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Windenergie
Ideale Einsatzorte * Wochenend- und Ferienhäusern, Berghütten * Campingplätze, Yachthäfen * als Backup-System zur Kompensierung von Stromausfällen * für Forschungs- und Messstationen * für die Versorgung von Pumpsystemen
Bei der Windenergie handelt es sich um die kinetische Energie der bewegten Luftmassen der Atmosphäre. Sie ist eine indirekte Form der Sonnenenergie und zählt deshalb zu den erneuerbaren Energien. Die Windenergie-Nutzung ist die älteste Form, Energie aus der Umwelt zu schöpfen, und war bereits im Altertum bekannt. Die ungleichmäßige Einstrahlung der Sonnenenergie auf die Erdoberfläche bewirkt eine unterschiedliche Erwärmung der Atmosphäre, der Wasser- und der Landmassen. Dann ist eine Seite der Erde, die Nachtseite, der Sonne abgewandt, zudem ist die solare Einstrahlung in Äquatornähe größer als an den Polen. Schon durch die hierbei entstehenden Temperatur- und damit auch Druckunterschiede geraten die Luftmassen zwischen der Zone um den Äquator und den Polen als auch zwischen der Tag- und der Nachtseite der Erde in Bewegung. Die Rotation der Erde trägt ebenfalls zur Verwirbelung der Luftmassen bei, und die Schiefstellung der Rotationsachse der Erde zur Ebene, die die Erdbahn durch das Umkreisen der Sonne bildet, (ekliptikale Ebene) führt zu jahreszeitlichen Luftströmungen. Es entwickeln sich Hoch- und Tiefdruckgebiete. Da die Erde sich dreht, sind die vom Hoch- in ein Tiefdruckgebiet fließenden Luftmassen dem Einfluss der aus der Rotation resultierenden Corioliskraft ausgesetzt; sie strömen deshalb nicht geradlinig zum Ziel. Vielmehr bilden sich auf der Nord- und Südhalbkugel Wirbel mit jeweils anderer Drehrichtung. Auf der Nordhalbkugel strömen die Luftmassen (aus dem Weltall gesehen) gegen den Uhrzeigersinn in ein Tiefdruckgebiet hinein und mit dem Uhrzeigersinn aus einem Hochdruckgebiet heraus. Auf der Südhalbkugel sind die Orientierungen umgekehrt. Zu diesen globalen Störungen kommen lokale Einflüsse hinzu, die Winde entstehen lassen. Aufgrund der verschiedenen Wärmekapazitäten von Wasser und Land erwärmt sich das Land tagsüber schneller als das Wasser, und es weht tagsüber durch die entstehenden Druckunterschiede ein Wind vom Wasser auf das Land. Nachts kühlen die Landmassen schneller ab als das Wasser, und der Effekt kehrt sich um. Zusätzlich kann sich der Wind über dem Wasser ungebremst entwickeln, so dass es besonders in Küstengebieten zu regelmäßigen und starken Winden kommt. Auch durch Bergformationen und andere lokale Ausprägungen ( z.B. Städte), kann es zu Windströmungen kommen, die häufig durch Verengungen an Hindernissen (Düsen- oder Kapeffekte) verstärkt werden. Die Stärke des Windes hängt in den unteren Luftschichten ganz wesentlich von den dort vorhandenen Landschaftselementen ab. Wasser, Wiese, Wald oder Bebauung werden als verschiedene Rauigkeiten abgebildet, die die Reibung der Luft an der Erdoberfläche beschreibt. Dieser Effekt führt zu einer Verringerung der Windgeschwindigkeit, dies in Abhängigkeit von der Höhe über dem Boden. Durchgesetzt hat sich die Windkraftanalge (WEA) im direkten Netzanschluß zur Erzeugung von Strom. Sie hat meist zwei bis drei Rotorblätter, eine horizontale Achse, die Gondel mit Rotornabe, Getriebe und Generator sind dem Wind motorisch nachführbar. Der Rotor steht vor dem Turm in Windrichtung (Luv-Läufer) Die Leistung des Windes ergibt sich aus der kinetischen Energie der bewegten Luftmasse. Diese steigt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit und ist proportional zur Masse der Luft, die durch die Rotorkreisfläche trifft. Da Leistung Energie oder Arbeit pro Zeit bedeutet, steigt die Leistung des Windes mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit. Aufgrund der geringen Luftdichte (PLuft =1,25 kg / m3) ist die Leistungsdichte des Windes deutlich geringer als beispielsweise die der Wasserkraft (PWasser =1000 kg / m3). Bezogen auf eine