Thema: Windenergie Referenten: Stefano Roffia & Kirsten Lübbert Universität Duisburg-Essen, Campus Essen 03.02.2005 Fakultät IW, Abteilung Technik, Fachbereich TUD Energieumsatz I – Systeme des Energieumsatzes Seminar 2005 Dozent: Prof. Dr.-Ing. E. Sauer Thema: Windenergie Referenten: Stefano Roffia & Kirsten Lübbert

Gliederung 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 entstehen Luftströmungen? 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 Beispiel:Eine"Seebrise"ist 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)

(c22 / 2) + (p2 / ρ) + g * z2 = (c12 / 2) + (p1 / ρ) + g * z1 = konst. 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 Wind- geschwindigkeit 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.hamburger-bildungsserver.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 Offshore-Anlagen 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 Offshore-Windparks 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 Volllastbenutzungs- stunden hängen ab von der im Wind enthaltenen Energiemenge (Standort) und der Höhe der Anlagen

Beispiele: Volllastzahl Für die Berechnung der Stromentstehungs- kosten 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