3 Grundlagen der Windenergieerzeugung
Die Nutzung des Windes zur Verrichtung von Arbeit ist seit ca.
4.000 Jahren bekannt. Windmühlen wurden genutzt um
Getreide zu mahlen und um Wasser zu pumpen. Die heutigen
Windenergieanlagen beruhen grundsätzlich auf der selben
Technik dieser Windmühlen.
In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhundert wurde erstmals
versucht die Windenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Mit
der aufkommenden Industrialisierung und der Erfindung von
Dampfmaschinen sowie der Verbrennungsmotoren wurde diese Technik
jedoch nicht weiterentwickelt.
Der deutsche Ingenieur und Physiker Albert Betz schuf um 1920 mit
seinen Forschungen zur Aerodynamik die Grundlagen zur
Weiterentwicklung von Windenergieanlagen. Er formulierte das
Betz'sche Gesetz, das laut dem die maximale Ausnutzung der
kinetischen Energie des Windes bei 59,3 % liegt.
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Kinetische
Energie [Nm]:
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 ist
die Geschwindigkeit der Luft
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Massenstrom
m' [kg/s]:
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 ist
die durchströmte Fläche
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Windleistung
P [W]:
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 ist
die Dichte der Luft
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Nutzleistung
PNutz [W]:
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Je größer die durchströmte Fläche A ist,
desto größer ist der Ertrag. Bei doppeltem
Rotordurchmesser steigt der Ertrag um den Faktor 4. Bei
doppelter Windgeschwindigkeit steigt der Ertrag sogar um den
Faktor 8.
3.1 Daten und Fakten
Wo und wie oft der Wind weht, ist abhängig von dem Standort
sowie von der Höhe. Aus diesem Grund werden die bisherigen
Windenergieanlagen immer an einem günstigen Standort
aufgestellt, wo sich der Bau einer Windenergieanlage
wirtschaftlich lohnt.
Es werden so genannte Windkarten erstellt, die einen statistischen
Überblick über die Windverhältnisse geben. Für
die Planung von Windparks werden Vorortmessungen durchgeführt.
Die Messergebnisse werden in einer „Weibull-Verteilung“
dargestellt. Die Kurve sagt aus, mit welcher Häufigkeit in
der gemessen Höhe eine bestimmte Windgeschwindigkeit
auftritt.
Aus dem Vergleich der Kurven lässt sich erkennen, dass sich
in größeren Höhen ein wesentlich höherer
Ertrag erzielen lässt, weil die Häufigkeit höherer
Windgeschwindigkeiten zunimmt.
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Die Weibull-Verteilung sagt jedoch nichts über Turbolenzen
aus. Turbolenzen entstehen im wesentlichen durch die
Rauigkeit des umgebenden Geländes bzw. durch Hindernisse
wie Hügel, Häuser und Bäumen.
Solche Turbolenzen belasten die gesamte Windenergieanlage und
führen zu einem vermehrten Verschleiß. Mit
steigender Höhe nehmen die Turbolenzen stetig ab, weil
sich der Einfluss der Bodenbeschaffenheit nicht mehr auswirkt.
Die Unebenheiten eines Geländes können aber auch zu
einer Erhöhung der Windgeschwindigkeit führen.
Hier sei der Tunneleffekt und der Hügeleffekt
genannt, die einen natürlichen Windkonzentrator
darstellen.
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Neben den genannten Turbolenzen belastet auch die Windscherung
die Anlage. Weil mit zunehmender Höhe die
Windgeschwindigkeit steigt, ist die Belastung an den
Rotorblättern und der Nabe nicht zu vernachlässigen.
Die nebenstehende Grafik zeigt die unterschiedlichen
Kräfte der Windscherung bei Nabenhöhen von 90 m
und 230 m.
Der blaue Rotor wird wesentlich stärker belastet als der
rote Rotor. Die Belastung wird noch verstärkt, wenn das
unterstehende Rotorblatt am Turm vorbei läuft.
Zudem kann der blaue Rotor viel weniger Energie umwandeln als
der rote Rotor, weil die Windgeschwindigkeit viel geringer ist.
