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Referat Windkraft
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Windkraft als Energielieferant
WernervonSiemens Fachschule für Technik
Ein Projekt von Holger Haas, Mike Badorf, Thomas Schulz und Dennis Wett
Referat Windkraft
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Inhaltsverzeichnis
1. Vorwort ..........................................................................................................................................3 2. Technik...........................................................................................................................................4 2.1 Anlagenarten.................................................................................................................4 2.1.2 SAVONIUS Rotor .................................................................................................4 2.1.3 DARRIEUS Rotor..................................................................................................4 2.1.4 PROPELLER Rotor ...............................................................................................4 2.1.5 Aufwindkraftwerk..................................................................................................5 2.2 Leistungsvergleich ....................................................................................................5
3. Aufbau einer konventionellen Windkraftanlage...............................................................................6 3.1 Rotor.........................................................................................................................6 3.2 Getriebe ....................................................................................................................6 3.3 Generator ..................................................................................................................7 3.4 Netzanbindung ..........................................................................................................7 3.5 Sicherheit ..................................................................................................................8 3.5.1 Bremssystem..........................................................................................................8 3.5.2 Blitzschutz .............................................................................................................8 3.5.3 Eisansatz ................................................................................................................8 3.5.4 Computerüberwachung ..........................................................................................9
4. Nutzung..........................................................................................................................................9 5. Betrieb und Wartung.....................................................................................................................10
5.1 Anpassung an Windstärken .....................................................................................10 5.2 Wartungs und Durchschnittsregelung.....................................................................10 5.3 Wiederkehrende Prüfungen .....................................................................................11
6. Rentabilität ...................................................................................................................................12 6.1 Ausfallzeiten...............................................................................................................13 6.1.1 Störungsstatistik ...................................................................................................13 6.1.2 Schadenshäufigkeit im Anlagenalter.....................................................................14
7. Einfluss auf die Umwelt ................................................................................................................15 7.1 Einflüsse .....................................................................................................................15 7.1.1 Schallemissionen..................................................................................................15 7.1.3 Verhaltenseinfluss auf Tiere .................................................................................16 7.1.4 Landschaftsbild und Tourismus............................................................................17 7.2 Klima und Unweltschutz........................................................................................17 7.2.1 Sicherheitsabstände in NordrheinWestfalen ........................................................18
8. Verteilung der Windenergienutzung Weltweit ...............................................................................19 Die Entwicklung der Windenergie in Deutschland ........................................................19
9. Entwicklung..................................................................................................................................20 Die Zukunft der Windenergie........................................................................................20 Offshore .......................................................................................................................20
Beispiele...........................................................................................................................................22 Haushalte in Schwerte betreiben gemeinsam eine WKA ...............................................22 Offshore Anlage Breitling.............................................................................................22 Baltic I..........................................................................................................................23 Kriegers Flak Rügen...................................................................................................23
Zusammenfassung ............................................................................................................................24 Anhang.............................................................................................................................................25 Literaturverzeichnis ..........................................................................................................25
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1. Vorwort
Bereits seit Jahrhunderten nutzt der Mensch die Kraft des Windes, schon im 9. Jahrhundert wurden Windmühlen errichtet um die Windkraft zum mahlen von Getreide zu verwenden, auch zum Bewässern von Feldern und zum Betreiben von Sägemühlen wurde der Wind als Antriebskraft genutzt. Dies wurde auf mechanische Art realisiert indem die durch die drehenden Flügel erzeugte Kraft durch Umlenkung auf einen Mühlstein oder entsprechendes Werkzeug übertragen wurde.
Nachteil dieser Methode war die starke Orts und Zweckgebundenheit, erst mit Entwicklung des Generators und der Verwendung von elektrischem Strom konnte der Gedanke gefaßt werden die Kraft des Windes allgemein zu nutzen.
Im Jahr 1891 entstand das erste Windrad mit Dynamo an der Volkshochschule in Askov/Dänemark das bei einem Rotordurchmesser von 20 Metern bereits Leistungen von 10 – 35kW erreichte.
In den USA waren in den 20iger Jahren mehrere Zehntausend Anlagen zur Erzeugung von Gleichstrom in Betrieb deren Rotordurchmesser bei 4 Metern lag, diese Anlagen erzeugten Leistungen im Bereich von 1,8 – 3kW.
Infolge der Wirtschaftskrise der 30iger Jahre fand in dieser Zeit aufgrund der Rohstoffknappheit keine Weiterentwicklung dieser Technologie statt.
Im Jahr 1941 entstand in den USA die erste Großwindanlage mit einem Rotordurchmesser von 53 Metern und einer Nennleistung von 1,2 MW über einen Synchrongenerator.
Erst ab 1970, ausgelöst durch die Ölkrise wurden Anlagen entwickelt deren Wirtschaftlichkeit für die Massennutzung ausreichend war. 1987 entstand im Norden Deutschlands, im KaiserWilhelmKoog, der erste Windpark mit einer Gesamtleistung von 8,75 Megawatt In den folgenden Jahren nahm die Zahl solcher Anlagen stetig zu.
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2. Technik
2.1 Anlagenarten
Um die Kraft des Windes in für den Menschen nutzbare elektrische Energie zu wandeln wurden verschiedene Typen von Rotoren entwickelt:
2.1.2 SAVONIUS Rotor
Ein sehr einfaches Prinzip, daß im 19. Jahrhundert entwickelt wurde um Wasser für die Bewässerung von Land zu pumpen, wird auch
heutzutage noch in Afrika oder Asien häufig benutzt, auch zur Belüftung von Schiffen und Lkws wird dieser einfache Rotor der aus zwei Halbschalen besteht, eingesetzt. Da diese Bauweise nur einen Wirkungsgrad von 23% erreicht ist der Savonius Rotor für die Erzeugung von elektrischer Energie aber nicht geeignet.
