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€ 40,00 [D] | € 41,20 [A]

ISBN 978-3-446-44790-5

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Alois Schaffarczyk (Hrsg.)

Einführung in die Windenergietechnik

Die Windenergie ist schon heute die wichtigste erneuerbare Energiequelle in der Stromerzeugung und in Zukunft wird ihre Bedeutung noch wachsen. Dieses Lehrbuch stellt die Wind- energie im Gesamtzusammenhang von der Ressource Wind bis hin zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit dar.

In elf Kapiteln bekommen Leser einen Überblick über das breite Spektrum der Windenergietechnik. Das Lehrbuch schafft so den Brückenschlag zwischen Theorie und Praxis. Die Grundlagen werden dabei leicht verständlich vermittelt und durch Beispiele verdeutlicht. Zahlreiche Übungsaufgaben dienen dem besseren Verständnis und helfen, das Gelernte praxisnah umsetzen zu können.

Die zweite Auflage wurde umfassend aktualisiert, überarbeitet und neuesten Standards angepasst.

Aus dem Inhalt:Geschichte der Windenergie · Internationale Entwicklung der Windenergie · Windressourcen, Standortbewertung und Ökologie · Aerodynamik und Blattentwurf · Rotorblätter, Triebstangenkonzepte, Turm und Gründung · Leistungselek-tronik-Generatorsysteme · Regelung und Betriebsführung · Netzintegration · Offshore-Windenergie

Alois Schaffarczyk (Hrsg.)

Einführung in die

Windenergie-technik

2., aktualisierte Auflage

Der Herausgeber:Prof. Dr. rer. nat. Alois Schaffarczyk unterrichtet an der FH Kiel. Alle beteiligten Autoren lehren, forschen und arbeiten im Bereich Windenergietechnik an schleswig- holsteinischen Hochschulen und/oder in international tätigen Firmen und Institutionen.

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Schaffarczyk (Hrsg.) Einführung in die Windenergietechnik

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Alois Schaffarczyk (Hrsg.)

Einführung in die Windenergietechnik 2., aktualisierte Auflage Mit 304 Bildern, 38 Tabellen sowie zahlreichen Beispielen und Übungen

Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

Prof. Dr. rer. nat. Alois Schaffarczyk FH Kiel Alle in diesem Buch enthaltenen Programme, Verfahren und elektronischen Schaltungen wurden nach bestem Wissen erstellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund ist das im vorliegenden Buch enthaltene Programm-Material mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autor und Verlag übernehmen infolgedessen keine Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieses Programm-Materials oder Teilen davon entsteht.

Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. ISBN: 978-3-446-44790-5 E-Book-ISBN: 978-3-446-44982-4 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung – mit Ausnahme der in den §§ 53, 54 URG genannten Sonderfälle –, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. © 2016 Carl Hanser Verlag München Internet: http://www.hanser-fachbuch.de Lektorat: Franziska Jacob, M.A. Herstellung: Dipl.-Ing. (FH) Franziska Kaufmann Satz: le-tex publishing services GmbH, Leipzig Coverconcept: Marc Müller-Bremer, www.rebranding.de, München Coverrealisierung: Stephan Rönigk Druck und Bindung: Pustet, Regensburg Printed in Germany

Vorwort

Mit dem Probebetrieb der Großwindanlage (GROWIAN) 1983 im Kaiser-Wilhelm-Koog nahedem Eingang in den Nord-Ostsee-Kanal begann in Deutschland die Ära der modernen Wind-energie. Waren Ende des neunzehnten Jahrhunderts knapp zwanzigtausend Windmühlen inBetrieb, so erzeugten Ende 2011 mehr als dreiundzwanzigtausend Windturbinen fast 10 Pro-zent des Nettostromverbrauchs in Deutschland. Knapp dreißig Jahre nach diesem ambitio-nierten Neubeginn überschreiten heutzutage Standardanlagen fast vom Fließband die Größeund Leistung des einst so geschmähten GROWIAN.

Auf Anregung des Carl Hanser Verlags und unter dem Dach der CEwind eG, der Forschungsge-meinschaft Windenergie der schleswig-holsteinischen Hochschulen, legen zehn Autoren ausdem Umfeld der schleswig-holsteinischen Windcommunity und den Niederlanden eine ein-führende Darstellung der Windenergietechnik vor. In elf Kapiteln sollen interessierte Leserin-nen und Leser in die Lage versetzt werden, den modernen Stand dieser nunmehr als eigen-ständig zu bezeichnenden Technik kennenzulernen.

Wir beginnen mit einem Abriss der Geschichte, der ergänzt wird durch eine energiepolitischeDiskussion der internationalen Bedeutung der Windenergie. Weitere Kapitel legen den aerody-namischen und strukturellen Blattentwurf dar. Dem Energiefluss in der Anlage folgend, stel-len wir danach moderne Triebstrangkonzepte sowie Turm und Gründung vor. Im weitestenSinne elektrische Komponenten wie Generator, Umrichter, Regelungs- und Betriebsführungs-konzepte schließen sich an. Einer Beschreibung, wie sehr große Anteile dieser fluktuieren-den Energieform erfolgreich in das bestehende elektrische Versorgungsnetz integriert werden,kommt im Zuge der in Deutschland beschlossenen „Energiewende“ eine besondere Beach-tung zu. Wir schließen mit einem Kapitel über den jüngsten, aber hoffnungsvollsten und mithohen Erwartungen versehenen Zweig der Windenergie, der Offshore-Technik.

Kiel, im Februar 2012 Für die CEwind eG: A. P. Schaffarczyk

Vorwort zur zweiten Auflage

Auch seit dem Erscheinen der ersten Auflage hat die Nutzung der Windenergie in Deutschlandund der Welt weiter sehr stark zugenommen. So stieg die weltweite installierte Nennleistungvon 238 GW (Ende 2011) auf 432 GW (Ende 2015). Der Carl Hanser Verlag hat sich deswegen zueiner zweiten Auflage entschlossen, in der die Autoren dieser Entwicklung Rechnung tragen.So wurden alle Kapitel in diesem Buch gründlich überarbeitet und den aktuellen Standardsangepasst. Der Herausgeber dankt dafür allen Autoren und insbesondere unserer Lektorin,Frau Franziska Jacob, für ihre stetige Förderung.

Kiel, im Juli 2016

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Die Autoren

Dr. h. c. Jos Beurskens leitete die Abteilung für Erneuerbare Energien und Windenergie desNiederländischen Forschungszentrums für Energie (ECN) mehr als 15 Jahre. Für sein Lebens-werk wurde er von der Europäischen Windenergievereinigung (EWEA) 2008 mit dem Poul-la-Cour-Preis ausgezeichnet. Er ist nun unabhängiger Berater für Technologieentwicklung undForschungsstrategien.

Prof. Dipl.-Ing. Lothar Dannenberg beschäftigte sich mehr als 10 Jahre mit Rotorblättern undOffshore-Gründungen. Er lehrte an der FH Kiel neben diesen Gebieten in den Bereichen Kon-struktion und Festigkeit von Schiffen, Faserverbundwerkstoffe und Unterwasserfahrzeuge.

Seit dem 1. November 2010 leitet Prof. Dr.-Ing. Torsten Faber das Wind Energy TechnologyInstitute (WETI) an der Fachhochschule Flensburg. Zuvor sammelte er über 10 Jahre Berufser-fahrung bei DNV GL (früher: Germanische Lloyd Industrial Services GmbH) in der AbteilungRotorblätter und Bautechnik von Windenergieanlagen.

Prof. Dr.-Ing. Friedrich W. Fuchs leitete den Lehrstuhl für Leistungselektronik und ElektrischeAntriebe an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel und ist dort weiterhin in der Forschungtätig. Ein wichtiger Forschungsschwerpunkt ist die Wandlung regenerativer Energie. Davor warer 14 Jahre in der Industrie, zuletzt als Entwicklungsleiter bei CONVERTEAM (damals AEG,heute General Electrical Power Conversion).