durchströmte Fläche (bei einer Windenergieanlage mit horizontaler Achse ist dies die vom Rotor überstrichene Kreisfläche) ergibt sich die Leistung des Windes, die zur Nutzung zur Verfügung steht. Hieraus folgt, dass bei doppeltem Rotordurchmesser die Leistung vier Mal so groß ist. Bei doppelter Windgeschwindigkeit wird die Leistung sogar verachtfacht. Für Windenergieanlagen, die auf der Erdoberfläche installiert werden, sind lediglich die Windgeschwindigkeiten in weniger als 300 m Höhe von Interesse. In der sogenannten Bodengrenzschicht wird der geostrophische Höhenwind deutlich abgebremst. Die Windverhältnisse in Bodennähe sind stark von der Beschaffenheit der Erdoberfläche geprägt. Landschaft und Topografie haben einen wesentlichen Einfluß. Aber auch hier spielt die lokale Thermik in Form von Ausgleichswinden eine große Rolle. Das "Land-Seewind-System" kann man selbst an jeder Küste vor allem im Sommer beobachten. Tagsüber erwärmt sich die Landmasse stärker als die Wasseroberfläche, warme Luft steigt dort auf und zieht als Seewind Luft vom Meer nach. Nachts kühlt sich das Land aber wieder schneller als das Meer ab und der Effekt kehrt sich -nicht ganz so stark- wieder um. Der bodennahe Wind wird durch viele größere Hindernisse (Gebirge) und kleinere Störungen stark beeinflußt. Die Turbulenz des Windes steigt zum Boden hin stark an. Am Standort einer Windenergieanlage (WEA) spielen sogar noch kleinere Effekte eine große Rolle. So ist schon eine Baumreihe, ein Haus oder auch eine andere WEA ein Hindernis für die Luftströmung. Der Wind ist Änderungen in Stärke und Richtung unterworfen. Mit zunehmender Höhe verringern sich die Einflüsse der Erdoberfläche und damit die Turbulenzen. Die Windgeschwindigkeit nimmt zu. Um das Potential für die Windenergienutzung zu ermitteln, misst man die Windgeschwindigkeit und die Windrichtung über die Zeit. Man sollte mindestens sechs bis zwölf Monate am Standort selbst messen, da nur so alle wichtigen Einflüsse und "Windereignisse" erfasst werden. Windenergieanlagen können in allen Klimazonen, auf See und in allen Landformen (Küste, Binnenland, Gebirge) zur Gewinnung elektrischen Stroms eingesetzt werden. Aufgrund der Unstetigkeit des Windes kann die mit Windenergieanlagen gewonnene elektrische Energie nur im Verbund mit anderen Energiequellen oder Speichern für eine kontinuierliche Energiebereitstellung genutzt werden. (Siehe auch Regelenergie) Durch Prognose der Einspeisung und Austausch in und zwischen den deutschen Übertragungsnetzen (Regelzonen) kann die schwankende Stromerzeugung im Zusammenspiel mit anderen Kraftwerken wie die normalen Verbrauchsschwankungen ausgeglichen werden. Die Verknüpfung der Regelzonen und die Gesamtreserve dauerverfügbarer Energiequellen definieren daher zukünftig den Gesamtanteil der Windenergie an der Stromerzeugung. Für Deutschland geht man derzeit von 20 bis 25% maximalem Anteil aus. Eine andere Möglichkeit, die Schwankungen auszugleichen, besteht in der Nutzung von Pumpspeicherkraftwerken, Druckluftspeicherkraftwerken, Wasserstoffelektrolyse- und Verbrennung und Schwungradspeichern (siehe norwegisches Modellprojekt auf der Insel Utsira). Die Kombination dieser Techniken mit dem sogenannten Demand Side Management, also der zeitweiligen Abschaltung oder dem verzögerten Betrieb nicht zwingend notwendiger Verbraucher, ist ebenfalls eine Möglichkeit, die Schwankungen bei der Windenergieerzeugung auszugleichen. Andererseits weht der Wind aufgrund der Sonneneinstrahlung tagsüber meist stärker als nachts und passt sich somit auf natürliche Weise dem am Tag höheren Energiebedarf an. In ähnlicher Weise ist oft die Erzeugung im Winter größer als im Sommer, was ebenfalls günstig ist. Die Höhe der vorzuhaltenden Reserveleistung (Regelenergie) hängt erheblich von der Vorhersagegenauigkeit des Windes, der Regelungsfähigkeit des Netzes sowie dem zeitlichen Verlauf des Stromverbrauchs ab. Eine deutliche Verminderung des Bedarfs an