2.1.3 DARRIEUS Rotor
Vom Franzosen Darrieus 1931 entwickelt und zum Patent angemeldet hat diese vertikale Bauform einige Interessante Vorteile, wie zum Beispiel daß der schwere Generator am Boden plaziert ist, ein weiterer großer besteht in der Unabhängigkeit der Windrichtung, was diesen Typ für Gegenden mit schnell wechselnden Windrichtungen prädestiniert. Die Nachteile dieses Aufbau liegen in dem 75% erreichbaren Wirkungsgrad des Propellerrotors, einer hohen Mindestwindgeschwindigkeit und darin, daß zumeist ein Elektromotor benötigt wird um die Anlage in Gang zu setzen.
2.1.4 PROPELLER Rotor
Dieser Rotortyp ist von Aufbau und Wirkungsgrad, nach heutigem Stand der Technik am besten für die Energieerzeugung geeignet und dementsprechend weit verbreitet, der Aufbau besteht aus einem Rotor mit zwei bis drei senkrecht umlaufenden Rotorblättern, gegebenenfalls einem Getriebe, dem Generator und dem Turm. Die Antriebskraft wird auf aerodynamischem Wege erreicht, wie bei den Tragflächen eines Flugzeuges wird durch die Windströmung eine Saug und eine Druckkraft gebildet die der Rotor in ein Drehmoment und damit in eine Drehzahl umsetzt die den Generator antreibt.
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2.1.5 Aufwindkraftwerk
Aufwindkraftwerke bestehen aus einem kaminförmigen Turm, der von einem Glasdach umgeben ist. Sie nutzen die Tatsache, dass die Luft, die unter diesem Glasdach erwärmt wurde, im Turm nach oben steigt, dort eine Turbine antreibt und so Strom produziert.
Prinzip eines Windkraftwerks: Das (schwarze) Dach erhitzt sich durch die Sonne, folglich wird auch die Luft darunter heiß und steigt durch eine Art Kamin auf. In diesem Kamin befindet sich dann die Turbine, welche den Aufwind in Strom umwandelt.
Da diese Kraftwerke sehr viel Platz beanspruchen und ihre Erbauung sehr kostspielig ist, scheitern viele Länder trotz vorhandenem Interesse mit ihren Bauvorhaben.
Diese Technik nutzt die Erfahrung mit Windenergie um auf eine andere Weise die Solarenergie nutzbar zu machen.
2.2 Leistungsvergleich
Rein physikalisch betrachtet lässt sich die Windkraft nicht zu 100% ausnutzen, da dadurch ja die Windgeschwindigkeit auf 0 gebremst würde und durch die Bewegung auch Luft nachgeführt wird. Der errechnete maximal erreichbare Wirkungsgrad beträgt 59,3%. Die im Vorfeld vorgestellten Rotortypen erreichen folgende Werte:
Rotortyp Savonius Darrieus Propeller
Wirkungsgrad 23% 35% 46%
Aufgrund der hohen umsetzbaren Windleistung ist der Propellerroter der am weitesten verbreitete Anlagentyp geworden, daher wird im Folgenden der Aufbau einer Anlage mit Propellerrotor näher betrachtet.
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3. Aufbau einer konventionellen Windkraftanlage
3.1 Rotor
Die Größe des Rotors und die Drehzahl wird hauptsächlich von der Leistung der WKA beeinflußt, als Beispiel währen die ENERCON E40 mit 40m Durchmesser und einer Leistung von 600kW oder die SÜDWIND S70 mit 70m und 1,5MW zu nennen. Die zur Zeit größten serienmäßig gefertigten Anlagen arbeiten mit Rotordurchmessern bis zu 80m und erreichen Leistungen von 2,5MW.
Die Anpassung an den Wind erfolgt über ein elektronisch geregeltes Pitchsystem, das die Blätter durch drehen um ihre Achse im richtigen Winkel in den Wind gestellt werden, hiermit wird ein bestmöglicher Energieertrag bei geringer Geräuschemission erreicht.
Eine andere Möglichkeit der Drehzahlregulierung ist die Stallregelung, hier sind die Rotorblätter starr an der Rotornabe montiert. Das Rotorblattprofil ist jedoch so ausgelegt, das es ab einer gewissen Windgeschwindigkeit einen Strömungsabriss und somit eine Verwirbelung der Luft gibt. Dies führt dazu, dass die Rotordrehzahl sinkt. Der Nachteil der Stallregelung ist, dass sie nicht dynamisch ist und deshalb die Rotorblätter der Anlage nur bei einer bestimmten Windgeschwindigkeit optimal arbeiten.
Der Aufbau der Rotorblätter besteht überwiegend aus Glasfaserkunstoffen mit einem integrierten Blitzableitersystem aus Aluminium. Die so gefertigten Rotore erreichen eine durchschnittliche Lebensdauer von etwa 20 Jahren.
Die Rotorblätter laufen an der Nabe zusammen, dieses Bindeglied enthält die Blattverstellantriebe mitsamt der Steuerung und überträgt die Kraft auf den Antriebsstrang.
3.2 Getriebe
Um die bei modernen Generatoren übliche Drehzahl von 1000 – 3000 Umdrehungen pro Minute zu erreichen muß die Drehzahl des Rotors (1050 U/min) über das Getriebe umgewandelt werden. Diese bestehen üblicherweise aus einem kombinierten Planeten / Stirnradgetriebe und gehören mit bis zu 18t zu den schwersten Teilen einer WKA.
Entsprechend dieser Gewichtsbelastung wurden mittlerweile Generatoren entwickelt die bei der niedrigen Drehzahl des Rotors schon ihre volle Leistung abgeben um getriebelose Anlagen herzustellen.
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3.3 Generator
Der Generator ist einer der wichtigsten Bestandteile zur modernen Energieerzeugung. Ohne ihn kann die aufgefangene Windkraft nicht in elektrische Energie umgewandelt werden. Durch die natürliche Kraft des Windes drehen sich die Rohtorblätter des Windkraftwerkes, die an einer Welle befestigt sind. Diese Welle überträgt die Kraft ins inneren des Windkraftwerkes, wo der Generator die natürliche Kraft, in die für uns wichtigste Energie, die Elektrizität, umwandelt.