Frau M. Eng. Nica Kähler arbeitet für die HanseWerk AG in der Netztechnik. In der AbteilungRichtlinien und Anlagentechnik ist sie für die Technischen Anschlussbedingungen (TAB) undfür die Bearbeitung der Anlagenzertifikate zuständig.

Prof. Dr.-Ing. Christian Keindorf studierte Bauingenieurwesen an der TU Braunschweig undpromovierte 2009 über Turmkonstruktionen für Windenergieanlagen an der Leibniz Universi-tät Hannover. Seit 2009 ist er Gründungsgesellschafter der SKI Ingenieurges. mbH, die sichu. a. mit Tragstrukturen für erneuerbare Energiesysteme beschäftigt. Anfang 2015 nahm erden Ruf zur Professur für Offshore-Anlagentechnik der Fachhochschule Kiel an und arbeitetdort am Institut für Schiffbau und maritime Technik. Außerdem ist er 2015 von der Ingenieur-kammer Niedersachsen zum Sachverständigen für Tragkonstruktionen von On- und Offshore-Windenergieanlagen öffentlich bestellt und vereidigt worden.

Dipl.-Ing. Peter Krämer ist Konstruktionsleiter und Produktmanager bei der Firma aerodynEnergiesysteme GmbH in Rendsburg. aerodyn ist ein unabhängiges Ingenieurbüro, welchessich ausschließlich mit der Entwicklung von Windenergieanlagen beschäftigt. Seit der Grün-dung 1983 hat aerodyn mehr als 27 erfolgreiche Gesamtentwicklungen von WEA’s durchge-führt. Bis Ende 2015 wurden dabei weltweit ca. 36 600 Anlagen mit insgesamt 50 000 MW er-richtet.

Dr. Hermann van Radecke arbeitet seit über 20 Jahren an der FH Flensburg im Bereich Tech-nologietransfer Hochschule und Windenergie. Er ist Gründungsmitglied von CEwind. Er ist ander Fachhochschule und der Universität Flensburg in der Lehre für Physik, für Grundlagen derWindenergie und im internationalen Master-Studiengang Wind Engineering vertreten.

Prof. Dr. jur. Klaus Rave leitete die Abteilung Energiewirtschaft in Schleswig-Holstein und warlangjähriger Vorstand der Investitionsbank des Landes. Seit vielen Jahren ist er in internationa-len Verbänden für die Windenergie tätig, u. a. als Präsident der EWEA (European Wind EnergyAssociation) und derzeitiger Vorsitzender des GWEC (Global Wind Energy Council).

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Prof. Dr. A. P. Schaffarczyk beschäftigt sich seit 1997 mit der Aerodynamik von Windturbinen.Er ist Gründungsmitglied und ehrenamtlicher Vorstand der CEwind eG und lehrt im interna-tionalen Master of Science Studiengang Wind Engineering.

Prof. Dr. Reiner Johannes Schütt war lange Jahre Entwicklungsleiter und Technischer Leiterder ENERCON NORD Electronic GmbH in Aurich. Heute lehrt und forscht er im FachgebietSteuerungen/Elektrische Antriebe und Windenergietechnik an der FH Westküste in Heide.

Prof. Dr. Sven Wanser leitet den Geschäftsbereich Netzdienste bei der Schleswig-Holstein-NetzAG und lehrt das Fachgebiet Elektrische Energietechnik an der FH Westküste in Heide.

Danksagung

Der Herausgeber dankt Susanne Coulibaly für ihre unermüdliche Hilfe bei der TechnischenUnterstützung zur Erstellung der Manuskripte und dem studentischen Team um Prof. vonSchilling für die Erstellung der deutschen Übersetzung des Textes von Herrn Beurskens.

Peter Krämer dankt Oliver Mathieu, Felix Mund, Arved Hildebrand und Sönke Siegfriedsen fürdie Ausarbeitung von Kapitel 6 in der ersten Auflage. Herr Siegfriedsen hatte die Gesamtver-antwortung für Kapitel 6 der ersten Auflage, welches bei dieser Überarbeitung nur geringfügigverändert wurde.

Prof. Faber dankt Marcel Schedat für die konstruktiven Verbesserungsvorschläge, die Ergän-zung von neuen Inhalten sowie die Fehlersuche und -beseitigung innerhalb des Kapitels„Turm und Gründung“ in der neuen Auflage des vorliegenden Buches. Ein weiterer Dank giltden Sponsoren und der Fachhochschule Flensburg, durch dessen Unterstützung die Arbeitam Wind Energy Technology Institute ermöglicht wird.

Prof. Fuchs dankt dem Team des Lehrstuhls für Leistungselektronik und Elektrische Antriebeder Christian-Albrechts-Universität für die Unterstützung bei der Ausarbeitung des Kapitels 9.

Dr. van Radecke dankt den Koautoren Dr. Mengelkamp und Andreas Kunte für ihre Beiträ-ge in Kapitel 3. Dr. Theo Mengelkamp (Abschnitt 3.2.6) ist Umweltmeteorologe und leitet seitüber 20 Jahren die für Windenergieprognosen bekannte Firma anemos. Andreas Kunte (Ab-schnitt 3.8) war über 20 Jahre in mehreren Umweltämtern in Schleswig-Holstein zuständig fürGenehmigungen von Windenergieanlagen. Außerdem dankt Dr. van Radecke für die freundli-che fachliche Unterstützung durch Herrn Robin Funk von der Firma EMD und Dr. WolfgangSchlez von der Firma GL Garrad Hassan.

Prof. Dr. Sven Wanser und Nica Kähler danken allen Fachkollegen und Lesern, die mit vielenwertvollen Anregungen zur Gestaltung des Kapitels beigetragen haben. Besonderer Dank giltdabei den Kollegen Dipl.-Ing. Kai Dohse (Schleswig-Holstein Netz AG) und Dipl.-Ing. CarinaDorothea Carl (HanseWerk AG).

Dem Verlag danken die Autoren für die Veröffentlichung des Buches und für die gute Betreu-ung während der Erstellungsphase.

Inhalt

Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1 Die Geschichte der Windenergie (Jos Beurskens) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.2 Die ersten Windmühlen: 600–1890 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.3 Stromerzeugung durch Windmühlen: Windkraftanlagen 1890–1930 . . . . . . . . . . . . . . 27

1.4 Der erste Innovationszeitraum: 1930–1960 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.5 Der zweite Innovationszeitraum und die volle Kommerzialisierung: 1960 bisheute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2 Die internationale Entwicklung der Windenergie (Klaus Rave) . . . . 542.1 Der Beginn der modernen Energiedebatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.2 Zur Erneuerung der Energiemärkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.3 Zur Bedeutung der Stromnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.4 Die erneuerte Wertschöpfungskette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

2.5 Internationale Perspektiven. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

2.6 Der Ausbau in ausgewählten Ländern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.7 Zur Rolle der EU .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

2.8 Internationale Institutionen und Organisationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

2.9 Global Wind Energy Outlook 2010 – Der globale Blick in die Zukunft . . . . . . . . . . . . . . 75

2.10 Aktualisierung auf der Basis von 2015 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3 Windressourcen, Standortbewertung, Ökologie(Hermann van Radecke) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

3.2 Windressourcen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

3.2.1 Globales Windsystem und Bodenrauigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

3.2.2 Höhenprofil und Rauigkeitslänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

3.2.3 Rauigkeitsklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Inhalt 9

3.2.4 Höhenlinien und Hindernisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

3.2.5 Windressource mit WAsP, WindPRO, Windfarmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

3.2.6 Bestimmung Windpotenzial mit Mesoskala-Modellen und Reanalyse-daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