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Der Deutsche Wetterdienst (DWD) und auch das Bundesamt für
Seeschifffahrt und Hydrographie stellen Winddaten zur
Verfügung. Die veröffentlichten Messergebnisse der
Forschungsplattform FINO 1, nordwestlich der Insel
Borkum, zeigten in dem Messzeitraum September 2003 bis September
2004 eine mittlere Windgeschwindigkeit von 9,46 m/s in 100 m
Messhöhe. Zum Vergleich wurde in Mittelhessen in 100 m
Messhöhe nur eine mittlere Windgeschwindigkeit von 6,5 m/s
aufgezeichnet.
4 Stand der Technik
4.1 Windenergieanlagen mit horizontaler Rotorachse
Am weitesten verbreitet sind die Dreiblattrotoren mit horizontaler
Rotorachse, die auf einem Turm montiert werden. Die bisher größten
Anlagen erreichen eine Nabenhöhe bis zu 160 m mit einem
Rotordurchmesser bis zu 127 m. Die Nennleistung kann bei
günstigen Windverhältnissen bis zu 6 MW betragen.
Türme für große Anlagen werden entweder als
konische Stahlrohrtürme, Gittertürme oder Betontürme
ausgeführt. Die Türme benötigen ein starkes
Fundament um die Windlasten aufzunehmen. Denn je höher ein
Turm ist, desto größer ist auch der Hebel, der auf das
Fundament wirkt. Die Bauform mit der horizontalen Rotorachse
benötigt eine Windnachführung (Azimutsystem). Dieses
System sorgt dafür, dass die Windenergie optimal auf die
Rotorfläche einströmt.
4.2 Windenergieanlagen mit vertikaler Rotorachse
Der Savonius-Rotor und der Darrieus-Rotor sind aufgrund des
geringen Wirkungsgrades wenig verbreitet. Beide Systeme haben den
großen Vorteil der Windrichtungsunabhängigkeit.
Außerdem können der Generator und das Getriebe bodennah
installiert werden.
4.3 Windenergieanlagen mit Windkonzentrator
Bauformen mit Windkonzentrator werden zum Beispiel als ummantelte
Tangentialrotoren oder als Vierblattrotoren, die von einer
Mantelturbine (Diffusor) umgeben sind, angeboten. Sie erreichen
hohe Wirkungsgrade, sind aber aufgrund der aufwendigen Herstellung
wenig verbreitet und nur für Kleinwindenergieanlagen (bis
5 kW) geeignet.
4.4 Schwebende und fliegende Windenergieanlagen
Es
befinden sich derzeit mehrere Varianten in der Entwicklung:
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a)
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Gleitschirme und flugzeugähnliche Drachen, die in großen
Höhen (500 m bis 6 km) über ein Seil, das
an einem Generator befestigt ist, auf- und absteigen ähnlich,
eines Jo-Jo.
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b)
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Ein Lenkdrachen-Karussell soll sich im Kreis drehen und über
Seile große Räder in Bewegung setzen an denen ein
Generator angeschlossen wird.
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Vorteile:
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Nachteile:
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Hoher
Personaleinsatz, um die Anlage nach einer Windstille in den
Betrieb zu überführen
Sehr große
Raddurchmesser erforderlich -►
hoher Materialeinsatz
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c)
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Eine fliegende Kreuzung aus Helikopter und Drachen
(Drachenrotor). Dieses System soll in Höhen von 5.000 m
bis 10.000 m den Jetstream anzapfen.
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d)
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Ein horizontal schwebender Generator-Ballon, an denen sich
rippenförmige Schaufeln an der Außenhülle
befinden, die das System in Rotation versetzen.
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e)
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In etwa 400 m Höhe sollen scheibenförmige
Zeppeline stationiert werden, die über vier Halteseile am
Boden befestigt werden. An diesen Zeppelinen sollen an einer
vertikalen Generatorachse Halbkugeln hängen, die im
Luftstrom rotieren.