Regelenergie entsteht durch Kombination von Windenergieanlagen an verschiedenen Standorten, da sich die Schwankungen der dortigen Windgeschwindigkeiten teilweise gegenseitig ausmitteln. Der Bedarf an windenergiebedingter Regelleistung ergibt sich aus der Differenz der prognostizierten Einspeisung aus Windenergieanlagen und den tatsächlichen Einspeisewerten. Damit die Windenergie genauer in dem Lastfahrplan der Kraftwerke berücksichtigt werden kann, sind sowohl zuverlässige Prognosen der Windleistung für den Folgetag als auch präzisere Kurzzeitprognosen im Minuten- bis Stundenbereich erforderlich. Die Netzführung und die Einsatzplanung der Kraftwerke wird zunehmend komplexer. Hierzu tragen verschiedene Faktoren bei: die Liberalisierung der Strommärkte, die zunehmende Dezentralisierung der Stromerzeugung und auch die wachsende Stromeinspeisung aus erneuerbaren Energiequellen mit ihrem teilweise fluktuierendem Energieangebot. Insbesondere der Beitrag der Windenergie zur Stromproduktion in Deutschland ist in den letzten Jahren enorm gestiegen. Er übertraf im Jahr 2003 erstmals den Anteil der Wasserkraft an der Stromerzeugung – Windstrom deckt in manchen Netzbereichen zeitweilig die gesamte Netzlast. Der Stromverbrauch in einem Versorgungsgebiet kann für den kommenden Tag auf Basis jahrzehntelanger Erfahrungen und mit modernen computergestützten Verfahren relativ präzise vorhergesagt werden. Die eingespeiste Windleistung ist hingegen eine der am schwierigsten zu bestimmenden Größen bei Einsatzplanung von Kraftwerken. Für den konventionellen Kraftwerkspark wirkt sich die Einspeisung von Windstrom wie ein Rückgang des Verbrauchs aus. Nicht vorhergesehene Schwankungen der Windeinspeisung sind gehören weiterhin zu den häufigsten Ursachen für den Einsatz von Ausgleichsenergie zur Glattstellung von Bilanzkreisen. In Deutschland gibt es vier Betreiber von Übertragungsnetzen: EON, RWE, EnBW und Vattenfall. Die vier Übertragungsnetze bilden wiederum Teilnetze des europäischen Verbundnetzes (UCTE) mit insgesamt rund 350 GW Kraftwerksleistung. Jeder Teilnetzbetreiber ist dafür verantwortlich, dass in seinem Netzbereich ein Gleichgewicht zwischen elektrischer Last und der Stromerzeugung besteht. Im Bedarfsfall kann ein Ausgleich auch grenzüberschreitend erfolgen. Ungleichgewichte, etwa durch Ausfall eines Kraftwerkes oder eines großen Verbrauchers, werden zunächst durch ausgewählte, an der Stromproduktion beteiligte Kraftwerke (Primärreserve) des gesamten Verbundnetzes aufgefangen. Das Europäische Netz verfügt über rund 3.000 MW dieser Primärreserve, davon werden 760 MW in Deutschland bereitgestellt. Innerhalb von einigen Sekunden muss die Primärreserve von schnell anlaufenden Kraftwerken wie z.B. Pumpspeicherkraftwerken oder Gasturbinen abgelöst werden. Diese Sekundärreserve wird von dem Netzbetreiber aktiviert, in dessen Versorgungsgebiet die Störung aufgetreten ist. Die Sekundärreserve wird nach einigen Minuten abgelöst durch manuelle Zuschaltung der „Minutenreserve“. Bei länger dauernden Ausfällen oder Lastspitzen kommt jetzt die „Stundenreserve“ zum Einsatz - meist thermische Kraftwerke. Der Bedarf an Sekundär-, Minuten- und Stundenreserve wird nach wahrscheinlichkeitstheoretischen Modellen berechnet. Ältere drehzahlstarre Windenergieanlagen mit Asynchrongeneratoren haben z. T. Eigenschaften, die bei einem starken Ausbau Probleme im Netzbetrieb bereiten können; dies betrifft vor allem den sog. Blindstrom. Dem kann durch Blindstromkompensation abgeholfen werden; moderne drehzahlvariable Anlagen mit elektronischem Stromumrichter können den Blindstromanteil ohnehin nach den Anforderungen des Netzes beliebig einstellen und auch Spannungsschwankungen entgegenwirken, so dass sie sogar zur Netzstabilisierung beitragen können. Eine Windenergieanlage ist nur scheinbar eine einfache Konstruktion. Viele Stadien vom Entwurf bis zur Errichtung müssen durchlaufen werden, bis dann die Anlage auf der Wiese