3.2.6.1 Reanalysedaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

3.2.6.2 Windmapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

3.2.6.3 Windatlas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

3.2.6.4 Verifizierung und Zeitreihen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

3.2.6.5 Anwendungsbereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

3.2.7 Wind im Windpark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

3.2.8 Häufigkeitsverteilung Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

3.2.9 Standortbewertung und Jahresenergieertrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

3.2.10 Referenzertrag und Dauer der erhöhten Vergütung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

3.3 Schall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

3.3.1 Einheit dB(A) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

3.3.2 Schallquelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

3.3.3 Ausbreitung durch die Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

3.3.4 Immissionsort und Richtwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

3.3.5 Frequenzanalyse, Tonzuschlag, Impulszuschlag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

3.3.6 Schallreduktionsmaßnahmen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

3.3.7 Abstandsregeln. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

3.4 Schatten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

3.5 Turbulenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

3.5.1 Natürliche Umgebungsturbulenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

3.5.2 Anlagenspezifische Turbulenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

3.6 Zwei Anwenderprogramme zur vollständigen Planung von Windparks . . . . . . . . . . . 122

3.7 Technische Richtlinien, FGW-Richtlinien und IEC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

3.8 Umwelteinflüsse, Bundes-Immissionsschutzgesetz und Genehmigungsver-fahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

3.8.1 Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

3.8.2 Genehmigungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

3.8.3 Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

3.8.3.1 Screening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

3.8.3.2 Standortbezogene Vorprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

3.8.3.3 Allgemeine Vorprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

3.8.3.4 UVP-Untersuchungsrahmen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

3.8.4 Einzelaspekte im Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

3.8.4.1 Antrag auf immissionsschutzrechtliche Genehmigung . . . . . . . . . . . 129

10 Inhalt

3.8.4.2 Erteilung der Genehmigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

3.8.4.3 Schwierigkeiten des Genehmigungsverfahrens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

3.8.4.4 Geräusche sind Immissionen im Sinne des § 3 (2) BImSchG .. . . . 130

3.8.4.5 Optische Immissionen: Lichtblitze, periodischer Schattenwurf. . 131

3.8.4.6 Turbulenzen im Nachlauf von Windenergieanlagen . . . . . . . . . . . . . . . 131

3.8.4.7 Kennzeichnung von WEA als Luftfahrthindernisse . . . . . . . . . . . . . . . . 132

3.8.5 Akzeptanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

3.8.6 Überwachung und Klärung anlagenspezifischer Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

3.9 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

3.10 Lösungen zu den Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

4 Aerodynamik und Blattentwurf (Alois Schaffarczyk) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1384.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

4.2 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

4.3 Horizontalanlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

4.3.1 Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

4.3.2 Aerodynamische Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

4.4 Integrale Impulsverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

4.4.1 Impulstheorie der Windturbine: der Betz’sche Grenzwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

4.4.2 Änderung der Luftdichte durch Temperatur und Höhe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

4.4.3 Einfluss der endlichen Blattzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

4.4.4 Drallverluste und lokale Optimierung des Flügels nach Glauert . . . . . . . . . . . . 145

4.4.5 Verluste durch Profilwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

4.5 Impulstheorie der Blattschnitte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

4.5.1 Die Formulierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

4.5.2 Beispiel einer Implementierung: WT-Perf. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

4.5.3 Optimierung und Entwurfsregeln für Blätter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

4.5.4 Erweiterung der Blattschnittverfahren: Die differenzielle Formulierung . . 151

4.5.5 Dreidimensionale Strömungssimulation – CFD .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

4.5.6 Zusammenfassung: Horizontalanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

4.6 Vertikalanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

4.6.1 Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

4.6.2 Aerodynamik der H-Rotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

4.6.3 Aeroelastik der Vertikalrotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

4.6.4 Ein 50-kW-Rotor als Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

4.6.5 Entwurfsregeln für Kleinwindanlagen nach dem H-Darrieus-Typ . . . . . . . . . 160

4.6.6 Zusammenfassung: Vertikalrotoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

Inhalt 11

4.7 Windangetriebene Fahrzeuge mit Rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

4.7.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

4.7.2 Zur Theorie der windgetriebenen Fahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

4.7.3 Ein Zahlenbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

4.7.4 Das Kieler Auslegungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

4.7.5 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

4.7.6 Realisierte Fahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

4.7.7 Zusammenfassung: Windautos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

4.8 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

5 Rotorblätter (Lothar Dannenberg) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1755.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

5.2 Belastungen der Rotorblätter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

5.2.1 Belastungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

5.2.2 Grundlagen der Festigkeitsberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

5.2.2.1 Koordinatensystem, Vorzeichenregeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

5.2.2.2 Schnittlasten (Schnittkräfte und Schnittmomente) . . . . . . . . . . . . . . . . 178

5.2.3 Querschnittswerte des Rotorblattes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

5.2.4 Spannungen und Deformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

5.2.5 Schnittlasten im Rotorblatt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

5.2.6 Durchbiegung und Neigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

5.2.7 Ergebnisse nach der Balkentheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

5.3 Schwingungen und Beulung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

5.3.1 Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

5.3.2 Beul-/Stabilitätsberechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

5.4 Finite-Elemente-Berechnungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

5.4.1 Spannungsberechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

5.4.2 FEM-Beulberechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

5.4.3 FEM-Schwingungsberechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

5.5 Faserverbundwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

5.5.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

5.5.2 Materialien (Fasern, Harze, Zusatzstoffe, Sandwichmaterialien) . . . . . . . . . . . 200

5.5.2.1 Fasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

5.5.2.2 Harze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

5.5.2.3 Zusatzstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

5.5.2.4 Sandwichmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

5.5.3 Laminate, Laminateigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

12 Inhalt

5.6 Fertigung von Rotorblättern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

5.6.1 Strukturteile des Rotorblattes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

5.6.2 Laminierverfahren für Rotorblätter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

5.6.3 Zusammenbau des Rotorblattes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

6 Der Triebstrang (Sönke Siegfriedsen, Peter Krämer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2126.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

6.2 Blattwinkelverstellsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

6.3 Windrichtungsnachführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

6.3.1 Allgemein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

6.3.2 Funktionsbeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

6.3.3 Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

6.3.4 Anordnungsvarianten von Windrichtungsnachführungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224

6.4 Triebstrangkomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

6.4.1 Rotorarretierungen und Rotordrehvorrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

6.4.2 Rotorwelle und Lagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

6.4.3 Getriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

6.4.4 Bremse und Kupplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

6.4.5 Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

6.5 Triebstrangkonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

6.5.1 Direktgetrieben – Doppelte Lagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

6.5.2 Direktgetrieben – Momentenlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

6.5.3 1-2-Stufengetriebe – Doppelte Lagerung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

6.5.4 1-2-Stufengetriebe – Momentenlagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

6.5.5 3-4-Stufengetriebe – Doppelte Lagerung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

6.5.6 3-4-Stufengetriebe – Dreipunktlagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

6.5.7 3-4-Stufengetriebe – Momentenlagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

6.6 Schäden und Schadensursachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252

6.7 Auslegung von Triebstrangkomponenten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

6.8 Schutzrechte in der Windenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

7 Turm und Gründung (Torsten Faber) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2647.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264

7.2 Richtlinien und Normen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266

7.3 Beanspruchung von Türmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266

Inhalt 13

7.3.1 Ermüdungslasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266

7.3.2 Extremlasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

7.4 Nachweise des Turms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

7.4.1 Tragfähigkeitsnachweise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

7.4.2 Gebrauchstauglichkeitsnachweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

7.4.3 Schwingungsberechnungen (Eigenfrequenzen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

7.5 Konstruktionsdetails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

7.5.1 Öffnungen in der Wand von Stahlrohrtürmen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274

7.5.2 Ringflanschverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274

7.5.3 Schweißverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

7.6 Werkstoffe für Türme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

7.6.1 Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276

7.6.2 Beton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

7.6.3 Holz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

7.6.4 Glasfaserverstärkter Kunststoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

7.7 Ausführungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278

7.7.1 Rohrtürme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278

7.7.2 Gittermasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278

7.7.3 Abgespannte Türme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

7.7.4 Verschiedene Turmkonzepte im Vergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

7.8 Gründungen von Onshore-WEA .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280

7.8.1 Gründungen und Fundamentbautypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280

7.8.2 Übergang zwischen Turm und Fundament . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

