Transcript Universität Duisburg-Essen, Campus Essen Fakultät IW, Abteilung Technik, Fachbereich TUD Energieumsatz I – Systeme des Energieumsatzes Seminar 2005 Dozent: Prof.

Universität Duisburg-Essen, Campus Essen
Fakultät IW, Abteilung Technik, Fachbereich TUD
Energieumsatz I – Systeme des Energieumsatzes
Seminar 2005
Dozent: Prof. Dr.-Ing. E. Sauer
03.02.2005
Thema: Windenergie
Referenten:
Stefano Roffia & Kirsten Lübbert
Gliederung
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
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



Einordnung der Windenergie
Entstehung von Wind/Luftströmung
Aufbau und Funktion eines Windrades
Windradtypen
Entwicklung der erneuerbaren Energien:
Windenergie
Standorte für Windkraftanlagen
Kosten von Windkraftanlagen
Zukunft
Struktur der Energiebereitstellungen
aus erneuerbaren Energien
Windenergie: 18,54 TWh
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit:
Umweltpolitik – Erneuerbare Energien in Zahlen. März 2004, S.12
Entstehung von
Wind/Luftströmung
Wie entsteht der Wind?

Die Strömungen der Luft werden als
Wind bezeichnet
Wie entstehen Luftströmungen?

Die eigentliche Ursache liegt in der
Strahlungsenergie der Sonne
Onshore / Offshore
Wenn die Sonne tagsüber auf eine Landoberfläche scheint, wird die Luft dort schneller und
intensiver erwärmt als über einer Wasserfläche. Die Warmluft dehnt sich aus und steigt
wegen der abnehmenden Dichte nach oben. In den freiwerdenden Raum strömt nun von
der Meeresseite kühlere und damit schwerere Luft nach:
Beispiel:Eine"Seebrise"ist
entstanden. Mit Beginn der
Nacht kehrt sich der Vorgang
um. Die Landoberfläche
kühlt schneller ab als das
erwärmte Meer; die Luft über
dem Land verdichtet sich
und strömt in Seerichtung:
Ein kühler, ablandiger Wind
weht.
Windzonen in Deutschland
Das Gebiet der Bundesrepublik
Deutschland liegt auf der Nordhalbkugel
im Bereich der Westwindzone auf dem
europäischen Kontinent. Das Klima ist im
allgemeinen unbeständig; die vorwiegend
westlichen Winde sind im Frühjahr und im
Spätherbst stärker als im Jahresmittel.
Abhängig von der geografischen Lage
sind die durchschnittliche
Windgeschwindigkeit und die
Windhäufigkeit recht unterschiedlich.
Optimale Bedingungen für den Betrieb
von Windkraftanlagen bestehen vor allem
im Bereich der deutschen Nordseeküste:
Hier beträgt die Windgeschwindigkeit ab
10 Meter über Grund an mindestens 50%
der Jahresstunden mehr als fünf Meter
pro Sekunde - das bedeutet Windstärke 4
und darüber
Aufbau und Funktion eines
Windrades
Funktion einer Rotorgondel
An der Spitze dieses Turms befindet sich der Turmkopf. Dieser
ist um 360° drehbar, und je nach Lage der Windrichtung lässt
sich dieser ausrichten. Bei modernen Windkraftanlagen
geschieht diese Ausrichtung elektronisch, mittels Mess- und
Regelungsanlagen. Besonders bei den neuen Rotorblättern
spielen die aerodynamischen Gesichtspunkte eine
besonderes Rolle.
Aufbau einer Rotorgondel
Internet: www.hamburger-bildungsserver.de (Stand:Dezember 2004)
Prinzip des Auftriebs
Die Form der Rotorblätter ähnelt dem Profil einer
Flugzeugtragfläche, deren Oberseite stärker gewölbt ist als die
untere Seite. Damit Flugzeuge, die „schwerer als Luft“ sind,
aufsteigen und Höhe gewinnen können, muss eine Kraft wirken,
die der Gewichtskraft des Flugzeugs entgegengerichtet und
mindestens ebenso groß ist. Diese Auftriebskraft wird durch die
Tragflächen erzeugt die so gestaltet sind, dass durch die
angeströmte Luft ein Unterdruck auf der oberen Tragflächenseite
entsteht, der das Flugzeug gleichsam nach oben saugt.
Erzeugung des Auftriebs
Zur Erzeugung von Unterdruck auf der Flügeloberseite ist das
Profil der Flügel gewölbt. Wenn Luft von vorne gegen die Flügel
strömt, dann teilt sich der Luftstrom. Die Unterseite des Flügels ist
kaum gewölbt und deswegen kann die Luft hier relativ ungestört
vorbeiströmen. Auf der stark gewölbten Oberseite wird die Luft
verdrängt, muss ausweichen und dadurch einen längeren Weg
zurücklegen, was die Geschwindigkeit erhöht. Nach dem Gesetz
der Strömungslehre (Bernoulli-Gleichung) führt bei einem Gas die
Zunahme der Geschwindigkeit zu einer Verringerung des Drucks.
Wegen der höheren Luftgeschwindigkeit auf der Oberseite stellt
sich ein kleinerer Druck als auf der Unterseite ein, der Flügel wird
nach oben gehoben.
( Wie funktioniert das? 2003; S 166-167)
Gesetz von Bernoulli
Bernoulli-Gleichung für inkompressible stationäre
reibungsfreie Strömungen:
(c22 / 2) + (p2 / ρ) + g * z2 = (c12 / 2) + (p1 / ρ) + g * z1 = konst.