umweltfreundliche Energie erzeugen kann. Die rasante Entwicklung der Windenergieanlagen sollte nicht darüber hinwegtäuschen, dass insbesondere in den Anlagen der höheren Leistungsklassen häufig Störungen und auch Schadensfälle in sämtlichen Elementen des Triebstranges (Getriebe, Kupplungen, Lager) auftreten, die bei Triebsträngen vergleichbarer Größenordnung in anderen Branchen und Industriezweigen (z.B. schwere Walzwerkantriebe) so bisher nicht bekannt waren. Der Hauptgrund hierfür liegt zum einen darin, dass die tragende Struktur einer Windenergieanlage, bestehend aus Turm und Gondel sehr elastisch ist und in Kombination mit dem Rotor ein extrem schwingungsanfälliges System darstellt. Zum anderen ist das schnelle Wachstum der Branche in den letzten Jahren sicherlich auch ein Problem, da weder umfangreiche Betriebserfahrungen mit der jeweiligen Anlagengröße gesammelt werden können, noch genügend Expertenwissen - insbesondere im Bereich des Triebstranges - mit den heute zum Einsatz kommenden Großkomponenten vorhanden ist. Nach den Erfahrungen der vergangenen Jahre, mit vielen Ausfällen vor allem im Bereich des Antriebsstranges, wird der Zuverlässigkeit eine immer größere Bedeutung beigemessen. Wartungs- und Reparaturarbeiten an Windenergieanlagen sind bedingt durch die schlechte Zugänglichkeit teuer und zeitaufwendig. Die dadurch verursachten Stillstandszeiten verringern den Energieertrag und schmälern die Rendite. Eine zuverlässige und dennoch wirtschaftliche Auslegung erfordert eine genaue Kenntnis der Betriebslasten und einen sicheren Schutz vor Überlasten. Der Wind weht nicht immer gleichmäßig, und Windenergieanlagen laufen daher nicht immer auf Nennleistung. Die tatsächliche erzeugte Energiemenge liegt unter der theoretisch möglichen. Dies wird durch den sogenannten Kapazitätsfaktor ausgedrückt. Er berechnet sich aus dem Jahresertrag in kWh geteilt durch das Produkt aus Nennleistung der Windenergieanlage und die 8.760 Std. des Jahres. Je nach Standort ergibt sich ein Kapazitätsfaktor zwischen 30% an den windreichsten Standorten an der Küste und ca. 18% an den windärmeren Binnenlandstandorten. Das Argument, dass die Windenergie nicht kontinuierlich zur Verfügung steht, stimmt. Jedoch stellt jede ins elektrische Netz eingespeiste kWh einen Teil der Grundlastversorgung dar. Durch die große Anzahl der bereits in Deutschland installierten Windenergieanlagen ergibt sich eine Vergleichmäßigung der eingespeisten Leistung. Bei der großräumigen Verteilung kann man davon ausgehen, das ca. 10% der Nennleistung aller Windenergieanlagen als Dauerleistung in das Netz gespeist werden. Nimmt man die geplanten Windenergieprojekte auf See hinzu (Offshore-Windparks), so wird diese Betrachtung noch günstiger ausfallen. Dies gilt in gleichem Maße für die Einbeziehung anderer Windenergieanlagen im europäischen Ausland, die ebenfalls in das europäische Verbundnetz einspeisen. So kann tatsächlich konventionelle Kraftwerkskapazität abgebaut und dauerhaft von regenerativen Energien ersetzt werden. Intelligente Lastmanagement-Systeme und die Entwicklung von Prognoseverfahren zur Vorhersage der Windleistung tragen weiter dazu bei, dass konventionelle Kraftwerkskapazität eingespart werden kann. Um Windkraftanlagen vor Überlast zu schützen und eine gleichmäßige Stromabgabe zu gewährleisten, muss bei Windgeschwindigkeiten über der Nennwindgeschwindigkeit ein Teil der Leistung gedrosselt werden. Die beiden folgenden Prinzipien sind die gängigsten zur Leistungsregulierung: "Stall-Regelung (aerodynamischer Abriss): Steigt die Windgeschwindigkeit über ein bestimmtes Maß hinaus, reißt durch die spezielle Flügelform die Luftströmung AUF der Saugseite des Rotorblattes an der Hinterkante beginnend ab und begrenzt so die Drehzahl. Bei steigende Windgeschwindigkeit wandert der Abrisspunkt Richtung vorderkante. Eine Modifikation stellt die so genannte Aktiv-Stall-Regelung dar, bei der eine Verstellung der Rotorblätter zur gezielten