7.8.3 Nachweise für die Gründung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287

8 Leistungselektronik-Generatorsysteme für Windenergieanlagen(Friedrich Fuchs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2888.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

8.2 Wechselspannungs- und Drehspannungssystem .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290

8.3 Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

8.3.1 Prinzip, Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

8.3.2 Ersatzschaltbild, Zeigerdiagramm .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

8.3.3 Vereinfachtes Ersatzschaltbild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

8.3.4 Drehstromtransformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

8.4 Generatoren für Windenergieanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298

8.4.1 Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298

8.4.1.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

14 Inhalt

8.4.1.2 Grundlegende Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

8.4.1.3 Spannungsgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300

8.4.1.4 Ersatzschaltbild. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

8.4.1.5 Zeigerdiagramm .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

8.4.1.6 Heylandkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302

8.4.1.7 Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304

8.4.1.8 Moment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

8.4.1.9 Drehzahlregelung der Asynchronmaschine mit Kurzschluss-läufer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306

8.4.2 Asynchronmaschine mit Schleifringläufer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309

8.4.2.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

8.4.2.2 Grundlegende Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

8.4.2.3 Spannungsgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311

8.4.2.4 Ersatzschaltbild. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311

8.4.2.5 Zeigerdiagramm und Stromortskurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

8.4.2.6 Drehzahlregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315

8.5 Synchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

8.5.1 Generelle Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

8.5.2 Spannungsgleichungen und Ersatzschaltbild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318

8.5.3 Leistung und Moment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319

8.5.4 Ausführungsformen fremderregter Synchronmaschinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321

8.5.5 Permanenterregte Synchronmaschinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321

8.5.6 Drehzahlvariabler Betrieb der Synchronmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322

8.6 Umrichtersysteme für Windenergieanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323

8.6.1 Generelle Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324

8.6.2 Frequenzumrichter in Zweistufenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324

8.6.2.1 Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324

8.6.2.2 Pulsweitenmodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325

8.6.3 Frequenzumrichter in Mehrstufenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330

8.7 Regelung von drehzahlvariablen Umrichter-Generatorsystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332

8.7.1 Regelung des umrichtergespeisten Asynchrongenerators mit Kurz-schlussläufer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333

8.7.2 Regelung der doppeltgespeisten Asynchronmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338

8.7.3 Regelung der Synchronmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338

8.7.4 Regelung des netzseitigen Umrichters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339

8.7.5 Auslegung der Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341

8.8 Einhaltung der Netzanschlussbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342

8.9 Weitere elektrotechnische Komponenten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344

Inhalt 15

8.10 Eigenschaften der Leistungselektronik-Generatorsysteme in der Übersicht . . . . . 345

8.11 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351

9 Steuerung und Regelung von Windenergiesystemen(Reiner Johannes Schütt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3539.1 Grundlegende Zusammenhänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353

9.1.1 Einordnung der WES-Automation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354

9.1.2 Systemeigenschaften der Energiewandlung in WEA .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357

9.1.3 Energiewandlung des Rotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357

9.1.4 Energiewandlung des Antriebsstrangs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360

9.1.5 Energiewandlung des Generator-Umrichtersystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361

9.1.6 Idealisierte Betriebskennlinien von WEA .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364

9.2 Regelsysteme der WEA .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365

9.2.1 Gierwinkelregelung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366

9.2.2 Blattwinkelregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367

9.2.3 Wirkleistungsregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368

9.2.4 Blindleistungsregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370

9.2.5 Zusammenfassung des Regelverhaltens und erweiterte Betriebsbereicheder WEA .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371

9.3 Betriebsführungssysteme für WEA .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373

9.3.1 Steuerung des Betriebsablaufs von WEA .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373

9.3.2 Sicherheitssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376

9.4 Windparksteuer- und -regelsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377

9.5 Fernbedienung und -überwachung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

9.6 Kommunikationssysteme für WES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382

10 Netzintegration (Sven Wanser, Nica Kähler). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38410.1 Energieversorgungsnetze im Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384

10.1.1 Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384

10.1.2 Spannungsebenen der elektrischen Versorgungsnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385

10.1.3 Netzstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385

10.2 Netzregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388

10.2.1 Regelleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388

10.2.2 Ausgleichsenergie und Bilanzkreise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388

10.2.3 Grundlast, Mittellast und Spitzenlast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

10.2.4 Frequenzhaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391

16 Inhalt

10.2.5 Primärregelung, Sekundärregelung und Minutenreserve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392

10.2.6 Spannungshaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393

10.2.7 Systemdienstleistungen durch Erzeugungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394

10.3 Grundbegriffe zur Netzintegration von Erzeugungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395

10.3.1 Elektrische Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396

10.3.2 Netzqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400

10.4 Netzanschluss für WEA .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403

10.4.1 Bemessung der Netzbetriebsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404

10.4.2 Überprüfung der Spannungsänderung/Spannungsband. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407

10.4.3 Überprüfung der Netzrückwirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410

10.4.4 Überprüfung der Kurzschlussfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411

10.5 Netzanbindungen von WEA.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412

10.5.1 Schaltanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413

10.5.2 Schutzeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414

10.5.3 Einbindung in das Netzleitsystem.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416

10.6 Weitere Entwicklungen in der Netzintegration und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416

10.6.1 Netzausbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416

10.6.2 Lastverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419

10.6.3 Energiespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420

11 Offshore-Windenergie(Lothar Dannenberg, Christian Keindorf) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42211.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422

