer Leistung < 10 kW verbreitet.

3. Windparks

3.1 On-Shore [18]

Windenergieanlagen an Land auch On-Shore gennant spielen in Deutschland eine sehr große Rolle. Im Jahr 2015 gab es 24.867 Windkraftanlagen, die einen Gesamtstrom von 38.115 Megawatt produzierten. Dies macht einen Strommixanteil von über 8% aus. Das bedeutet, dass die On-Shore Anlagen den größten Stromanteil der Erneuerbaren Energien in Deutschland ausmachen. Diese werte kommen dadurch zustande, dass heutzutage Spitzenanlagen mit 7,5 Megawatt in betrieb genommen werden. Dagegen wurden in den Neunzigerjahren Windkraftanlagen mit 600 Kilowatt eingesetzt. Durch die neuen Anlagen kam es auch zu einer Steigerung der Volllastzeiten. Diese extremen Veränderungen macht sich auch an den Preisen bemerkbar. Die Windenergie an Land ist mit unter 9 Cent je Kilowattstunde, die Günstigste der Erneuerbaren Energien.

Die in Deutschland angesiedelten Windparks sind überwiegend in den Nord- und Mitteldeutschen Bundesländern. Wie man auch an Bild 11 sehen kann, ist Niedersachsen Spitzenreiter. Auf dem zweiten Platz ist Brandenburg und auf dem dritten Sachsen-Anhalt. Die dadrunter aufgeführten Bundesländer liegen im Jahre 2012 alle unter 3700 Megawatt.

3.2 Off-Shore [20]

31.12.2014 bei 258 deutschen Offshore Windenergieanlagen wurde eine Gesamtleistung von 1.049,2 MW in das Netz eingespeist. Die Experten der Branche behaupten, dass 2020 jede zweite Kilowattstunde aus Erneuerbaren Energien bestehen wird. Um dieses Ziel zu erreichen sind Off-Shore-Anlagen eine bestimmende Größe. Die Windenergieanlagen auf See weisen im vergleich zu den On-Shore Anlagen 40% mehr Energieausbeute, da auf See starke und stetig wehende Winde bestehen.

Die erste Off-Shore Anlage Deutschlands wurde im Jahre 2010 in betrieb genommen. Mit alpha ventus handelt es sich um ein Pionierprojekt von den Energieversorgern EWE, E.on und Vattenfall. Dieses Projekt konnte bis Februar 2015 insgesamt 1,2 Terawattstunden Energie erzeugen. Zur diesem Off-Shore Windpark wird im Abschnitt 5 „Praxisbeispiel“ näher eingegangen.

Laut EWEA werden in Europa bis 2020 bis zu 40 Gigawatt und bis 2030 150 Gigawatt Offshore-Leistung installiert. Bei diesen Werten werden für Deutschland 2020 bis 6,5 GW und 2030 bis 15 GW installiert. Diese Anlagen werden mit einer Anfangsvergütung von 15,4 Cent/Kilowattstunde, die in den ersten 12 Jahren, ab Inbetriebnahme, abgezahlt werden. Anschließend wird der Satz auf 3,9 Cent/Kilowattstunde runtergesetzt.

Der enorme Rückstand von Deutschland im vergleich zu den skandinavischen und britischen Ländern liegt daran, dass die Standorte weit vor der Küste bis zur 40m Wassertiefe aufweisen müssen. Aus diesem Grund liegen viele geeignete Flächen ausserhalb der 12-Seemeilen-Zone. Anlagen die in der sogenannten „Ausschließlichen Wirtschaftszone“ (AWZ) liegen, weisen deswegen sehr hohe Kosten auf. Die gesamten Technischen Anforderungen, Ausbau, Wartungen und Reparaturen müssen auf hoher See durchgeführt werden.

Nach verschiedenen Prüfungen wurden 20 Offshore-Windpark Projekten in der Nordsee und drei in der Ostsee genehmigt. Diese Windparks werden alle ausserhalb der 12-Seemeilen-Zone liegen.

4. Sicherheit

Sicherheitsvorrichtungen sind die Wichtigsten Vorrichtungen, für eine reibungslose Arbeit von einer Windkraftanlage. Es gibt verschiedene Einflussfaktoren die den betrieb der Anlage stilllegen könnten. Zu diesen gehören sowohl Gefährdungen durch mechanische/elektronische Störungen und auch von außen auftretende Faktoren. Auch bei Wartungen und Reparaturen müssen besondere Sicherheitsvorschriften eingehalten werden, da diese nur von Menschen durchgeführt werden können.