Das Prinzip eines Generators ist ganz einfach: Wird eine Leiterschleife in einem Magnetfeld so bewegt, daß sich der magnetische Fluß in der Schleife ändert, wird während der Bewegung eine Spannung erzeugt. Dies nennt man Induktion. Ein Magnetfeld und eine Bewegung erzeugen eine Spannung im Leiter. Die Richtung der induzierten Spannung hängt auch von der Richtung des Magnetfeldes ab. Die Höhe der induzierten Spannung nimmt mit der Geschwindigkeit des Leiters zu.
Dies hat auch der deutsche Physiker Heinrich F.E. Lenz Mitte des 1900 Jahrhunderts in der Lenzschen Regel beschrieben.
Generatoren gibt es asynchroner und synchroner Bauweise, der Aufbau besteht jeweils aus einem Stator sowie aus einem Anker der seinen Sitz auf einer drehbaren Welle hat. Das Magnetfeld wird beim Synchrongenerator durch anlegen eines Gleichstromes auf die Schleifringe des Läufers erregt, beim Asynchrongenerator wird das Magnetfeld über eine im Läufer befindliche Wicklung erzeugt die kurzgeschlossen wird.
Die beiden schon eben als Beispiel dienenden Anlage Enercon E40 und die S70 von Südwind arbeiten unterschiedlich, während die S70 mit einem Getriebe und Asynchrongenerator arbeitet kommt die E40 ohne Getriebe aus, ihr Synchrongenerator erreicht schon bei 38 U/min seine Nennleistung von 600kW bei einem Wirkungsgrad von 94%.
3.4 Netzanbindung
Um die durch die WKA gewonnene Energie sinnvoll nutzen zu können muß die in das Stromnetz eingespeist werden, um die notwendige Spannung und Frequenz zu erreichen gibt es zum einen die Möglichkeit der direkten Netzkopplung, hierbei ist der Generator direkt über einen Transformator mit dem Stromnetz verbunden womit eine nahezu konstante Drehzahl
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benötigt wird. Durch diese Ankopplung entstehen hohe dynamische Belastungen in der Antriebswelle der Anlage. Mit der indirekten Netzkopplung wird dieser Nachteil umgangen, der Erzeugte Wechselstrom wird zunächst in Gleichstrom und anschließend wieder in Wechselstrom mit der notwendigen Spannung und Frequenz gewandelt, was den Betrieb der WKA mit variablen Drehzahlen ermöglicht.
3.5 Sicherheit
Um die mittlere Lebensdauer von 20 Jahren zu erreichen sind in der Windkraftanlage etliche Sicherheitssysteme untergebracht um einen sicheren Betrieb gewährleisten zu können.
3.5.1 Bremssystem
Im Falle einer Störung des Systems, etwa ein überhitzter Generator oder der Abkopplung der Anlage vom Netz, muß die Drehbewegung des Rotors gebremst werden können, hierzu schreibt das Gesetz zwei voneinander unabhängige Bremssysteme vor. Das Hauptbremssystem wird über die schon angesprochene Blattverstellung realisiert, die
Blätter werden längst in den Wind gestellt was schon nach wenigen Umdrehungen zu einem Stop des Rotors führt ohne die Anlage stark zu belasten.
Als zweites Bremssystem für den Notfall oder auch als Feststellbremse für die Wartung, dient eine Scheibenbremsanlage
3.5.2 Blitzschutz
Als zumeist höchster Punkt in der Landschaft ist ein Blitzschutz für die Windkraftanlage unabdingbar, über den in den Blättern eingebauten Blitzschutz wird ein Blitz über einen Blitzableiter über die Gondel in das Fundament abgeleitet. Elektronische Bauteile sind in Metallgehäusen untergebracht und damit durch das Prinzip des Faradayschen Käfigs gegen durch Blitzeinschlag entstehende elektrische Felder geschützt.
3.5.3 Eisansatz
Der Eiseinsatz an Windkraftanlagen ist nicht größer als bei Funk und Fersetürmen oder Hochspannungsmasten. Aufgrund der Klimatischen Bedingungen in NRW ist starker Eisansatz die Ausnahme. Wenn Eisansatz vorhanden, sorgt eine Vibrationssensorik wegen der Unwuchtung in der Regel für eine Abschaltung der Anlage.
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3.5.4 Computerüberwachung
Eine Computeranlage überwacht mit verschiedenen Sensoren alle sicherheitsbezogenen Funktionen, dazu gehören unter anderem Temperatur von Generator und Getriebe, Windgeschwindigkeit, Öl und Hydraulikdruck, Drehzahl, Leistung, usw. Bei Fehlern oder Betriebswerten außer der Toleranz werden Warnungen ausgegeben oder die Anlage schaltet ab.
4. Nutzung
Zur Nutzung durch Windanlagen muß die horizontale Windgeschwindigkeit gemessen werden. International wird standardmäßig in 33 Fuß Höhe über Grund gemessen. Für Windrotoren sollte man aber direkt in der geplanten Nabenhöhe messen, da die örtliche Windgeschwindigkeit mit der Höhe zunimmt.
Für einen bestimmten Standort sind neben den aktuellen Winddaten auch die Windhäufigkeiten interessant, wobei die hohen Windgeschwindigkeiten ebenso wie die Windflauten wichtig sind. Gemessen werden sollte außerdem möglichst über ein ganzes Jahr um besonders in unseren Breiten den jahreszeitlichen Einfluß mitzuerfassen. Im Herbst und im Frühjahr kommen bei uns Stürme häufig vor. Für die Standortbeurteilung ist aber auch die topographische und die Oberflächen Struktur der Landschaft von Interesse. Wie ist das Gelände modelliert, wie sind die Berge und die Täler angeordnet, wo existieren Hangkanten oder Strömungs Verwirbelungselemente. Welche natürlichen (z.B. Waldkanten, Buschreihen) und welche künstlichen Hindernisse (z.B. Einzelbauwerke, Siedlungsränder) liegen wo und wie weit vom geplanten Aufstellungsort entfernt. Dies zu wissen ist wichtig für eine Aussage zur Energieausbeute aber auch für eventuelle Lärmbelästigungen der Mitmenschen.