11.1.1 Historie und Entwicklungstrends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422

11.1.2 Unterschiede zwischen Onshore- und Offshore-WEA .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423

11.1.3 Planungsgrundlagen für Offshore-Windparks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424

11.1.4 Umweltschutz und Arbeitssicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425

11.2 Wesentliche Komponenten eines Offshore-Windparks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426

11.2.1 Turbinen für OWEA.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426

11.2.2 Tragstrukturen für OWEA .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427

11.2.2.1 Turm .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427

11.2.2.2 Transition Piece . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428

11.2.3 Fest verankerte Gründungstrukturen für OWEA .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428

11.2.3.1 Monopile-Gründung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429

11.2.3.2 Schwerkraftgründungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430

11.2.3.3 Jacket-Gründung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430

11.2.3.4 Tripod-Gründung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431

Inhalt 17

11.2.3.5 Tripile-Gründung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431

11.2.3.6 Suction-Buckets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432

11.2.4 Schwimmende Gründungstrukturen für OWEA.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433

11.2.4.1 Spar Buoy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433

11.2.4.2 Tension Leg Plattform (TLP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434

11.2.4.3 Halbtaucher (Semi-Submersible Platform). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435

11.2.5 Offshore-Stationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435

11.2.6 Seekabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435

11.2.7 Forschungsplattformen und Messmasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436

11.3 Einwirkungen auf OWEA .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437

11.3.1 Ständige Einwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438

11.3.2 Aerodynamische Lasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439

11.3.3 Hydrostatische Lasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439

11.3.4 Hydrodynamische Lasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440

11.3.4.1 Strömungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440

11.3.4.2 Belastungen durch Strömungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440

11.3.4.3 Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442

11.3.4.4 Lineare Wellentheorien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444

11.3.4.5 Nichtlineare Wellentheorien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449

11.3.4.6 Belastungen durch Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451

11.3.4.7 Regelmäßiger Seegang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455

11.3.4.8 Unregelmäßiger oder natürlicher Seegang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455

11.3.4.9 Seegangsspektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456

11.3.5 Einwirkungen infolge Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461

11.3.6 Einwirkungen infolge Eis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461

11.3.7 Funktionale Einwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462

11.3.8 Außergewöhnliche Einwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463

11.4 Bemessung von Offshore-Bauwerken für die Windenergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463

11.4.1 Entwurfsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463

11.4.2 Standortbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464

11.4.2.1 Meterologische und ozeanographische Bedingungen . . . . . . . . . . . . . 464

11.4.2.2 Baugrunderkundung und Bodeneigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464

11.4.2.3 Kolkbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468

11.4.2.4 Eisbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470

11.4.2.5 Mariner Bewuchs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470

11.4.2.6 Korrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471

11.4.3 Sicherheitskonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473

11.4.3.1 Teilsicherheitsbeiwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473

18 Inhalt

11.4.3.2 Charakteristische Werte der Einwirkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473

11.4.3.3 Charakteristische Werte der Materialwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . 474

11.4.3.4 Bemessungskonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475

11.4.4 Lastfälle und Lastfallkombinationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475

11.4.5 Berechnungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476

11.4.6 Nachweismethoden und Grenzzustände. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477

11.4.6.1 Grenzzustand der Tragfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478

11.4.6.2 Grenzzustand der Ermüdung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478

11.4.6.3 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479

11.4.6.4 Grenzzustand der außergewöhnlichen Beanspruchung . . . . . . . . . . 480

11.4.6.5 Weitere Nachweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .482

1 Die Geschichteder Windenergie

1.1 EinleitungWind wird wahrscheinlich seit mehr als 1 500 Jahren als Energiequelle genutzt. In Zeiten, indenen andere Energiequellen nicht bekannt oder knapp waren, stellte Windenergie ein sehrerfolgreiches Mittel zur industriellen und wirtschaftlichen Entwicklung dar. Windenergie wur-de zu einer Marginalquelle, als kostengünstige, einfach zu erschließende und reichlich vor-handene Energiequellen verfügbar wurden. Vom Standpunkt des Beitrags der Windenergie zurwirtschaftlichen Entwicklung aus betrachtet, kann man die Geschichte der Windenergie in viersich überschneidende Zeitabschnitte einteilen. Außer im ersten Abschnitt liegt das Augenmerkhierbei auf der Stromerzeugung durch Wind.

Bild 1.1 Historische Entwicklung der Nutzung des Windes als Energiequelle. Die erste und letzte Peri-ode haben die deutlichsten Auswirkungen auf die Gesellschaft. Die Jahresangaben sind Anhaltswertefür die Zeiträume der jeweiligen Entwicklungsperioden [Foto: Jos Beurskens]

600–1890: Klassische Periode Klassische Windmühlen für mechanische Antriebe; mehr als 100 000Windmühlen in Nordwesteuropa. Die Periode endet nach der Erfindung der Dampfmaschine undaufgrund reichlicher Holz- und Kohlevorkommen.

1890–1930: Aufkommen elektrizitätserzeugender Windkraftanlagen Die Entwicklung der Elek-trizität zu einer für jedermann zugänglichen Energiequelle führt zum Einsatz von Windmühlen alseiner zusätzlichen Möglichkeit zur Stromerzeugung. Grundlagen im Bereich der Aerodynamik. DiePeriode endet aufgrund preisgünstigeren Erdöls.

1930–1960: Erste Innovationsphase Die Notwendigkeit der Elektrifizierung ländlicher Gebiete unddie Energieknappheit während des 2. Weltkriegs lösen neue Entwicklungen aus. Fortschritt im Be-reich der Aerodynamik. Die Periode endet aufgrund preisgünstigeren Gases und Erdöls.

seit 1973: Zweite Innovationsphase mit Kommerzialisierung Die Energiekrise und Umweltproble-

matik in Kombination mit technologischem Fortschritt sorgen für den kommerziellen Durchbruch.

20 1 Die Geschichte der Windenergie

Während der klassischen Periode wandelten die „Windvorrichtungen“ (Windmühlen) diekinetische Energie des Windes in mechanische Energie um. Nachdem Stromerzeuger wieGleichstrom- und Wechselstromgeneratoren erfunden wurden und man sie für die öffent-liche Stromversorgung einsetzte, wurden Windmühlen zur Stromerzeugung genutzt. DieseEntwicklung begann effektiv im späten 19. Jahrhundert und wurde nach der Energiekrise von1973 zu einem großen wirtschaftlichen Erfolg.

Um zwischen den verschiedenen Anlagen klar unterscheiden zu können, werden sie in diesemBuch als Windmühlen bzw. als Windkraftanlagen bezeichnet.

1.2 Die ersten Windmühlen: 600–1890Wassermühlen gelten sehr wahrscheinlich als Wegbereiter für Windmühlen. Wassermühlenwiederum entwickelten sich aus Vorrichtungen, die von Menschen oder Tieren angetriebenwurden. Die Vorrichtungen, die uns aus historischen Quellen bekannt sind, besaßen eine ver-tikale Hauptwelle, an die senkrecht ein Querbalken angebracht war, um die Hauptwelle anzu-treiben. Der Querbalken wurde von Nutztieren, wie Pferden, Eseln oder Kühen, angetrieben.Es scheint nur logisch zu sein, dass sich die vertikalen Windmühlen aus diesen Vorrichtungenentwickelten. Jedoch gibt es nur wenige historische Quellen, die dies belegen. Es lassen sichmehr Quellen über die „nordischen“ oder „griechischen“ Wassermühlen finden, die sich ausden von Tieren angetrieben Vorrichtungen entwickelten. Um 1000 vor Christus hatten dieseArten von Wassermühlen ihren Ursprung in den Hügeln des östlichen Mittelmeerraums undwurden auch in Schweden und Norwegen genutzt [8].

Die ersten Windmühlen mit vertikaler Hauptwelle fand man in Persien und China. Mitte des7. Jahrhunderts n. Chr. war der Bau von Windmühlen ein hoch angesehenes Handwerk in Per-sien [7]. In China wurden vertikale Windmühlen von Händlern eingeführt. Der erste Europäer,der über Windmühlen in China berichtete, war Jan Nieuhoff, der 1656 mit einem der nieder-ländischen Botschafter nach China reiste. Bis vor Kurzem waren ähnliche Windmühlen in Chi-na noch in Gebrauch (siehe Bild 1.2).

Eine andere Art der Vorrichtung waren die Tretmühlen, die durch die Körperkraft von Men-schen oder Tieren angetrieben wurden. Radial zur Hauptwelle waren Schaufeln angeordnet.Indem man Körperkraft von Menschen oder Tieren durch die Kraft von fließendem Wasserersetzte, entwickelte sich die horizontale Wassermühle aus der Tretmühle. Auf diesem Wegeentstanden im 1. Jahrhundert vor Christus die sogenannten vitruvischen Wassermühlen, wel-che durch den Römer Vitruvius eingeführt wurden. Diese Wassermühle kann als Prototyp fürdas unterschlächtige Wasserrad angesehen werden, das in ganz Europa in Flüssen und Bächenmit niedrigen Wasserhöhedifferenzen zu finden ist. Es wird weithin angenommen, dass das vi-truvische Rad der Vorläufer der horizontalen Windmühle ist [8].

Die ersten horizontalen Windmühlen wurden während der Kreuzzüge im Vorderen Orient undspäter in Nordwesteuropa gefunden. Diese Windmühlen verfügten über eine fixierte Rotor-konstruktion, die nicht in den Wind gedreht werden konnte (Gieren). Die Rotorflügel dieserWindmühlen waren denen ähnlich, die man heute z. B. noch auf der griechischen Insel Rho-dos beobachten kann. Um 1100 wurde über die ersten festen Bockwindmühlen, die auf denPariser Stadtmauern standen, berichtet. Es ist unklar, ob die Windmühlen, die weit verbrei-

1.2 Die ersten Windmühlen: 600–1890 21

Bild 1.2 Schematische Darstellung der Funktions-weise einer chinesischen Windmühle. Durchgezoge-ne Linien stellen Flügel und strich-punktierte LinienSeile dar [2]

tet waren, über den Vorderen Orient nach Europa kamen oder in Westeuropa wiedererfundenwurden. Einige Autoren zweifeln sogar an der Existenz von horizontalen Windmühlen im Vor-deren Orient während der Kreuzzüge [7, 26]. Andere wiederum sprechen nur von vertikalenWindmühlen zu jener Zeit [15, 16].

