Universität Duisburg-Essen, Campus Essen03.02.2005 Fakultät IW, Abteilung Technik, Fachbereich TUD Energieumsatz I – Systeme des Energieumsatzes Seminar

Universität Duisburg-Essen, Campus Essen 03.02.2005Fakultät IW, Abteilung Technik, Fachbereich TUDEnergieumsatz I – Systeme des EnergieumsatzesSeminar 2005Dozent: Prof. Dr.-Ing. E. Sauer

Thema: Windenergie

Referenten:Stefano Roffia & Kirsten Lübbert

Gliederung

Einordnung der Windenergie Entstehung von Wind/Luftströmung Aufbau und Funktion eines Windrades Windradtypen Entwicklung der erneuerbaren Energien:

Windenergie Standorte für Windkraftanlagen Kosten von Windkraftanlagen Zukunft

Struktur der Energiebereitstellungen aus erneuerbaren Energien

Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Umweltpolitik – Erneuerbare Energien in Zahlen. März 2004, S.12

Windenergie: 18,54 TWh

Entstehung von Wind/Luftströmung

Wie entsteht der Wind?

Die Strömungen der Luft werden als Wind bezeichnet

Wie entstehen Luftströmungen?

Die eigentliche Ursache liegt in der Strahlungsenergie der Sonne

Onshore / Offshore

Beispiel:Eine"Seebrise"ist

entstanden. Mit Beginn der

Nacht kehrt sich der Vorgang

um. Die Landoberfläche

kühlt schneller ab als das

erwärmte Meer; die Luft über

dem Land verdichtet sich

und strömt in Seerichtung:

Ein kühler, ablandiger Wind

weht.

Wenn die Sonne tagsüber auf eine Landoberfläche scheint, wird die Luft dort schneller und

intensiver erwärmt als über einer Wasserfläche. Die Warmluft dehnt sich aus und steigt

wegen der abnehmenden Dichte nach oben. In den freiwerdenden Raum strömt nun von

der Meeresseite kühlere und damit schwerere Luft nach:

Windzonen in Deutschland

Das Gebiet der BundesrepublikDeutschland liegt auf der Nordhalbkugelim Bereich der Westwindzone auf dem

europäischen Kontinent. Das Klima ist im allgemeinen unbeständig; die vorwiegend westlichen Winde sind im Frühjahr und im

Spätherbst stärker als im Jahresmittel. Abhängig von der geografischen Lage

sind die durchschnittliche Windgeschwindigkeit und die

Windhäufigkeit recht unterschiedlich. Optimale Bedingungen für den Betrieb

von Windkraftanlagen bestehen vor allem im Bereich der deutschen Nordseeküste: Hier beträgt die Windgeschwindigkeit ab 10 Meter über Grund an mindestens 50%

der Jahresstunden mehr als fünf Meter pro Sekunde - das bedeutet Windstärke 4

und darüber

Aufbau und Funktion eines Windrades

Funktion einer Rotorgondel

An der Spitze dieses Turms befindet sich der Turmkopf.

Dieser ist um 360° drehbar, und je nach Lage der

Windrichtung lässt sich dieser ausrichten. Bei modernen

Windkraftanlagen geschieht diese Ausrichtung elektronisch,

mittels Mess- und Regelungsanlagen. Besonders bei den

neuen Rotorblättern spielen die aerodynamischen

Gesichtspunkte eine besonderes Rolle.

Aufbau einer Rotorgondel

Internet: www.hamburger-bildungsserver.de (Stand:Dezember 2004)

Prinzip des Auftriebs

Die Form der Rotorblätter ähnelt dem Profil einer

Flugzeugtragfläche, deren Oberseite stärker gewölbt ist als die

untere Seite. Damit Flugzeuge, die „schwerer als Luft“ sind,

aufsteigen und Höhe gewinnen können, muss eine Kraft wirken,

die der Gewichtskraft des Flugzeugs entgegengerichtet und

mindestens ebenso groß ist. Diese Auftriebskraft wird durch die

Tragflächen erzeugt die so gestaltet sind, dass durch die

angeströmte Luft ein Unterdruck auf der oberen Tragflächenseite

entsteht, der das Flugzeug gleichsam nach oben saugt.

Erzeugung des AuftriebsZur Erzeugung von Unterdruck auf der Flügeloberseite ist dasProfil der Flügel gewölbt. Wenn Luft von vorne gegen die Flügelströmt, dann teilt sich der Luftstrom. Die Unterseite des Flügels istkaum gewölbt und deswegen kann die Luft hier relativ ungestörtvorbeiströmen. Auf der stark gewölbten Oberseite wird die Luftverdrängt, muss ausweichen und dadurch einen längeren Wegzurücklegen, was die Geschwindigkeit erhöht. Nach dem Gesetzder Strömungslehre (Bernoulli-Gleichung) führt bei einem Gas dieZunahme der Geschwindigkeit zu einer Verringerung des Drucks.Wegen der höheren Luftgeschwindigkeit auf der Oberseite stelltsich ein kleinerer Druck als auf der Unterseite ein, der Flügel wirdnach oben gehoben. ( Wie funktioniert das? 2003; S 166-167)

Gesetz von Bernoulli

Bernoulli-Gleichung für inkompressible stationäre

reibungsfreie Strömungen:

(c22 / 2) + (p2 / ρ) + g * z2 = (c1

2 / 2) + (p1 / ρ) + g * z1 = konst.