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5. Betrieb und Wartung
5.1 Anpassung an Windstärken
Das Leistungsvermögen einer Windkraftanlage hängt von der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit ab. In der Praxis sind anlagenspezifischen Leistungskennlinien verfügbar. Diese geben an, bei welcher Windgeschwindigkeit eine bestimmte Leistung erzeugt wird. Die Leistungsabgabe einer Windenergieanlage beginnt oberhalb der so genannten Anlaufwindgeschwindigkeit (bei 1,5 MWWEA ca. 3,5 m/s in Nabenhöhe). Bis zum Erreichen der Nennwindgeschwindigkeit (ca. 11 15 m/s in Nabenhöhe) nimmt die abgegebene Leistung zu. Aus Sicherheitsgründen schalten WEA bei Sturmwindgeschwindigkeiten automatisch ab.
Die Leistungsbegrenzung bei höheren Windgeschwindigkeiten erfolgt entweder per Pitch, Stall oder der sog. aktiven Stall Regelung. Während die Leistungsaufnahme bei der PitchRegelung über eine variable Verstellung des Rotorblattwinkels erfolgt, ist das Rotorblatt bei der Stallregelung starr mit der Drehachse verbunden. Die Leistungsbegrenzung erfolgt konstruktionsbedingt bei einer bestimmten Windgeschwindigkeit per Strömungsabriss. Die aktive Stallregelung kommt vor allem bei WKA von Leistungsklassen ab 1 MW zum Einsatz. Wie bei der PitchRegelung kann auch hier der Rotorblattwinkel verstellt werden. Im Unterschied dazu wird der Anstellwinkel der Rotorblätter bei Nennwindgeschwindigkeit jedoch erhöht, um den Strömungsabriss zu erzeugen. Im Unterschied zur StallRegelung bietet die aktive Ausführung die Möglichkeit zur genaueren und kontrollierten Leistungsabgabe.
5.2 Wartungs und Durchschnittsregelung
Es gibt vorbereitete Formulare für Wartungen und Instandsetzungen der Anlagen. Sie geben dem Betreiber Ausschluß über Ausfallzeiträume und ggf. beschädigte Komponenten und – soweit möglich – Ursache und offensichtliche Auswirkungen auf die Anlage und deren Betriebe an. Bis heute gingen dem Institut für Solare Energieversorgungstechnik (ISET) über 50.000 Wartungs und Instandsetzungsberichte zu. Nach zehn Betriebsjahren erlicht die Verpflichtung der Betreiber zur Berichterstattung. Einige Betreiber berichteten weit darüber hinaus, so daß für einige Anlagen weit über zwölf Betriebsjahren vorliegen. Im Durchschnitt haben die bis Ende 2002 im Programm verbliebenen Anlagen knapp 9 Betriebsjahre absolviert.
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5.3 Wiederkehrende Prüfungen
Um Allgemeine und Vogelschäden weitgehend zu vermeiden, werden vom den Herstellern Wartungspflichthefte erstellt, die die Überprüfungen und den Austausch von Verschleißteilen und vor allen Dingen gefährdeten Bauelemente in regelmäßigen Intervallen zu Prüfen. Es gehören in der Regel folgende Überprüfungen:
Bremsfunktion und Verschleiß der Bremsanlage Vorspannung von Verschraubungen Schmierung von offenen Verzahnungen Getriebeölestand und –verschleiß Wechseln von Filtern Kontrolle des Korrosionsschutzes Visuelle Kontrolle der Maschine
Die Wartungsmaßnahmen werden meistens von Service Teams vom Hersteller oder auch von anderen Wartungsfirmen übernommen. Konstruktionsbedingt müssen einige Kontrollen häufiger durchgeführt werden als andere. Es sind daher auch andere Intervalle vorgesehen. In regelmäßigen abständen werden beispielsweise, halbjährlichen, kleinere oder anbahnende Schäden frühzeitig erkennt und behoben. Regelmäßigen Überprüfungen müssen auch von einem Sachverständigen durchgeführt werden, die eine unabhängige Überprüfung ergeben. Um frühzeitig sicherheitsrelevante Schäden aufzudecken. Von Zeit zu Zeit Treten Schäden und Störmeldungen auf, die mit Hilfe einer Überfachungsfunktion gemeldet werden. Sie werden z.B.: per Fax, an den technischen Betriebsführer gemeldet. Die wiederum an Service Teams weitergeleitet werden, um Schäden und Stillstandzeiten zu Minimieren.
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6. Rentabilität
Windstrom wird seither mit etwa neun Cent pro Kilowattstunde vergütet. An besonders windreichen Standorten gibt es nach den ersten fünf Betriebsjahren einer Anlage mit sechs Cent etwas weniger. So gefördert, lässt sich mit der Stromproduktion aus Wind in Deutschland Geld verdienen. Zehn Prozent Rendite sind für die Betreiber der Windräder keine Ausnahme. Spezielle Fonds, die in Windparks investieren, gelten als lukrative Geldanlage.
Probleme bestehen noch bei den OffshoreAnlagen, die technischen Schwierigkeiten sind enorm, noch weiß niemand, ob sie überhaupt bewältigt werden können – zumindest so, dass die Anlagen am Ende rentabel laufen. Große Fundamente müssen in bis zu 30 Meter Wassertiefe im Meeresgrund verankert werden, damit die Anlagen Stürme und große Wellen überstehen. Getriebe und Elektronik müssen vor dem aggressiven Salzwasser geschützt werden. Für den Anschluss an das Stromnetz an Land werden kilometerlange Seekabel benötigt. Wartungsmannschaften brauchen schwimmende Plattformen, um auf See übernachten zu können. Solche Anforderungen treiben die Kosten in die Höhe. Darum setzen die Planer auf Größe. Für den Offshore Einsatz halten Experten nur noch Maschinen mit mindestens vier bis fünf Megawatt Leistung für rentabel, wenn sie zu Hunderten aufgestellt werden. Da der Preis von Windkraftanlagen heute bei rund einer Million Euro pro Megawatt liegt, ist solch ein großer Offshore Windpark eine Milliardeninvestition, deren Finanzierung eine neue Herausforderung darstellt. Doch es gibt viele Optimisten und Visionäre, die das alles für machbar halten.