Die Annahme, dass die Windmühlen Westeuropas unabhängig von jenen des Vorderen Ori-ents erfunden wurden, wird durch Dokumente gestützt, die in Archiven der niederländischenProvinz Drenthe gefunden wurden. In diesen Dokumenten, die aus dem Jahr 1040, also derZeit vor den ersten Kreuzzügen, stammen, werden zwei Windmühlen (Deurzer Diep und Uf-felte) erwähnt. Während der Renaissance wurden auch in Europa einige vertikale Windmühlengebaut. Besonders bekannt war die von Kapitän Hooper gebaute Windmühle in Margate Lon-don [23].

Technische Entwicklung der ersten horizontalen Windmühlen

Die ersten Windmühlen verfügten über keinen Giermechanismus und die Flügel bestandenaus einem Rahmen aus Längs- und Querstangen, durch den Segeltuch geschnürt war (sieheBild 1.3). Die Leistungsabgabe wurde dadurch gesteuert, dass man das Tuch entweder ganzoder teilweise von Hand aufwickelte (siehe Bild 1.3).

Bild 1.3 „Leistungssteuerung“ einer klassischen Windmühle [Foto:Jos Beurskens]

22 1 Die Geschichte der Windenergie

Aus statischen Gründen wurde die Hauptwelle mit einem Neigungswinkel versehen (Abmes-sungen des Mühlengebäudes, der Achsenlast auf das Axialgleitlager, die Möglichkeit ein tra-gendes Gebäude bzw. einen konischen Turm zur Stabilisierung zu bauen).

Vor der Untersuchung der globalen Entwicklung von Windmühlen zu Windkraftanlagen, mitdenen man heutzutage Strom erzeugt, wird die Entwicklung der klassischen Windmühle inWesteuropa beschrieben.

Obwohl in den windigen Regionen Europas der Wind vornehmlich aus einer bestimmten Rich-tung kommt, variiert die Windrichtung so stark, dass ein Giermechanismus sinnvoll ist, um beiseitlichem Anströmen des Windes nicht zu viel Energie zu verlieren. Diese Anforderung führtezu den ersten Bockwindmühlen (siehe Bild 1.4), welche in den Wind gegiert werden konnten.Diese Windmühlen wurden zum Mahlen von Getreide genutzt. Durch einen starken Balken,der am Mühlenhaus angebracht war, konnte das gesamte Haus, das auf einer fixierten Un-terkonstruktion stand, so weit gedreht werden, bis der Rotor senkrecht zum Wind stand. Oftwurden die Stützbalken der Unterkonstruktion so mit Holzplanken verkleidet, dass ein Lager-raum entstand. Der Mühlstein und die Zahnräder befanden sich im drehbaren Mühlenhaus.

Bild 1.4 Bockwindmühle, Baexem,Niederlande [Foto: Jos Beurskens]

Eine der ersten Schilderungen über diese Windmühlenart, die auf das Jahr 1299 datiert ist,stammt aus einem Kloster in Sint Oedenrode, in der Region Noord Brabant in den Niederlan-den. Ein anderer Versuch, den Rotor in den Wind zu drehen, bestand darin, die Windmühleauf eine schwimmende Plattform zu bauen. Die Plattform war mittels eines Gelenks an ei-nem Pfahl befestigt, der in den Grund eines Sees eingeschlagen war. Vermutlich aufgrund derfehlenden Stabilität dieser Windmühle, die 1594 im Norden von Amsterdam gebaut wordenwar, wurde nie wieder eine solche Mühle errichtet. Dieses Konzept, das als erste Offshore-Windkraftanlage der Welt gelten kann, wurde nicht weiterverfolgt.

Aus der Bockwindmühle entwickelte sich die sogenannte Kokerwindmühle (siehe Bild 1.5).Nach 1400 wurden Windmühlen in den flacheren Regionen der Niederlande nicht nur zumGetreidemahlen genutzt, sondern auch zum Trockenlegen von Seen und Sümpfen. Die Pump-vorrichtung, meist ein Schaufelrad, war an einer befestigten Stelle außen am Mühlenhaus an-gebracht. Nur die Übertragungselemente der Windmühle waren im Inneren untergebracht,

1.2 Die ersten Windmühlen: 600–1890 23

Bild 1.5 Kokerwindmühle aus der Provinz Südholland [Foto: JosBeurskens]

Bild 1.6 Die Entwicklung der klassischen „Holländermühle“ [Foto: Jos Beurskens]

wodurch der rotierende Teil der Windmühle merklich kleiner wurde. Mit Beginn des 16. Jahr-hunderts stieg der Bedarf an einer höheren Pumpleistung, wodurch die Wippmühle durch eineMühle mit drehbarer Haube ersetzt wurde. Nur das Kegelradgetriebe befand sich im Innerender Haube, mit dem Ergebnis, dass dieser Teil relativ wenig wog. Als der Bedarf an einer hö-heren Leistungsabgabe stieg, baute man Windmühlen, deren einzig rotierbares Teil die Hau-be war. Die Antriebsmaschinerie konnte im feststehenden Mühlenhaus untergebracht werdenund musste nicht mehr in den beweglichen Teil (z. B. bei der Bockwindmühle) oder im Freien(wie bei Kokerwindmühlen) platziert werden.

Mit der steigenden Zahl an Windmühlen stieg der Druck, diese effizienter zu betreiben. Ausdieser Motivation entstandene Neuerungen wurden in die Mühlen integriert.

Eine Neuerung war das automatische Gieren des Windmühlenrotors in den Wind mithilfe ei-ner Windrose: ein Rotor, dessen Welle senkrecht zur Hauptwelle der Windmühlen angebrachtwar. In England befestigte Edmund Lee 1745 eine Windrose an einer Windmühle. Die Wind-rose war eine hölzerne Konstruktion, die an den drehbaren Teil der Windmühle montiert war,

24 1 Die Geschichte der Windenergie

Bild 1.7 Windrichtungsnachführung mit Sensor auf einerfrühen Lagerwey-Windkraftanlage [Foto: Jos Beurskens]

um den Rotor in die Windrichtung zu drehen. John Smeaton, ebenfalls Engländer, erfand eineWindrose, die auf der drehbaren Haube der Windmühle angebracht war.

Diese Neuerung war so erfolgreich, weil sie an einer großen Zahl an Windmühlen genutzt wur-de, vor allem in England, Skandinavien, Norddeutschland und im östlichen Teil der Nieder-lande. Dieses Konzept wurde bis in die Ära der stromerzeugenden Windkraftanlagen des spä-ten 19. Jahrhunderts und sogar bis ins späte 20. Jahrhundert beibehalten. Am Anfang war dieÜbertragung voll mechanisch und später agierte die Windrose alleinig als Sensor, um ein Kon-trollsignal an den Giermechanismus zu senden (siehe Bild 1.7).

In der ersten Phase der klassischen Periode der Windmühlen wurden diese vor allem zum Ge-treidemahlen und zur Entwässerung genutzt. Nach und nach wurde Wind auch als Energie-quelle für alle möglichen Industrieprozesse eingesetzt. Vor allem in Regionen, in denen keineanderen leicht zu handhabenden Energieträger wie Holz und Kohle verfügbar waren, spielteWind eine tragende Rolle als Energiequelle für die industrielle, wirtschaftliche Entwicklung.Dies war vor allem in „de Zaanstreek“ nördlich von Amsterdam und in Kent, England, der Fall.Windmühlen wurden zum Holzsägen, zur Produktion von Papier, Öl und Farbe, zum Schä-len von Reis und Schroten sowie zur Herstellung von Senf und Schokolade verwendet (sieheBild 1.8) [26]. Außerdem wurden sie zur Belüftung von Gebäuden (England) genutzt. Der Bauvon Windmühlen wurde vor allem in geeigneten Gebieten konzentriert. Die Anhäufung vonWindmühlen, wie in der Galerie der Windmühlen, um Sümpfe und Seen trockenzulegen, kannals Vorläufer moderner Windparks angesehen werden.