Dimension: Energie pro Masse
g * z kann vernachlässigt werden, weil es ziemlich klein ist:
 (c22 / 2) + (p2 / ρ) = (c12 / 2) + (p1 / ρ) = konst.
 mit ρ = Dichte
Erläuterung des Gesetzes von
Bernoulli
Bernoulli-Gleichung liefert den Zusammenhang von Druck und
Geschwindigkeit:
c1 Geschwindigkeit Unterseite des Flügels
c2 Geschwindigkeit Oberseite des Flügels
p1 statische Druck auf Unterseite
p2 statische Druck auf Oberseite


die Geschwindigkeit (c2) auf der Oberseite ist höher, aufgrund
des längeren Weg, deswegen wird auf der Oberseite ein
Unterdruck (p2) erzeugt, damit die Bernoulli-Gleichung stimmt
die Geschwindigkeit (c1) auf der Unterseite ist geringer (kürzerer
Weg), deswegen wird dort ein höherer Druck (p1) erzeugt
Tragflächenprinzip
Wie funktioniert das? 2003; S. 167
Erläuterung zur Abbildung
In dem Bild gibt es zwei Richtungen in die die Pfeile zeigen:
-
waagerechte Pfeile sollen den dynamischen Druck anzeigen
-
senkrechte Pfeile stehen für den statischen Druck
Statischer Auftrieb:
Der statische Auftrieb ist der Auftrieb, der der Schwerkraft
entgegen wirkt (Beispiel: Ballons können aufsteigen, weil sie mit
Hilfe eines Traggases, z.B.Helium, gefüllt sind)
Dynamischer Auftrieb:
Dieser Auftrieb entsteht, wenn sich ein Körper relativ zum Gas
(Flüssigkeit) bewegt. Die Kraft besteht hier aus zwei Komponenten:
Wiederstand in Richtung der Anströmung
Der dynamische Auftrieb wirkt rechtwinklig zur Anströmung
Beispiel: Tragfläche eines Flugzeuges oder Rotorblattes
Der Leistungsbeiwert
Es stellt sich hier die Frage wie viel Energie
man den Wind maximal entnehmen kann.
Der Leistungsbeiwert hat den Naturgesetzen
nach also eine theoretische Obergrenze Cp
max = 0,5926
Herleitung des Leistungsbeiwert
Der Leistungsbeiwert sagt
uns, wie effizient eine
Windkraftanlage die
Energie im Wind in
Elektrizität umwandelt. In
diesem Fall liegt dieser bei
0,44ffür eine Windgeschwindigkeit von 8m/s
Berechnung
Vollständige Leistung des Windes: Pmax = ½ A *  ν1³
Energie des sich bewegenden Masse: E = ½ m * v²
Entnommene Leistung des Windes:
P = A  v1³ ¼ (1+ v2 / v1) (1- v2² /v1²)
Der Cp-Wert lässt sich durch das Verhältnis P/Pmax ermitteln.
Der Leistungsbeiwert beträgt Cp= 0,5926. Es ist also nicht möglich,
dem Wind mehr als 59,26% Energie zu entnehmen.
Berechnung, graphische Darstellung
P/Pmax = ½ (1+ x) (1- x² ); Abminderung x = V2/V1
Berechnung der Extremstellen dieser Funktion.
Ermittlung der 1. Ableitung f’(x) = 0
f (x) = ½ (1+ x) (1- x²)
f` (x) = -3/2 x² -x + 1/2
<=> -3/2 x² -x + ½ = 0
Mit der quadratischen Gleichung wird gelöst
<=> x² + 2/3x – 1/3 = 0
+ 1/3 /*(4/36)
<=> ( x + 2/6 )²
= 1/3 + 4/ 36
<=> ( x + 2/6 )²
= 16/36
[√
<=> x + 1/3
= ± √ 16/36
[ - 1/3
<=> x = - 2/3 – 1/3 v
x = 2/3 - 1/3