Der ungefähre Preis einer Offshore Windenergieanlage wird mit 1100€/KW angenommen. Der Preis liegt ca. 150200€/KW über den Onshore Anlagen. Der höhere Preis wird durch den größeren Material und Installationsaufwand begründet. Da die Anlagen an Wellengang und Bodenbeschaffenheit angepasst werden müssen, sind genaue Kostenangaben hier unmöglich.
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6.1 Ausfallzeiten
6.1.1 Störungsstatistik
Die protokollierten Stillzeiten der Windanlagen, sind teils durch Wartungsarbeiten, teils durch nicht vorhersehbare Störfälle verursacht. Mit der folgenden Darstellung werden die unplanmäßigen Störfälle angezeigt! Die Mechanischen Komponenten und der Generator
fallen nicht so auf, wie die elektrischen Bauelemente, Hydraulik und Sensorik.
Die Häufigkeit der Ausfälle von den einzelnen Bauelementen ist aber zu vernachlässigen, eher sind die Ausfallzeiten der einzelnen Komponenten zu erwähnen. Die Ausfallzeiten sind abhängig von dem notwendigen Reparaturaufwand, der Verfügbarkeit der Ersatzteile und von der Personalkapazität. Vor allem die Instandsetzung der Gondel, des Generators, der Triebstange, der Nabe, des Getriebesund und der Blätter sind oft mit längeren Ausfallzeiten zu rechnen.
Durchschnittliche Ausfallzeit je Schadensfall:
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Mittlere Ausfallzeit pro Jahr in Tagen:
6.1.2 Schadenshäufigkeit im Anlagenalter
Die meisten Windenergieanlagen sind von den Konstrukteuren für 20 jährigen Betrieb ausgelegt. Bis heute sind noch keine eindeutigen Fakten über die Lebenserwartung bekannt. Eine nachlassende Zuverlässigkeit mit zunehmendem Alter gibt aber schon heute Hinweise auf gravierende Abweichungen.
In der Abbildung wird deutlich, dass mit zunehmendem Alter die Schadenshäufigkeit abnimmt. Dies gilt für alle drei Leistungsklassen, wobei die größeren Anlagen häufiger repariert werden müssen, als die kleineren Anlagen. Es ist zu beachten, dass sich die Zusammensetzung der betrachteten Anlagen von Jahr zu Jahr ändert. Alle Anlagen haben das erste Betriebsjahr absolviert, während über viel weniger Anlagen bereits Erfahrungen aus späteren Betriebsjahren vorliegen. Das bedeutet, dass sich die heute ergebenden Schadenshäufigkeiten für WKA noch mit den zu ermittelnden Daten weiterer Anlagen verringern lassen könnten.
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7. Einfluss auf die Umwelt
Die Aufstellung von vielen Windanlagen in Windfarmen (z.B. die deutsche Windfarm Utgast II mit 35 Anlagen des Typs Tacke 600 kW) wird heute vom Natur und Umweltschutz kritisch begleitet und oft abgelehnt. Eine "optische Landschaftsverschmutzung" wird neben einer Beeinträchtigung der Pflanzen und Tierwelt vorgebracht. Dies kann aber auch anders gesehen werden wie das Fremdenverkehrsprospekt für das Mittelgebirge der Eifel zeigt wo schon kleinere Windfarmen errichtet worden sind. Zitat: . . . Ein großes Pumpspeicherwerk und Europas größte BinnenWindkraftanlage versorgen mit "sauberer" Energie. In einer Region, in der die behutsame Erhaltung der Landschaft einhergeht mit der Nutzung der natürlichen Energiequellen Wind und Wasser, weiß man, wie der "Akku" wieder aufgeladen wird. Ein leckeres Eifelessen, eine zünftige Schnapsprobe oder Urlaub auf dem Bauernhof . . . .
7.1 Einflüsse
7.1.1 Schallemissionen
Zur Planungsphase eines Windkraftwerks ist die Schallemission ein sehr wesentlicher Faktor. Es gibt in der technischen Anleitung genaue angaben zum Lärm (TALärm) die in Wohn Misch und Gewerbegebieten nicht überschreiten dürfen. Die Vorgeschriebenen Grenzwerte müssen in vorm eines Gutachten vorgeleckt werden, um eine Baugenehmigung zubekommen. In reinen Wohngebieten liegt der Grenzwert bei 35db(A), in allgemeinen Wohngebieten bei 40db(A), bei Misch und Gewerbegebieten von 45db(A). Die Planungs Vorgaben sind strikter als bei Verkehrsplanungen, der bei 54db(A) liegt.
Werden die Grenzwerte überschritten, kommt eine Abschaltung in Betracht.
In machen fällen ist es heute auch möglich in Betriebgenomen Anlagen deren Schallemission zu hoch ist, über die Drehzahl zu reduzieren. Die heutigen Leistungsstarken Turbinen sind so gut gedämmt und laufen auch langsamer als die alten Modelle, womit das Problem der Lärmemissionen weitgehend ihre Bedeutung verloren hat. Trotz allen werden die Geräusche der Windturbinen auch von Umgebungsgeräusche überlagert. Und zwar von rauchende Bäume, sowie Straßen und sonstige Alltagsgeräusche.
7.1.2 Schattenwurf
Der Schattenwurf ist die Bezeichnung des sich bewegenden Schlagschattens, der bei Sonnenschein von den Rotorblättern ausgeht. Der Schattenwurf ist abhängig von Bewölkung, Windrichtung, Sonnenstand, sowie dem Betrieb der Anlage. Nach eingehenden Untersuchungen wurde festgestellt, dass der Schattenwurf 20% des theoretisch möglichen absoluten Schattenwurfs von maximal 30 Stunden im Jahr beträgt. Bei Grenzfällen ist im Baugenehmigungsverfahren mit einem Gutachten nachzuweisen, dass keine unzulässigen
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Schattenemissionen auftreten. Dieses ‚WorstCase’ –Szenario wird in der Regel aber nicht erreicht. In NRW liegt die maximale Einwirkdauer bei 7,5 Stunden/Jahr. Dies kann mit Hilfe einer Abschaltautomatik weitgehend begrenzt werden. An sonnigen Tagen kann es auftreten, dass die Rotorblätter der Anlage die Sonnenstrahlen zurück werfen, der so genante “Diskoeffekt“. Er ist aber nur zufällig und kurzfristig Wahrnehmbar. Mit Matten Farben an den Rohtorblättern kann dieser Effekt vermieden werden.