Weitere Neuerungen im Bereich des Leistungsverhaltens und der Steuerung des Rotors wur-den nach und nach eingeführt. Das Segeltuch, das durch die Flügelbalken geschlungen wur-de, ersetzte man durch Tuchstreifen, die an der Vorderseite des Flügels angebracht waren. DerUnterdruck auf der Windschattenseite hielt das Tuch an Ort und Stelle, wodurch es ein aerody-namisches Profil erhielt. Die Leistungsabgabe wurde gesteuert, indem man den Holzrahmendes Flügels teilweise abdeckte. Um den Wartungsaufwand zu reduzieren, ersetzte man die höl-zernen Stangen und Rahmen durch Eisen- und Stahlbauteile (siehe Bilder 1.3 und 1.11).

Der Weg zu einer nennenswerten Erhöhung der aerodynamischen Effizienz stützt sich aufwissenschaftliche Forschungen aus der Mitte des 18. Jahrhunderts. Die wohl faszinierendsteArbeit wurde von John Smeaton (1724–1792) angefertigt und kann als Vorläufer der moder-nen Forschung angesehen werden. Durch das Ziehen am Seil beginnt sich die vertikale Welle

1.2 Die ersten Windmühlen: 600–1890 25

Bild 1.8 Anhäufung von Windmühlen in Kinderdijk bei Rotterdam [Foto: Jos Beurskens]

zu drehen, genau wie der Arm, an dessen Ende das Modell eines Windmühlenrotors befestigtist. Der Rotor wird mit einer Windgeschwindigkeit angeströmt, die gleich der Flügelspitzenge-schwindigkeit des Arms ist. Während der Rotation hebt der Rotor ein Gewicht. Indem man dieRotoreigenschaften ändert, kann die optimale „Wirkkraft“ (im modernen Gebrauch als „Leis-tung“ bezeichnet) ermittelt werden. Smeaton präsentierte die Ergebnisse seines Experiments„zur Konstruktion und Wirkung von Windmühlen Flügeln“ in einer klassischen Abhandlung,die 1759 der Royal Society vorgestellt wurde. Die „Wirkkraft“ war gleich dem Produkt aus demGewicht und der Anzahl an Umdrehungen, die der Rotor in einer bestimmten Zeitspanne aus-führte, wobei Reibungsverluste an der Apparatur auszugleichen waren.

Smeaton bestimmte die beste Form und „Wetter“ der Flügel. In der klassischen Windmühlen-technik bezeichnet „Wetter“ den Winkel zwischen dem Flügelabschnitt und der Rotationsebe-ne. Heute wird mit „Wetter“ die Verdrehung der Rotorblätter bezeichnet. Später untersuchteMaclaurin den lokal vorherrschenden Anstellwinkel mithilfe einer Abstandsfunktion, die denWinkel zwischen dem Querschnitt der Anlage und den Achsen des Rotors beschreibt. Es istinteressant, die Arbeit von Smeaton mit der heutigen Forschung zu vergleichen, daher wer-den im folgenden Abschnitt seine Schlussfolgerungen oder „Maximen“ wörtlich wiedergege-ben [7]. Seine Schlussfolgerungen aus den Experimenten:

Maxime 1: Die Geschwindigkeit von Mühlenflügeln, bei gleicher Form und Position, ist nahe-zu die des Windes. Dabei ist es unerheblich, ob sie unbelastet oder so belastet werden, dasssie ein Maximum produzieren.

Maxime 2: Die Maximallast ist nahezu, aber etwas weniger als die Windgeschwindigkeit zumQuadrat, sofern die Form und Position der Flügel gleich ist.

Maxime 3: Die Leistung der gleichen Flügel bei maximaler Leistungsabgabe ist nahezu aberetwas weniger als die Windgeschwindigkeit hoch drei.

Seine Schlussfolgerungen aus seinen theoretischen Überlegungen:

Maxime 6: Bei Flügeln mit ähnlicher Form und Position verhält sich die Anzahl der Umdre-hungen in einem bestimmten Zeitabschnitt antiproportional zum Radius oder der Längeder Flügel.

Maxime 7: Die maximale Last, die Flügel mit ähnlicher Form und Position bei einer bestimm-ten Entfernung zum Drehpunkt aushalten können, hat den Wert des Radius hoch drei.

Maxime 8: Die Wirkung der Flügel mit ähnlicher Form und Position hat den Wert des Radiuszum Quadrat.

Neben der automatischen Windrichtungsnachführung Gieren und der verbesserten Konfigu-ration der Flügel wurde die Effizienz der Windmühlen durch weitere Innovationen verbessert.

26 1 Die Geschichte der Windenergie

Bild 1.9 Modell des Versuchsaufbaus von Smeaton, gebaut von Adri Lamesée [Foto: Jos Beurskens]

Beispielsweise erhielt Andrew Meikle 1772 ein Patent für Lamellen in den Rotorblättern, umdie Leistungsabgabe automatisch zu regeln. 1787 führte Thomas Mead die automatische Re-gelung dieser Rotorblätter mittels eines Zentrifugalreglers ein.

Mit der Erfindung der Dampfmaschine (Watt) ergab sich die Möglichkeit, Strom nach Beliebenerzeugen zu können. Die Versorgung mit Energie konnte perfekt an die Nachfrage angepasstwerden. Daneben waren Brennstoffe wie Kohle und Holz verhältnismäßig kostengünstig. Dieshatte verheerende Auswirkungen auf den Einsatz von Windmühlen. Während des 19. Jahr-hunderts verringerte sich die Gesamtzahl der Windmühlen in Nordwesteuropa von anfäng-lich 100 000 auf 2 000. Dank der aktiven Erhaltungspolitik des Verening de Hollandsche Mo-len (Holländischer Mühlenverein) konnten in den Niederlanden 1 000 der annähernd 10 000Windmühlen erhalten werden. Diese klassischen Holländerwindmühlen sind immer noch be-triebsfähig.

1.3 Stromerzeugung durch Windmühlen: Windkraftanlagen 1890–1930 27

1.3 Stromerzeugung durch Windmühlen:Windkraftanlagen 1890–1930

Als die ersten elektrischen Dynamos und Wechselstromgeneratoren in Betrieb genommenwurden (siehe Kasten „Dynamo“, unten), verwendete man alle möglichen Energiequellen, umdie Generatoren anzutreiben. Die Generatoren wurden durch Tretmühlen, mit Holz oder Koh-le befeuerte Dampfmaschinen, Wasserräder, Wasserturbinen und Windrotoren angetrieben.Der Wind wurde dabei nur als eine von vielen Möglichkeiten zur Energiegewinnung betrach-tet. 1876 wurde beispielsweise der verbesserte Gleichstromgenerator von Charles Brush durcheine Tretmühle, die wiederum durch Pferde betrieben wurde, angetrieben.

Mit der Erfindung des Dynamos wurde es möglich, gewerbliche Verbraucher und einzelneHaushalte mittels Elektrizität mit Energie aus der Ferne zu versorgen. Elektrizität konnte ein-fach von einem zentralen Generator aus an die Verbraucher übertragen werden. Nach Einfüh-rung des ersten zentralen E-Werks stieg der Bedarf an Primärenergie sehr schnell an.

Die Entwicklung der stromerzeugenden Windmühlen (im Folgenden Windkraftanlagen ge-nannt) war nicht eigenständig, sondern überschnitt sich mit dem Aufkommen der erstenE-Werke und der ersten lokalen Stromnetze. Der erste Mensch, der eine Windmühle zurStromerzeugung nutzte, war James Blyth, Professor am Anderson College in Glasgow. Seine1887 gebaute 10 m hohe Windkraftanlage, deren Flügel mit Segeltuch bespannt waren, nutzteer, um in seinem Ferienhaus die Akkus der Beleuchtung aufzuladen.