Der x-Wert wird in die Ausgangsformel
eingesetzt, so erhält man einen y-Wert

Absolutes Maximum für x = 0,333 liegt
bei: ( 0,333 / 0,593)

Da der y- Wert die hier die maximale Steigung
angibt, ist dieser Wert der Maximalwert dieser
Funktion.
Aus: Jens-Peter-Molly: Windenergie in Theorie und
Praxis, Verlag C.F. Müller Karlsruhe, Band 8, 1978, S. 5
Schnelllaufzahl
Eine wichtige Kennlaufzahl für die Windkraftanlagen ist die
Schnelllaufzahl λ.
Gamma gibt das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit u des
Rotors (Blattspitzengeschwindigkeit) zur Windgeschwindigkeit v an.
Formel: λ = u/v
Schnelllaufzahl und Leistungsbeiwert sind abhängig von der
Windgeschwindigkeit
Windradtypen
Windradtypen
Einflügler
 Darrieus-Rotor
 H- Rotor
 Leeläufer
 Luvläufer

Der Einblattroter
Einblattrotor mit Gegengewicht. Bei diesem
Einflügler ist das Gegengewicht genauso groß
wie das Gewicht des Rotorblattes. Dadurch
kann der umwuchtfrei drehen und erreicht somit
höhere Drehzahlen als Mehrflügler. Jedoch ist
der Wirkungsgrad bei Einflüglern nicht besser
als bei den Mehrflüglern. Im Vergleich zu einem
Zweiblattflügler ist der Leistungsbeiwert um
10% geringer, da die Windleistung nicht
vollständig aufgenommen werden kann. Ein
wesentlicher Vorteil dieser Windradtypen sind
die Einsparungen bei den Materialkosten.
Internet: www.hamburgerbildungsserver.de (Stand:Dezember
2004)
Darrieus- Rotor
Die moderne Version der Vertikalachser wird nach dem
Franzosen George Darrieus benannt, der seine Idee
1931 in den USA patentieren ließ. Der Darrieus-Rotor
hat zwei oder drei Rotorblätter, die als Mantellinien
einer geometrischen Rotationsfigur ausgebildet sind.
Aufgrund der besonderen Profilierung der Blätter
entsteht der Drehimpuls im wesentlichen nach dem
Prinzip des aerodynamischen Auftriebs. Der Vorteil des
Darrieus-Konverters liegt darin, daß seine Funktion
nicht von der Windrichtung abhängt. Außerdem können
die mechanischen und elektrischen Bauelemente am
Boden untergebracht werden. Nachteilig sind dagegen
die schlechten Anlaufeigenschaften und der
verhältnismäßig ungünstige Wirkungsgrad.
Internet: www.hamburger-bildungsserver.de (Stand:Dezember 2004)
H- Rotor
Eine besondere Version des Darrieus-Rotors
ist der sogenannte H-Rotor: Ähnlich der
Form eines großen "H" sind seine
geradlinigen Rotorblätter senkrecht
angeordnet und über eine Tragekonstruktion
mit der vertikalen Rotorwelle verbunden.
H-Rotoren sind bisher vor allem in England
als Prototypen gebaut worden. Bei einigen
Anlagen kann die geometrische Anordnung
der Rotorblätter verstellt werden, so daß eine
Begrenzung der Leistungsaufnahme im Falle
hoher Windgeschwindigkeiten möglich ist.
Internet: www.hamburger-bildungsserver.de
(Stand:Dezember 2004)
Lee- Luvläufer
Für die Betriebsweise moderner Horizontalachsen-Konverter gibt es grundsätzlich
zwei Möglichkeiten: als Leeläufer oder als Luvläufer
Anlagen vom Typ des Leeläufers sind
so ausgelegt, dass sich der Rotor in
Windrichtung hinter dem Turm dreht. Das
Prinzip hat den Vorteil, dass die
Rotorblätter bei starkem Wind nicht
gegen den Turm gedrückt werden
können. Bei einem Luvläufer ist dieses
Risiko nicht vollständig auszuschließen,
da der Rotor von vorn angeblasen wird
und vor dem Turm läuft. Leeläufer haben
auch den Vorteil, sich selbsttätig in
Windrichtung auszurichten, während
Luvläufer durch geeignete technische
Maßnahmen dem Wind nachgeführt
werden müssen.
Internet: www.hamburger-bildungsserver.de (Stand:Dezember 2004)
Entwicklung der erneuerbaren
Energien: Windenergie
Entwicklung