Im Vergleich zu Windturbinen ist der von Bäumen und Laternen am Wegrand ausgehende Schattenwurf und von Auto oder Zugfahrt wesentlich intensiver.
7.1.3 Verhaltenseinfluss auf Tiere
Das Verhalten von Vögeln und Wildtieren ist unterschiedlich: Einige Vogelarten bauen teilweise ihre Nester im Schutz der Generatorgehäusen, andere wiederum meiden diese Umgebung. Wissenschaftliche Studien belegen, dass der so genannte ´Vogelschlag´ an den Windkraftwerken keine Rolle spielt. Eine Umfrage unter niedersächsischen Jägern ergab, dass Windanlagen sich nicht negativ auf die Vogel und Wildtiere auswirken. Untersuchungen ergaben, dass Anfänglich Verdrängungseffekte auftreten, doch mit der Zeit gewöhnten sich Vögel und Wildtiere an das Ungewohnte in der Umgebung. Durch eine sorgsame Standortplanung lassen sich Auswirkungen von Windturbinen auf den Lebensraum der Tiere vermeiden, oder wenigstens minimieren. In Natur und Vogelschutzgebieten findet kein Ausbau der Windanlagen statt.
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7.1.4 Landschaftsbild und Tourismus
Das Landschaftsbild ist keine objektiv messbare Größe. Sie orientiert sich am subjektiven Empfinden und unterliegt dem gesellschaftlichen Wandel. So werden z.B. die etwa 200.000 Strommasten auf dem Bundesgebiet allgemein akzeptiert, während die bislang etwa 10.000 Windkraftanlagen vielfach als störend empfunden werden. Andererseits führt die Nutzung fossiler Energieträger wie Braun und Steinkohle in NRW zu großflächiger Landschaftszerstörung, ohne dass sich außerhalb der betroffenen Regionen dagegen Widerstand rührt. Der NRW Windkrafterlass schreibt vor, dass Windenergieanlagen so zu planen und zu errichten sind, dass vermeidbare Beeinträchtigungen des Landschaftsbildes unterbleiben. Windkraftanlagen sind Zeichen für eine zukunftsfähige Politik und eine ökologisch orientierte Wirtschaftsentwicklung. Dieses positive Image lässt sich auf Windkraftregionen übertragen und für den Tourismus nutzen. Ein negativer Einfluss auf den Tourismus kann bis heute nicht belegt werden – im Gegenteil.
7.2 Klima und Unweltschutz
Der Klimaschutz ist einer der größten Antriebe auf alternative Energie umzusteigen, seit 1999 wurde die CO²Emesionen durch die Windenergie um 3% geringer, im Jahr 2005 schon über 5% und langfristig sollen es über 50% werden. Moderne Windkraftanlagen erzeugen schon nach sechs bis sieben Monaten soviel CO2freie Energie wie zu ihrer Herstellung aufgewendet worden ist.
Das Wuppertaler Institut für Klima, Umwelt und Energie hat das technisch erreichbare bis zum Jahre 2020 auf 20.000 MW Windenergie geschätzt. Knapp 10.000 MW Leistung aus Braunkohle stehen in NRW zu Verfügung. Dort werden zirka 90 Millionen Tonnen des am klimaschädlichsten aller Energieträger pro Jahr verströmt, dass bei einem Wirkungsgrad von ca. 35%. Unser Bundesland ist im nationalen Vergleich ist NRW Klimakiller Nr. 1!
Mit jeder durch Windparks erzeugten Energie, sparen wir fossile Rohstoffe. Mit einem Braunkohlekraftwerk das 6 Megawatt Leistung im Jahr erzeugt werden 10 Mio. kg Kohlendioxid, 67 450 kg Schwefeldioxid, 26 600 kg Stickoxid, 8 550 kg Kohlenmonoxid und 1 710 kg Staub erzeugt, bei einem Atomkraftwerk fallen im Jahr 29 kg Atommüll an.
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In NRW gibt es Grundregeln für den Bau von Windanlagen deswegen sind Mindestabstände durch das Bundesamt für Naturschutz (BfN) festgelegt:
7.2.1 Sicherheitsabstände in NordrheinWestfalen (Stand 3.Mai 2002)
Tabu Flächen Mindestabstand
Naturschutzgebieten, Naturdenkmal, Geschützter Landschaftsbestandteil, Nationalparks
200 bzw. 500m
Biotope §62 LG 200 bzw. 500m
Internationale bedeutsame Feuchtgebiete nach RAMSAR Konvention und Gebiete nach Vogelschutz RL
200 bzw. 500m
FFH Gebiete 200 bzw. 500m
Avifaunistisch bedeutsame Rast, Nahrungs und Brutplätze
200 bzw. 500m
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8. Verteilung der Windenergienutzung Weltweit
Die Entwicklung der Windenergie in Deutschland
In Deutschland wurden schon vor einigen Jahren rund 4,7 Prozent des Jahresstrombedarfs durch Windkraft gedeckt. Insgesamt waren im Frühjahr 2003 über 14 000 Windkraftanlagen mit einer Gesamtleistung von 12 000 Megawatt in der Bundesrepublik in Betrieb. Weitere Windparks gibt es beispielsweise in Dänemark, Spanien und den Beneluxländern. In den USA befindet sich in Kalifornien ebenfalls ein großer Park (Gesamtleistung über 1,5 Gigawatt).
Inzwischen stehen in Deutschland 17.574 Windenergieanlagen mit einer installierten Leistung von 18.428 Megawatt. Damit hat die Windenergie einen potenziellen Anteil von 6,7 Prozent am Nettostromverbrauch in Deutschland.