1888 konstruierte Charles Brush, der Besitzer eines Maschinenbauunternehmens, an seinemHaus in Cleveland, Ohio (USA), eine 12-kW-Windkraftanlage mit einem Durchmesser von17 m. Im Vergleich zu ihrer Nennleistung hatte die Anlage einen sehr großen Durchmesser.Der Rotorbereich wurde vollständig durch die 144 schmalen Rotorblätter abgedeckt, weshalbdie Drehzahl niedrig war. Daraus ergab sich ein sehr großes Übersetzungsverhältnis von derRotorwelle zum Generator. Die Leistungsabgabe wurde durch einen sogenannten „eklipti-schen Regler“ automatisch geregelt. Der Rotor wurde dem zunehmenden Wind durch eineWindfahne, die senkrecht zum Hauptflügelrad positioniert war, aus dem Wind gedreht, wäh-rend das Hauptflügelrad an einem Schräggelenk befestigt war. Das Bild aus dem ScientificAmerican vom 20. Dezember 1890 zeigt viele Merkmale der Anlage.

„Dynamo“ war der ursprüngliche Name für den Gleichstromgenerator. Ihm gegenübersteht der Wechselstromgenerator, der über einen Schleifring oder einen RotormagnetWechselstrom erzeugt. Das erste betriebsfähige, öffentliche E-Werk wurde 1880 in NewYork gebaut. Es bestand hauptsächlich aus Dynamos und betrieb Bogenlampen in einem 2Meilen langen Stromkreis. Es gab einen harten Wettkampf zwischen den Befürwortern derGleichstromsysteme unter der Führung des amerikanischen Erfinders Thomas Alva Edisonund den Befürwortern der Wechselstromsysteme unter der Führung des amerikanischenIndustriellen George Westinghouse. Gleichstrom hatte den Vorteil, dass der Strom in elek-trochemischen Batterien gespeichert werden konnte. Im Gegensatz dazu war der große Vor-teil des Wechselstroms, dass die Spannung leicht in einen höheren Spannungspegel umge-wandelt werden konnte, um Übertragungsverluste zu reduzieren und dann beim elektri-schen Verbraucher wieder zurück auf einen niedrigeren Spannungspegel gebracht werdenkonnte. Am Ende gewannen die Wechselstromsysteme den Wettkampf.

28 1 Die Geschichte der Windenergie

Bild 1.10 Nachbau des Windkanals von Poul la Cours in Askov [Foto: Jos Beurskens]

Windkraftanlagen wurden auch verwendet, um an Bord von Schiffen Strom zu erzeugen. DieAnlagen wurden an Deck aufgebaut und trieben per Riemenübersetzung einen Dynamo an.Mit dem Strom wurden dann Batterien an Bord aufgeladen. Die Rotoren besaßen mit Segel-tuch bespannte Flügel. Zwei Beispiele hierfür sind die Fram, das Schiff, mit dem Fridtjof Nan-sen 1888 in die Antarktis segelte, und die Chance aus Neuseeland.

1891 konstruierte Professor Poul la Cour in Askov, Dänemark, seine erste Windkraftanlage,um Strom zu erzeugen, den er für verschiedene Anwendungen verwendete. Er schloss seineWindkraftanlage, die vier ferngesteuerte Jalousieflügel besaß, an zwei 9-kW-Dynamos an. Mitdem erzeugten Strom wurden für die Askov Folk High School Batterien aufgeladen und durchdie Elektrolyse von Wasser Wasserstoff gewonnen, mit dem Gaslampen betrieben wurden. LaCours Entwürfe basierten auf Windkanalmessungen an seiner Schule (siehe Bild 1.10).

Die Jalousieflügel, die Poul la Cour verwendete, wurden 1772 von Andrew Meikle in Großbri-tannien erfunden und angewendet. Meikle ersetzte das Segeltuch durch rechteckige Lamellen.Die Lamellen öffneten sich bei Windböen gegen die Kraft von Stahlfedern automatisch. Dieswar die erste Möglichkeit der automatischen Regelung, welche den Beruf des Müllers viel be-quemer machte. Die Spannung der Federn musste jedoch immer noch von Hand eingestelltwerden. Dafür musste die Windmühle vollständig angehalten werden.

Später wurden die Lamellen entweder automatisch oder manuell durch einen Stab, der durchdie hohle Hauptwelle der Mühle verlief, gesteuert. Dadurch konnte die Mühle gesteuert wer-den, ohne sie ständig anhalten zu müssen. Das System wurde 1807 von William Cubitt paten-tiert. Die Lamellen wurden durch eine spinnenartige Konstruktion gesteuert, die auch heutenoch in klassischen Windmühlen, u. a. in Norddeutschland, England und Skandinavien, ge-funden werden kann (siehe Bild 1.11).

1.3 Stromerzeugung durch Windmühlen: Windkraftanlagen 1890–1930 29

Bild 1.11 Jalousieflügel der Mühle amWall im Zentrum von Bremen [Foto: JosBeurskens]

Obwohl die Flügel von la Cours Windkraftanlage über einige Neuerungen verfügten, war dasaerodynamische Design an die klassischen Windmühlen angelehnt. Es dauerte etwa zwei Jahr-zehnte, bis effiziente aerodynamische Profile, die aus der Luftfahrt heraus entwickelt wurden,auf Windkraftanlagen angewendet wurden.

Ausgehend von den Experimenten, die la Cour in Askov durchführte, gab er Empfehlungen fürdie praktische Umsetzung, aus denen u. a. die dänischen Fabrikanten Lykkegaard und Ferrits-lev (Fyn) kommerzielle Windkraftanlagen entwickelten. Bis 1908 hatte Lykkegaard 72 Wind-kraftanlagen errichtet und bis 1928 stieg die Anzahl auf etwa 120. Der maximale Durchmesserder La-Cour-Lykkegaard-Windkraftanlagen betrug 20 m. Außerdem waren sie mit 10-kW- bis35-kW-Generatoren ausgestattet. Die Anlagen erzeugten Gleichstrom, der an kleine Gleich-stromnetze und Batterien weitergeleitet wurde. Da die Brennstoffpreise extrem angestiegenwaren, wurde die Entwicklung der Windtechnologie in Dänemark auch im 1. Weltkrieg fortge-setzt.

Zwischen den beiden Weltkriegen wurde in den Niederlanden versucht, das Leistungsver-halten der klassischen Windmühlen zu verbessern. An der TU Delft führten der Helikopter-Pionier Professor A. G. von Baumhauer und A. Havinga Messungen an 4-Blatt-Rotoren klas-sischer Windmühlen durch [24]. Das Mauerwerk der klassischen Windmühlen, welches dieverbesserten Rotoren stützen sollte, hätte den Axialkräften aber nicht standgehalten, da diesemit der höheren Effizienz der Rotoren ebenfalls anstiegen. In den 1950er- und 1960er-Jahrenwurden weitere Experimente durchgeführt, die aber alle aufgrund struktureller Integrität oderaus wirtschaftlichen Gründen fehlschlugen (Prinsenmolen; de Traanroeier, Oudeschild, Texel).

In Deutschland veröffentlichte der Leiter der Aerodynamischen Versuchsanstalt Göttingen,Albert Betz, im Jahr 1920 gleichzeitig mit Zhukowsky, aber nach Lanchester (1915), eine ma-thematische Analyse zum theoretischen Maximalwert des Leistungskoeffizienten eines Wind-kraftanlagenrotors (dieser wird meist Lanchester-Betz-Koeffizient genannt und beträgt 16/27= 59,3 %. Er basierte auf dem axialen Strömungsmodell. Betz beschrieb außerdem auch Wind-kraftanlagen mit verbesserten aerodynamischen Blättern [13].

Die Anlage hatte Bremsklappen an den Niederdruckseiten der Flügel. Unmittelbar nach dem1. Weltkrieg war es Kurt Bilau, der die Effizienz seines 4-Blatt-Ventimotors dadurch weiter ver-bessern wollte, dass er dem Aeroprofil der Blätter eine stromlinienförmige Form gab. Er be-hauptete sogar, eine höhere Effizienz zu erreichen, als Betz später als Maximalwert für den