Provokation des Stall-Effektes möglich ist. Pitch-Regelung (Blattwinkelverstellung): Über die Elektronik Oder Hydraulik werden ebenfalls die Rotorblätter synchron verstellt, allerdings in Richtung Fahnenstellung. Auf diese Weise wird der Auftrieb verringert, so dass auch bei hohen Windgeschwindigkeiten die Leistungsabgabe des Rotors ab der Nennleistung konstant bleibt." Windenergie wird in vielen Ländern unabhängig von politischer Ausrichtung gefördert, beispielsweise durch Steuergutschriften (PTC in den USA), Quoten- oder Ausschreibungsmodelle (z. B. Großbritannien, Italien) oder Mindestpreissysteme (z. B. Deutschland, Spanien, Österreich, Frankreich, Portugal, Griechenland). Das Mindestpreissystem verbreitet sich immer mehr und erzielt im Mittel einen niedrigeren Strompreis bei höherer Installation an Leistung. Windenergie muss in vielen Strommärkten mit zum Teil längst abgeschriebenen Kraftwerken konkurrieren; daneben ist die Technologie noch relativ jung. Die Verbesserungspotentiale werden erst durch die industrielle Forschung und Fertigung erschlossen. Daher wurde in Form des Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) in Deutschland ein mit der Zeit sinkender Ausgleich zu den konventionellen Energielieferanten geschaffen, der es der jungen Branche erlaubt, sich zu entwickeln. Hierin werden Mindestvergütungen festgelegt, die von den Netzbetreibern an die Betreiber von Anlagen zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien zu zahlen sind. Die Höhe der Mindestvergütung ist degressiv gestaltet, d. h. sie nimmt zukünftig ab. Außerdem vermindert die Inflation den Wert der Vergütung. Es handelt sich im Gegensatz zu einer Subvention (wie zum Beispiel der deutschen Steinkohle) nicht um eine Förderung aus der Steuerkasse, vielmehr werden die Abnehmer (Stromnetzbetreiber) zu einem etwas höheren Strompreis verpflichtet. In Deutschland ist das Potenzial für Windstrom offshore größer als an Land. Offshore kann eine Windenergie-Anlage wesentlich mehr Strom erzeugen als an Land. Offshore-Anlagen müssen aufgrund ihres Einsatzgebietes höheren technischen Anforderungen standhalten. Eine sorgfältige Berücksichtigung des Naturschutzes ist ein entscheidender Faktor für die Akzeptanz. Die Stromerzeugung der Windparks auf Seewird in der Dimension von Großkraftwerken liegen. Dieser Strom muss möglichst netzverträglich zu Einspeisepunkten an Land geleitet werden. Da die Übertragung auf Hochspannungsniveau technisch vorteilhaft ist und ohnehin nur möglichst wenige Stromkabeltrassen durch die Nationalparks führen dürfen, werden die Anlagen/Parks ihren Strom zuerst zu seegestützten Transformatorstationen führen müssen. Von hier wird er dann zentral an Land geleitet. Die ersten Parks werden voraussichtlich über redundant ausgelegte Bündel von Seekabeln mit Drehstromübertragung arbeiten; für größere Entfernungen und Leistungen kommt auch die Hochspannungsgleichstromübertragung in Betracht. An dem oder den Einspeisepunkten an Land ist der Anschluss an das Hoch- oder Höchstspannungsnetz erforderlich. Windenergie hat sich zu einer bedeutenden Energiequelle entwickelt, die in den letzten Jahren immer effizienter in die Stromnetze und den Energiemarkt integriert wurde. Dank stark verbesserter Vorhersagen ist ihr Beitrag kalkulierbar geworden. Laufenden Entwicklungen lassen eine weiter steigende Prognosegenauigkeit erwarten. Damit ist angesichts hoher Energiepreise sogar eine Direktvermarktung von Windstrom möglich. Windenergie strebt damit in den Energiemarkt. In der Planungsphase werden nach Windanalysen zur Ertragsabschätzung weitere Standortanalysen zur wirtschaftlichen Optimierung von Anzahl und Aufstellungslayout im Windpark durchgeführt. Dem gesetzlich vorgeschriebenen Rahmen zu Umwelt- und Naturschutz, Belangen der Anwohner (z.B. Belästigung durch Lärm und Schlagschatten) und anderen Interessengruppen wird in der Planungsphase durch umfassende Analysen und Gutachten Rechnung getragen.