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9. Entwicklung
Die Zukunft der Windenergie Weltweit wird heute intensiv an Technologien zur Gewinnung von Energie aus dem Wind gearbeitet und so ist in der näheren Zukunft mit vielen kleineren und größeren Verbesserungen eben dieser zu rechnen. So wird zum Beispiel versucht, den Nachteil der Schallemissionen stark zu verringern.
Ein riesiges Potenzial an Wind wird heute noch nicht ausgenutzt. Es sind dies die Winde über den Meeren, die etwa doppelt so schnell sind, wie die auf dem Festland und dadurch eine hervorragende Energiequelle bilden würden.
Offshore
Offshore = auf offener See
Die Zukunft der Windenergie liegt ganz klar „Offshore“! Aufgrund der erheblich stärkeren Winde auf See können bis zu 40 Prozent mehr Energie gewonnen werden als bei vergleichbaren Anlagen an der Küste.
Die Bundesregierung will den Windkraftanteil am Stromverbrauch bis 2025 auf mindestens 25 % steigern.
Um die Abhängigkeit von Energieimporten zu verringern, strebt die Bundesregierung einen massiven Ausbau der Windenergie an. Durch den Bau von OffshoreWindparks in Nord und Ostsee soll der Anteil der Windenergie in den nächsten 30 Jahren um mindestens ein Viertel wachsen.
Nach Worten vom ehemaligen Bundesumweltminister Jürgen Trittin ist der Bau von Offshore Windparks der Schlüssel für die weitere Entwicklung der Windenergiebranche. „Bereits heute können wir feststellen, dass es uns gelungen ist, einen neuen, gesunden Industriezweig zu entwickeln, der schon heute 35.000 Arbeitsplätze bietet und jährlich weiter wächst. Längerfristig soll die Windbranche ein selbsttragender Markt werden, was übrigens der Atomkraft bis heute nicht gelungen ist“, so Trittin.
Die Bundesregierung sieht in ihrer Strategie, dass nach heutiger Sicht verfügbarer Flächen in der Nord und Ostsee schon bis 2010 ca. 2.000 bis 3.000 MW erreichbar sein könnten. Auf längerer Sicht bis 2030 könnten rund 20.000 bis 25.000 Megawatt möglich sein. Dieses entspräche 15 Prozent des Stromverbrauches der Bundesrepublik Deutschlands. Mir Onshore Windanlagen sogar bis zu ca.25 Prozent.
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Die Bundesregierung wird im Zuge der weiteren Umsetzung „besondere Eignungsgebiete“ für Windkraftparks ausweisen, in denen der Regel keine Bedenken der Sicherung der Meeresumwelt, der Sicherheit des Schiffsverkehrs und der Benutzung des Luftraumes besteht, so Trittin.
In der Koalitionsvereinbarung ist die Rede von einem CO2 Minderungsziel von 40 Prozent unter Voraussetzung einer engagierten europäischen Klimapolitik.
Um die auf internationalen Konferenzen vereinbarten Klimaschutzziele zu erreichen, muss Windenergie dringend ausgebaut werden. Die Nutzung der Windkraft erspart Deutschland schon jetzt rund ca. 10 Millionen Tonnen CO2Emissionen pro Jahr. Bereits im Jahr 2005 könnten es 12,71 Millionen Tonnen jährlich weniger sein
Zur Nutzung von Windenergie gibt es nach Ansicht von Mecklenburg Vorpommerns Umweltminister Wolfgang Methling (Linkspartei.PDS) keine Alternative. In dem Bundesland liege der Anteil der erneuerbaren Energien bei der Stromerzeugung bei 31 Prozent, davon stammten 85 Prozent aus der Windenergie. "Sie hat positive ökologische, ökonomische und soziale Effekte". Zudem werde der Umweltschutz gestärkt und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringert.
Eine Einschätzung, die vom Bundesverband Windenergie geteilt wird. Durch Bau und Betrieb der OffshoreAnlagen würden tausende Arbeitsplätze geschaffen, sagt deren Sprecher Matthias Hochstätter. Für ihn wird es Zeit, dass Deutschland bei der OffshoreEnergie in großen Schritten vorangeht, "im internationalen Vergleich sind wir noch hintendran", sagt er mit Verweis auf Dänemark oder Großbritannien. In diesen Ländern seien auch die Vergütungen für Windstrom höher. Während es in Deutschland 9,1 Cent pro Kilowattstunde sind, seien es dort rund 12 Cent. In Kürze stünden Gespräche über die Einspeisevergütung an.
Weit weniger Euphorie ob der OffshoreProjekte zeigt der Bürgermeister der Fischland Gemeinde Prerow, HansJoachim Schumann. Er ist Sprecher von "Don Quichote", einer Bürgerinitiative gegen "Baltic I". Schumann wartet derzeit auf ein Urteil des Verwaltungsgerichts Greifswald zum Genehmigungsverfahren. Er zweifelt am Sinn des Projekts, zu viele Fragen wie Schiffssicherheit in der nahen Schifffahrtsstraße Kadetrinne oder der Einfluss auf Vogelzug und Tourismus seien unbeantwortet.
Konzeptzeichnung einer Schwimmenden Offshore Anlage
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Beispiele
Haushalte in Schwerte betreiben gemeinsam eine WKA
Wir sind 56 Bürger aus Schwerte und Umgebung die alle Ihren Strom abgasfrei und somit umweltfreundlich erzeugen wollten. Um gemeinsam diese Windkraftanlage (WKA) zu errichten haben wir die Windkraft Schwerte GbR gegründet. Seit September 1995 erzeugt wir nun hier unseren Strom. Durch diese gemeinsame Aktion wollen wir außerdem zeigen, daß jeder einzelne etwas tun kann um die Umwelt zu schützen. Die Gesellschafter haben für die Errichtung dieser WKA Ihr Geld zusammengelegt. Mit den Fördermitteln des Landes NRW und der Elektromark hatten wir das Kapital (500.000 , DM) um diese WKA zu errichten.