Windmühlen verschwanden, als Elektrizität überall
und billig in Deutschland zu bekommen war

Um 1900: 30000 Windmühlen allein in Norddeutschland

Seit den 50er Jahren langsam wiederentdeckt

Durchbruch in 70er Jahren durch Ölkrise

Windenergie also erst knapp 20 Jahre alt
Installierte Leistung in der
Windenergie

1990: 40 GWh Stromertrag
Installierte Leistung von 56 MW

2003: 18.500 GWh Stromertrag
Installierte Leistung von 14.600 MW
15.400 Anlagen
7,5 Millionen Haushalte können versorgt
werden
3 % der Stromerzeugung in Deutschland
Entwicklung der installierten
Windleistung in der EU (1990-2003)
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit:
Umweltpolitik – Erneuerbare Energien in Zahlen. März 2004, S.29
Stromerzeugung aus der
Windenergie in der EU (1990-2003)
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit:
Umweltpolitik – Erneuerbare Energien in Zahlen. März 2004, S.28
Nutzung erneuerbarer Energien in
der EU (2002)
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit:
Umweltpolitik – Erneuerbare Energien in Zahlen. März 2004, S.27
Standort für Windkraftanlagen
Standorte in Deutschland

windreichen Küstenländer, wie Schleswig Holstein
oder Niedersachsen
 Schleswig-Holsten deckt heute 25% seines Strombedarfes
aus Windkraft

Binnenländer (verstärkt zugenommen)
 Höhere Stromentstehungskosten

Letzten 20 Jahren hauptsächlich immer größere
Anlagen, um Standorte mit guten Windverhältnissen
optimal auszunutzen
Vorschriften zum Bau einer
Windkraftanlage





500 Meter Mindestabstand von
Wohngebieten
Geringe Geräuschemissionen
Nicht in Hauptrouten von Zugvögeln
Einfluss auf das Landschaftsbild
Offshore:
 Anbindung an das Festland
 Wassertiefe
 Naturschutz: Fischerei, Bodenschätze
Offshore-Anlagen






Pionierphase: 1990-1997
Offshore-Anlagen erster Generation (2000)
Offshore-Anlagen zweiter Generation
Ende 2003 gab es 15 internationale OffshoreAnlagen
Gesamtleistung von mehr als 530 MW
Fast ausschließlich in Nordeuropäischen
Gewässern (Dänemark, Niederlande, UK)
deutsche Offshore-Anlagen





Pilotprojekt 2001 Windpark Borkum West und
2002 Bürgerwindpark Butendiek
Sind aber noch nicht am Netz
2004 wurden zwei weitere Parks vor Borkum
genehmigt
Bis 2030 will Bundesregierung OffshoreWindparks mit mindestens 20.000 MW
Gesamtleistung errichten
In Planung sind 21 Parks in der Nordsee und
10 in der Ostsee
Kosten
Kosten I
Durchschnittliche Investitionskosten für
heute installierte Windkraftanlagen
liegen zwischen 800-900 Euro/kW
 Zusatzkosten für Fundament,
Netzanbindung, Zuwegung,
Grundstückskosten und Planung
 1,5 MW-Anlage kostet somit etwa 1,8
Millionen Euro

Kosten II
Kosten sind seit den 80er Jahren um
ein Drittel gesunken
 Bei typischen
Jahreswindgeschwindigkeiten von
durchschnittlich 5-6 m/s an der Küste
und 4-5m/s an guten Binnenstandorten
 Stromentstehungskosten: 5,5 – 13
cent/kWh

Sonne, Wind & Wärme 4/2004, S. 73
Warum Windenergie?