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f)
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Die hocheffiziente Windturbine ist eine Weiterentwicklung der
herkömmlichen Windenergieanlage mit horizontaler
Rotorachse, die den Vorteil ausnutzt, dass in größeren
Höhen (etwa 200 m bis 600 m) ein nahezu
konstanter Wind mit wenig Turbolenzen weht.
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5 Die Technik der hocheffizienten Windturbine
Eine hocheffiziente Windturbine besteht grundsätzlich aus
einer schwebenden Komponente und einer Bodenstation, sowie einer
Verbindungsleitung.
5.1 Die schwebende Komponente
Die schwebende Komponente besteht aus einem Tragkörper, der
nach dem leichter-als-Luft Prinzip in der Atmosphäre schwebt
und dem horizontalen Rotor wie bei einer herkömmlichen
Windenergieanlage.
Der stromlinienförmige Tragkörper wirkt als
Windkonzentrator. Damit kann die Anlage bereits bei kleinen
Windgeschwindigkeiten elektrischen Strom liefern, wenn
herkömmliche Windräder stillstehen.
Der Windkonzentrator erhöht die Windgeschwindigkeit bis
zu 30 Prozent.
Tragkörper
Um hohe Windgeschwindigkeiten zu beherrschen wird der
stromlinienförmige Tragkörper wie ein Starrluftschiff
mit einem Kiel aufgebaut. Der Stromlinienkörper weist den
geringsten cw-Wert auf. An dem Kiel werden die Traggaszellen, der
Rotor, der Generator, die Ballastwassertanks und die
Auftriebsflügel befestigt.
Auftriebsflügel
Je höher die Windstärke ist, desto mehr würde der
Tragkörper zu Boden gedrückt. Die Flügel erzeugen
zusätzlichen Auftrieb umso mehr je stärker der Wind
bläst. Ohne die Auftriebsflügel müssten die
Traggaszellen wesentlich größer dimensioniert werden,
was jedoch nicht wirtschaftlich ist.
Rotor
Die hocheffiziente Windturbine wird grundsätzlich mit zwei
Rotorblättern ausgelegt. Neben dem Vorteil eines geringeren
Gewichtes läuft der Rotor wesentlich schneller
(Schnellläufer). Die hierdurch größere erreichbare
Umfangsgeschwindigkeit reduziert das Generatorgewicht
beziehungsweise das Gewicht des Getriebes.
Traggaszelle
Die Traggaszellen werden mit Wasserstoff gefüllt und sorgen
so für den Auftrieb der Anlage. Über das Traggasvolumen
wird der Auftrieb gesteuert, der notwendig ist um die wechselnde
Luftdichte auszugleichen. Steigt die Luftdichte über den
Normaldruck, wird für den Auftriebsausgleich
Ballastwasser aufgenommen.
Ballastwassertank
Die Ballastwassertanks nehmen zusätzliches Gewicht auf,
sodass der Auftrieb bei einer Luftdichte über Normal und bei
Regen schnell ausgeglichen werden kann.
Pitch-System
Über das Pitch-System wird der Anstellwinkel der Rotorblätter
geregelt. Bei zu starkem Wind werden die Rotorblätter aus dem
Wind gedreht um Beschädigungen zu vermeiden. Durch das
Verdrehen der Rotorblätter kann der Rotor im Notfall schnell
gebremst werden.
Bremssystem
Die mechanische Bremse wird nur für Wartungsarbeiten
eingesetzt um das Drehen des Rotors sicher zu verhindern.
Getriebe
Obwohl die hocheffiziente Windturbine ein Schnellläufer ist,
muss die Umdrehungsgeschwindigkeit weiter erhöht werden,
sodass die Masse des Generators klein gehalten werden kann.
Generator
Der Generator wandelt die kinetische Energie des Rotors in
elektrische Energie um. Der Generator erzeugt eine möglichst
hohe Spannung, damit der Strom und somit die Stromdichte im Kabel
klein gehalten werden kann. Dies führt zu geringeren
Kabelgewichten.