Windkraft Schwerte Technik
Die WKA ist eine Nordex N27. Sie hat eine Leistung von 150 kW, der Turm ist 40m hoch und der Rotor hat einen Durchmesser von 27m. Sie läuft an bei 3 m/sec Windgeschwindigkeit und erreicht bei 11 m/sec ihre Nennleistung von 150 kW. Im Jahr produziert diese Anlage im Durchschnitt 200.000 kWh, d.h. sie erzeugt soviel Strom wie 80 Haushalte im gleichen Zeitraum verbrauchen. Diese Anlage ist speziell für das Binnenland gebaut. Sie hat zwei Asynchrongeneratoren. Einen kleinen Generator mit 30 kW um auch schwache Winde zu nutzen und für den stärkeren Wind einen Generator mit 150 kW Nennleistung. Die Anlage wird völlig automatisch betrieben. Im Falle einer Störung wird die Anlage automatisch gestoppt und ein Anruf zur Wartungsfirma wird abgesetzt. Über ein Modem meldet die WKA die Fehlerursache und wenn möglich erfolgt eine Fehlerbehebung per Datenfernübertragung. Sollte dies nicht funktionieren wird ein Monteur zur WKA geordert.
Erzeugte Energie
Hier sehen Sie die aktualisierten Werte der erzeugten Energie in Tausend Kilowattstunden der Windkraftanlage in Schwerte. Die Windkraftanlage ist seit Sep. 1995 in Betrieb.
1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 8/2006 181 229 205 208 174 190 145 175 161 91
Offshore Anlage Breitling
Ruhig dreht sich der Rotor des ersten deutschen OffshoreWindrads im Breitling, einem Gebiet vor dem Rostocker Seehafen. Nach Angaben des Erbauers Nordex AG hat die Anlage seit Anfang April 1,7 Millionen Kilowattstunden (KWh) Strom erzeugt. "Der Bau des Windrads war wichtig, um Erfahrungen für die geplanten Anlagen draußen in der offenen Ostsee zu gewinnen", sagt Nordex Sprecher Ralf Peters.
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Das Windrad versorgt rund 1800 Haushalte mit Strom. Wenig im Vergleich zu den geplanten Windparks "Baltic I" und "Kriegers Flak". "Wenn beide am Netz sind, wird Mecklenburg Vorpommern 50 Prozent seines Energiebedarfs aus Windenergie decken", sagt Andree Iffländer von der Planungsfirma Offshore Ostsee Wind AG in Börgerende im Kreis Bad Doberan. Der Nordosten könnte damit Deutschlands Offshore Windkraftland Nummer eins werden.
Baltic I Die Planungen für die Pilotanlage "Baltic I" 16 Kilometer vor der Halbinsel FischlandDarß Zingst mit 21 Anlagen und einer Leistung von 54 Megawatt sind weit vorangeschritten, sagt Iffländer. "Die ersten Bauarbeiten können 2007 anfangen. Wenn alles gut läuft, dreht sich das erste Windrad im Jahr darauf." Er geht davon aus, dass die notwendigen Genehmigungen für die Kabeltrasse noch in diesem Sommer vorliegen, nachdem die erste Teilgenehmigung bereits ergangen ist. Das rund 100 Millionen Euro teure Projekt soll 57 000 Haushalte mit Strom versorgen.
Kriegers Flak Rügen Sehr viel komplexer und mit 700 Millionen Euro wesentlich kostspieliger wird der vier Mal größere Windpark "Kriegers Flak" vor Rügen. Zum Zeitpunkt seiner Inbetriebnahme kann Iffländer jedoch noch keine Prognosen abgeben. Er soll mehr als 220 000 Haushalte mit Strom beliefern, die Bedingungen sind wegen der größeren Entfernung zum Festland, Wassertiefe und Bodenverhältnissen ungleich schwieriger als vor Zingst. Gernot Blanke, Vorstand des Finanzdienstleisters WPD in Bremen, zeigt sich jedoch optimistisch, dass die Finanzierung der Projekte gelingen wird. 65 bis 70 Prozent komme aus Bankdarlehen, der Rest sei Eigenkapital.
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Zusammenfassung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in der Nutzung der Windenergie eine Menge Potential liegt, welches aber zum heutigen Stand der Technik noch nicht voll Ausgeschöpft werden kann. Das Bestreben liegt vor allem darin, die Anlagen für die Umwelt weniger störend erscheinen zu lassen, das Bestreben geht klar dahin die Schallemissionen zu verringern, oder die Anlagen Offshore, also weitab von bewohntem Gebiet, zu betreiben. Im Verlauf unserer Recherchen haben wir die positiven Aspekte der Windkraftnutzung schätzen gelernt und halten diese für eine positive Ergänzung der Grundenergien. Kosten / Nutzen Vergleiche vergangener Jahre zeigen eine stetige positive Verbesserung der Rentabilität von Windkraftanlagen und durch Schallreduzierung und Vorschriften über einzuhaltende Mindestabstände lässt sich der negative Einfluss auf die Umwelt auch reduzieren. Manche Menschen empfinden die Windkraftanlagen als störend – aber wie war das mit den vielen Strommasten die unsere Städte versorgen? Wurden diese nicht auch einmal als störend empfunden? Heute werden diese als ganz normal angesehen. Weitere negative Punkte wie Schattenwurf und Vogelschlag fallen nicht so schwer ins Gewicht wie oft von Windkraftgegnern behauptet wird, was durch Studien bewiesen wurde.
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Anhang
Literaturverzeichnis
Internet http://www.schulebw.de http://www.windenergie.de http://www.heise.de/tp/r4/artikel/13/13862/1.html www.ifb.unistuttgart.de/~doerner/windfragen.html www.wikipedia.org www.bwe.de www.umweltschule.de/energie/rge/windgeschichte.htm www.emsolar.de.tuberlin.de www.biomasseinfo.net www.ifb.unistuttgart.de http://potpourri.fltr.ucl.ac.be http://www.innovationsreport.de/html/berichte/energie_elektrotechnik/bericht
7383.html http://www.wupperinst.org/download/renewables/rollewindenergie.pdf http://www.windenergie.de/de/schuleausbildung/
Sonstige Quellen
Fachkundebuch Elektrotechnik Europa Verlag Microsoft Encarta 2005