4.1 Brandschutz

Die meisten Brand Unfälle bei Windkraftanlagen passieren durch Überhitzungen oder Blitzeinschläge. Aus diesem Grund, wird besonders mit Sensoren und anderen Messgeräten versucht Unfälle zu vermeiden.

Um Überhitzungen zu vermeiden, werden Temperaturen an fast allen Komponenten einer Windkraftanlage gemessen. Durch eine Datenbank werden die Daten überwacht, die zur eine genaueren Analyse führen.

Auch Funkenbildung durch Überbeanspruchung der Rotorbremsen, führen zu einem Brand. Wenn diese Funken, in die brennbaren Baustoffe, in der Gondel geraten. Andere Faktoren die zu einem Brad führen sind auch, Schäden in der hydraulischen Ölanlagen und elektrische Mängel.

4.2 Blitz- und Überspannungsschutz

Durch zahlreiche Blitzeinschläge wurden viele Windkraftanlagen so beschädigt, dass sie nicht mehr genutzt werden konnten. Um diese Probleme zu beheben, wurden verschiedene Richtlinien nur für den Blitzschutz entwickelt.

Laut Statistiker, trifft alle 10 Jahre ein Blitz eine Windkraftanlage. In der Realität kommt dies viel häufiger zustande. Blitzeinschläge treffen am meisten, am höchsten Punkt der Anlage, aus diesem Grund sind die Rotorblattspitzen mit blitzableitende Rezeptoren ausgestattet. Andere Möglichkeiten sind, den ganzen Rotorblatt entlang Rezeptoren anzubringen oder die Blattspitze aus Aluminium herzustellen. Mit diesen Maßnahmen gelingt es Windkraftanlagen zu schützen.

Als Störgröße gelten auch die indirekten Blitzeinschläge, die in der Umgebung der Anlage einschlagen und durch Entwicklung einer Überspannung aus dem Versorgungsnetz hervorgehen. Diese können wie direkte Einschläge auch zur stillstand einer Anlage führen. Um die Windkraftanlage und das Versorgungsnetz zu schützen, werden Bauteile zur Überspannungsschutz eingesetzt.

4.3 Sicherheitsabstände [21]

In Deutschland wird im Genehmigungsverfahren empfohlen, dass die Anlagen in Hauptwindrichtung nicht enger als 5 Rotordurchmesser aufzustellen sind. Wenn die Windkraftanlagen einen Abstand von zwischen 3 - 5 Rotordurchmesser haben sollen, muss ein gutachterlicher Nachweis durchgeführt werden, dass die Standsicherheit nicht beeinträchtigt wird.

In Sachsen-Anhalt gibt es mehr als 2200 Windkraftanlagen. Eine 100m hohe Anlage inklusive Flügel hat zurzeit einen Abstandsreglung von 100m, gegenüber neu bebauten Anlagen. Laut der Mitteldeutschen Zeitung soll zukünftig dieser Abstand auf 40m verkürzt werden. Dies gilt sowohl für die zurzeit bestehenden Anlagen und für neubebauten, sofern diese mit Stärkeren Turbinen ausgestattet werden. Mit dieser Maßnahme kann die zahl der Anlagen in Sachsen-Anhalt verdoppelt werden.

5. Praxisbeispiel [22]

Deutschland ging mit Alpha Ventus in die Off-Shore Branche der Windparks ein. Dieses Pionierprojekt von EWE, E.on und Vattenfall sorgte dafür, dass auch Deutschland, die über See wehenden starke und stetige Winde, in Energie umwandeln kann.

Alpha Ventus liegt ca. 45 Kilometer nördlich von der Insel Borkum im Bereich der so genannten Ausschließlichen Wirtschaftszone (AWZ) [Bild 12]. Der Windpark besteht aus 12 Windrädern und einem Umspannwerk die mit einer „Seekabel“ die Energie zur Land führen.