CO2 lag 2003 bei 16 Millionen Tonnen
 Eine 1,5 MW-Anlage verhindert bei 20 Jahren Lebenszeit
einen Ausstoss von 64.000 t CO2- Emission und den
Verbrauch von 80.000 t Steinkohle

Aus Windkraft erzeugter Strom ist heute schon
günstiger als Strom aus der deutschen Steinkohle
 Arbeitsplatz Steinkohleindustrie wird pro Jahr mit 50.000
Euro Steuergeldern subventioniert

Unabhängigkeit von Energieimporten
Nachteile

Man darf allerdings nicht vergessen, dass die
Windenergie abhängig ist von den
Windverhältnissen
 Windräder können nicht die ganze Zeit zur
Stromerzeugung genutzt werden und müssen
in den windarmen Zeiten durch andere
Energieformen (z.B. Kraftwerke) ersetzt
werden.
 Werden nur bei Windgeschwindigkeiten von
4-20 m/s (je nach Anlage) genutzt
Volllast
Definition:
Für die Bewertung und den Vergleich der
Leistungsfähigkeit von Windenergienanlagen
wird die Jahresenergielieferung auf die
Nennleistung der Anlage bezogen. Diese
sogenannten äquivalenten Volllastbenutzungsstunden hängen ab von der im Wind
enthaltenen Energiemenge (Standort) und der
Höhe der Anlagen
Beispiele: Volllastzahl
Für die Berechnung der Stromentstehungskosten sind die Volllastbenutzungsstunden
mitentscheidend:
- Bayern: ca. 1000 Std./a
- Nordrhein-Westfalen: ca. 1200 Std./a
- Niedersachsen: ca. 1800 Std./a
- Schleswig-Holstein: ca. 2300 Std./a

mittlere Volllastbenutzungsstunden im Jahr
(siehe Jahrbuch Erneuerbare Energien 2001; S.69)
Beispiel Vollastzahl

Onshore-Windenergieanlagen:
1500 kW-Anlage: 2000 h/a

Offshore-Windenergieanlagen:
20 km vor der Küste (3MW): 3280 h/a
70 km vor der Küste (3MW): 3585 h/a
(siehe Jahrbuch Erneuerbare Energien 2001; S.70-72)
Zukunft
Entwicklung der Stromerzeugung bis
zum Jahr 2050
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit:
Umweltpolitik – Erneuerbare Energien in Zahlen. März 2004, S.25

Reduzierung der CO2 – Emission um
80% gegenüber 1990

2050:
68% der Stromerzeugung;
50% der Wärmebereitstellung
Zukunft

Windkraft ist zur Zeit eine der günstigsten
Methoden Ökostrom zu erzeugen, aber
mittelfristig werden die anderen erneuerbaren
Energien immer wichtiger
 Effizienz- und Leistungssteigerungen der Anlage
werden dazu führen, dass deutlich mehr Strom mit
weniger Anlagen bereitgestellt werden
 Mix aus Wind- und Wasserkraft, Solarenergie,
Biomasse und Geothermie
Literatur

Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz
und Reaktorsicherheit: Erneuerbare Energien
– Innovationen für die Zukunft. Mai 2004
 Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz
und Reaktorsicherheit: Umweltpolitik –
Erneuerbare Energien in Zahlen. März 2004
 Lehrmaterial vom Bundesministerium für
Umwelttechnik: www.bmu.de (Stand:
09.12.04)
 Internet: www.hamburger-bildungsserver.de
(Stand:Dezember 2004)
Literatur





Molly, J.-P.: Windenergie in Theorie und
Praxis. Karlsruhe 1978
Kaltschmitt, M.; Wiese, A.; Streicher, W.:
Erneuerbare Energien. Berlin 2003
Internet: www.wikipedia.de [Herbst 2004]
Heidi Schewe (Hrsg): Biomechanik- wie geht
das? Thieme Verlag2000, S. 189
Crome,H.: Handbuch Windenergie Technik.
Freiburg 2000