Stromversorgung
Als unterbrechungsfreie Stromversorgung wird eine Brennstoffzelle
eingesetzt. Sie liefert den erforderlichen Strom für die
Positionswarnlichter, die Messdatenerfassung und für die
Steuerung der Anlagenteile.
Positionswarnlichter
Die Positionswarnlichter dienen der Flugverkehrssicherheit. Sie
werden lebensdauersicher mit LED-Leuchten realisiert.
Messdatenerfassung
und Steuerung
Die erfassten Messdaten, wie Windgeschwindigkeit, Windrichtung,
Luftdichte, Luftfeuchte, Temperatur, Füllstand der
Ballastwasserstanks, Füllstand der Gaszellen und die Höhe
über Grund dienen zur Steuerung der Anlage.
Blitzschutz
Windenergieanlagen werden mindestens einmal im Jahr vom Blitz
getroffen. Die Blitzenergie verursacht insbesondere an GFK und CFK
Materialien große Schäden. Aus diesem Grund werden alle
Anlagenteile mit einer niederohmigen Leitung geerdet.
Belüftungssystem
Das Belüftungssystem sorgt dafür, dass zu keinem
Zeitpunkt, das stets aus den Gaszellen diffundierende
Wasserstoffgas, eine Konzentration von mehr als 4 Prozent in der
Luft der Anlage aufweist. Somit kann kein explosives Knallgas
entstehen.
5.2 Verbindung zur schwebenden Komponente
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Die Verbindung zwischen der schwebenden Komponente und der
Bodenstation übernimmt die folgenden vier Funktionen:
Die Fixierung der schwebenden Komponente an die Bodenstation
Die Übertragung der elektrischen Energie
Die Zufuhr und das Reduzieren von Ballastwasser
Die Zufuhr und das Reduzieren von Traggas
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Zu 1. Die Fixierung der schwebenden Komponente an die
Bodenstation
Als Fixierungsmaterial wird ein Kunststoff eingesetzt, der
zugleich die Aufgabe der Isolierung zwischen der inneren und der
äußeren Stromleitung übernimmt. Es bietet sich
eine hochfeste Polyethylen-Faser an, die bei gleichem Gewicht bis
zu 15 mal zugfester ist als Stahl (2500 bis 3000 N/mm²).
Die Faser ist leicht und schwimmt im Wasser. Sie weist eine hohe
Beständigkeit gegen Abrieb, Feuchtigkeit, UV-Strahlen und
Chemikalien auf und ist sehr lange haltbar.
Zu 2. Die Übertragung der elektrischen Energie
Um große elektrische Leistungen über dünne
Stromleiter zu übertragen erzeugt der Generator eine hohe
Spannung. Bei einer Leistung vom 5.000 kW und einer
zulässigen Stromdichte auf einer Kupferleitung von 6 Ampere
pro Quadratmillimeter muss die Leiterfläche bei einer
Spannung von 6.000 V circa 140 mm² betragen.
Dementsprechend beträgt der Durchmesser 14 mm (eine
10 ct Münze hat einen Durchmesser von 19 mm). Der
äußere Stromleiter wird gleichzeitig als
Blitzstromableitung genutzt.
Zu 3. Die Zufuhr und das Reduzieren von Ballastwasser
Durch Hochleistungspumpen wird Ballastwasser in die Tanks der
schwebenden Komponente geleitet beziehungsweise im Bedarfsfall
wieder zurück zur Bodenstation.
Zu 4. Die Zufuhr und das Reduzieren von Traggas
Die Gasleitung besteht aus Kunststoff und überträgt das
Wasserstoffgas zwischen der schwebenden Komponente und dem
Gasspeicher in der Bodenstation.
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Alternative Lösung:
Als Alternative kann die Verbindung nur aus einem Schlauch
bestehen, wenn in der schweben Komponente die Elektrolyse des
Wasserstoffs erfolgt. Die Gas- und Wasserleitung wird dann
gemeinsam genutzt. Es wird entweder Wasser in die schwebende
Komponente gepumpt oder Gas von der schwebenden Komponente zur
Bodenstation.