Alpha Ventus ist im Rahmen der Technik in zwei geteilt. Sechs Anlagen sind von der Firma Adwen (Typ M5000) und sechs Anlagen von Senvion (Typ M5). Gemeinsam haben alle zwölf Anlagen eine Nennleistung von 60 MW und leisteten im Jahre 2011 ca. 267 Gigawattstunden. Dies entspricht dem Jahresverbrauch von 70.000 Haushalten.

Die Anlagen von Adwen haben einen Motordurchmesser von 116 m und einer Nabenhöhe von 90 m. Die Windkraftanlagen haben eine Gesamthöhe vom Meeresgrund ca. 178 m und die Gesamthöhe ab Wasserlinie beträgt 148 m. Diese sechs Anlagen lassen sich bei einer Windgeschwindigkeit von 3,5 m/s Einschalten, die Nenngeschwindigkeit beträgt 12,5 m/s und wird bei 25 m/s Ausgeschaltet.

Senvion 5M Anlagen haben einen Rotordurchmesser vor 126 m bei ca. 92 m Nabenhöhe und erreichen eine Nennleistung von 5 MW. Diese Anlagen werden ebenfalls bei 3,5 m/s Windgeschwindigkeit eingeschaltet, mit 13 m/s Nennleistung betrieben und bei 30 m/s Ausgeschaltet. Laut Hersteller haben diese Anlagen eine Lebensdauer von 20 Jahren.

Das Herzstück des Windparks ist das Umspannwerk, dass eine voll ausgestattete Transformationsplattform auf hoher See. Auf dieser Plattform laufen alle Kabel von den Windkraftanlagen zusammen und der mit einer Spannung von 30 kV eingehende Strom wird auf 110 kV hochgespannt, um die elektrischen Verluste beim Transport ans Festland gering zu halten.

Das Umspannter hat auf 21 m Höhe den Kabeldeck mit einer Werkstatt, Geräteraum, Aufenthaltsraum, Dieseltanks, Notstromesregat, Kabeltisch und Ölauffangwanne. Auf 25 Metern befindet sich das Hauptdeck mit einem Kran und auf 30 Metern das Helikopterdeck.

Alpha Ventus hatte einen Investitionsvolumen von 250 Millionen Euro und wird vom Bundesumweltministerium gefördert. 30 Millionen Euro wurden vom EU-Kommission als Zuschuss gewährt. Ursprünglich hatte Alpha Ventus ein Investitionsvolumen von 190 Millionen Euro.

Die Produzierte Strommenge übersteigt bei weitem die Erwartungen. Der Energieertrag liegt rund 7 Prozent über den vor Betriebsbeginn erstellten Prognosen. 2011 bis 2014 produzierte der Off-Shore Windpark, bei 16.582 Volllaststunden, 994,9 Gigawattstunden Strom. Der Ertrag macht durchschnittlich 248,73 Gigawattstunden pro Jahr aus.

Im Gegensatz zur On-Shore Anlagen haben die Windkraftanlagen auf See eine höhere Vergütung. Alpha Ventus hat eine Anfangsvergütung von 19 ct/kWh und ist mit dieser Zahl 10,2 ct/kWh teurer als On-Shore Anlagen. Aber durch hohe Volllaststunden und dem starken und stetig wehendem Wind auf Dauer Wirtschaftlicher.

6. Zusammenfassung

Unter den Erneuerbaren Energien erzielen die Windkraftanlagen den größten Profit. Windkraftanlagen sowohl auf Land und auf hoher See spielen inzwischen für die Gesamte Welt und Deutschland eine bedeutende Rolle. Aus diesem Grund werden immer mehr Anlagen gebaut und Inbetrieb genommen. Aus heutigem stand der Technik geht hervor, dass die Windkraft nicht voll ausgeschöpft werden kann. Hieraus ergibt sich das Ziel, die Windkraft so gut wie möglich zu nutzen und eventuell neue Techniken zu entwickeln.

Durch mehr Off-Shore Anlagen werden auch verschiedene Störgößen, wie z. B. Schall, die auf die Menschen einwirken vermieden. Inzwischen werden die Windkraftanlagen auch nicht als „Schönheitsfehler“ bezeichnet und sind seid Jahrzehnten in der Umgebung zusehen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass im Bereich der Erneuerbaren Energien die Windkraft wie heute und in der Zukunft eine bedeutende Rolle in unserem Leben spielen wird.