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5.3 Die Komponenten der Bodenstation
Die Bodenstation nimmt über die Verbindungsleitung die
Zugkraft auf, die durch den Auftrieb und die Windlast entstehen.
Sie sorgt auch dafür, dass in Notfällen die
Verbindungsleitung stets gespannt ist und nicht durchhängt.
Für Wartungs- und Inspektionszwecke wird die schwebende
Komponente an die Bodenstation herangezogen und an einem Ankermast
befestigt. Vorab wird der Hinweis gegeben, dass die im Folgenden
beschriebenen Komponenten auch für Offshore Anlagen auf einem
Schwimmkörper (Ponton) installiert werden können.
Spannungs- und Frequenzanpassung
Entsprechend der geforderten Spannung und Frequenz wird die
erzeugte elektrische Energie an das Versorgungsnetz angepasst.
Gaserzeugung und Speicherung
In der Bodenstation wird durch Elektrolyse Wasserstoff erzeugt,
der für den Betrieb der Anlage notwendig ist. Denn durch die
Traggaszellen diffundiert stets ein kleiner Teil des Wasserstoffs,
der ersetzt werden muss. Ein weit größerer Teil des
Gases wird benötigt um den Auftriebsunterschied zwischen der
niedrigsten Luftdichte und der normalen Luftdichte auszugleichen.
Außerdem kann mit der erzeugten elektrischen Energie im
großen Umfang Wasserstoff erzeugt werden, der über
Versorgungsleitungen oder mit Tankschiffen zum Endverbraucher
gebracht wird. Wenn der Wasserstoff gespeichert wird, so kann
dieser in windschwachen Zeiten zur Versorgungssicherheit
beziehungsweise zur gleichmäßigen Abgabe von Energie an
ein Versorgungsnetz genutzt werden.
Wassertank
Der Wassertank dient als Speicher für das Ballastwasser und
als Wasservorrat für die Erzeugung von Wasserstoff.
Steuerungs-,
Betriebsdaten- und Diagnosesystem
In dem Steuerungs-, Betriebsdaten- und Diagnosesystem steckt die
Intelligenz des Systems. Die komplexe Software steuert nicht nur
die Anlage, sondern sie meldet sich auch beim Wartungsteam bevor
es zu Fehlern kommt, die es erforderlich machen die Anlage
abzuschalten.
5.4 Konzeptentwurf der schwebenden Komponente
Die
wesentlichen Teile der Tragkonstruktion ist in dem folgenden Bild
in rot dargestellt. Die Konstruktion ist ähnlich wie ein
Kielluftschiff aufgebaut.
5.5 Konzeptentwurf für den Rotor und das Getriebe
Das Generatorgewicht bei großen herkömmlichen
Windenergieanlagen beträgt etwa 12 t. Bei einer
hocheffizienten Windturbine ist es wichtig möglichst viel
Gewicht einzusparen und das Gewicht weit nach unten zu verlagern.
Aus diesem Grund werden alle schweren Komponenten an dem Kiel
befestigt.
5.6 Konzeptentwurf für Wartung und Instandhaltung
Wenn ein Abschalten der Anlage erforderlich ist, so werden die
Rotorblätter horizontal fixiert. Die Anlage wird über
das Halteseil an den Servicemast herangezogen und befestigt. Die
Aufsetzkufen sind statisch so ausgelegt, dass sie das gesamte
Gewicht der schwebenden Komponente aufnehmen können. Die
Anlage ist dann für das Servicepersonal leicht zugänglich.
Zum Tausch von Anlagenteilen kann durch die bodennahe
Instandhaltung auf Spezialkräne verzichtet werden.
5.7 Konzeptentwurf für den Transport und die Montage
Bei herkömmlichen Windenergieanlagen ist am Aufstellungsort
viel Personal erforderlich um die Anlagenteile zu montieren. Die
hocheffiziente Windturbine wird im Herstellungswerk vollständig
montiert. An den Aufsetzkufen wird eine Gondel mit Motoren
befestigt. Dieses System ermöglicht es, dass die
hocheffiziente Windturbine wie ein Luftschiff zum Bestimmungsort
fährt.
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