Dimension: Energie pro Masse g * z kann vernachlässigt werden, weil es ziemlich klein ist:

(c22 / 2) + (p2 / ρ) = (c1

2 / 2) + (p1 / ρ) = konst.

mit ρ = Dichte

Erläuterung des Gesetzes von Bernoulli

Bernoulli-Gleichung liefert den Zusammenhang von Druck und Geschwindigkeit:

c1 Geschwindigkeit Unterseite des Flügels

c2 Geschwindigkeit Oberseite des Flügels

p1 statische Druck auf Unterseite

p2 statische Druck auf Oberseite

die Geschwindigkeit (c2) auf der Oberseite ist höher, aufgrund des längeren Weg, deswegen wird auf der Oberseite ein Unterdruck (p2) erzeugt, damit die Bernoulli-Gleichung stimmt

die Geschwindigkeit (c1) auf der Unterseite ist geringer (kürzerer Weg), deswegen wird dort ein höherer Druck (p1) erzeugt

Tragflächenprinzip

Wie funktioniert das? 2003; S. 167

Erläuterung zur AbbildungIn dem Bild gibt es zwei Richtungen in die die Pfeile zeigen:

- waagerechte Pfeile sollen den dynamischen Druck anzeigen

- senkrechte Pfeile stehen für den statischen Druck

Statischer Auftrieb:

Der statische Auftrieb ist der Auftrieb, der der Schwerkraft

entgegen wirkt (Beispiel: Ballons können aufsteigen, weil sie mit

Hilfe eines Traggases, z.B.Helium, gefüllt sind)

Dynamischer Auftrieb:

Dieser Auftrieb entsteht, wenn sich ein Körper relativ zum Gas

(Flüssigkeit) bewegt. Die Kraft besteht hier aus zwei Komponenten: - Wiederstand in Richtung der Anströmung- Der dynamische Auftrieb wirkt rechtwinklig zur Anströmung

Beispiel: Tragfläche eines Flugzeuges oder Rotorblattes

Der Leistungsbeiwert

Es stellt sich hier die Frage wie viel Energie

man den Wind maximal entnehmen kann.

Der Leistungsbeiwert hat den Naturgesetzen

nach also eine theoretische Obergrenze Cp

max = 0,5926

Herleitung des Leistungsbeiwert

Der Leistungsbeiwert sagt

uns, wie effizient eine

Windkraftanlage die

Energie im Wind in

Elektrizität umwandelt. In

diesem Fall liegt dieser bei

0,44ffür eine Wind-

geschwindigkeit von 8m/s

BerechnungVollständige Leistung des Windes: Pmax = ½ A * ν1³

Energie des sich bewegenden Masse: E = ½ m * v²

Entnommene Leistung des Windes:

P = A v1³ ¼ (1+ v2 / v1) (1- v2² /v1²)

Der Cp-Wert lässt sich durch das Verhältnis P/Pmax ermitteln.

Der Leistungsbeiwert beträgt Cp= 0,5926. Es ist also nicht möglich,

dem Wind mehr als 59,26% Energie zu entnehmen.

Berechnung, graphische Darstellung

P/Pmax = ½ (1+ x) (1- x² ); Abminderung x = V2/V1 Berechnung der Extremstellen dieser Funktion. Ermittlung der 1. Ableitung f’(x) = 0f (x) = ½ (1+ x) (1- x²) f` (x) = -3/2 x² -x + 1/2<=> -3/2 x² -x + ½ = 0 Mit der quadratischen Gleichung wird gelöst<=> x² + 2/3x – 1/3 = 0 + 1/3 /*(4/36)<=> ( x + 2/6 )² = 1/3 + 4/ 36<=> ( x + 2/6 )² = 16/36 [ √<=> x + 1/3 = ± √ 16/36 [ - 1/3<=> x = - 2/3 – 1/3 v x = 2/3 - 1/3 Der x-Wert wird in die Ausgangsformel

eingesetzt, so erhält man einen y-Wert Absolutes Maximum für x = 0,333 liegt bei: ( 0,333 / 0,593) Da der y- Wert die hier die maximale Steigung

angibt, ist dieser Wert der Maximalwert dieser Funktion.

Aus: Jens-Peter-Molly: Windenergie in Theorie und

Praxis, Verlag C.F. Müller Karlsruhe, Band 8, 1978, S. 5

Schnelllaufzahl

Eine wichtige Kennlaufzahl für die Windkraftanlagen ist die

Schnelllaufzahl λ.

Gamma gibt das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit u des

Rotors (Blattspitzengeschwindigkeit) zur Windgeschwindigkeit v an.

Formel: λ = u/v

Schnelllaufzahl und Leistungsbeiwert sind abhängig von der

Windgeschwindigkeit

Windradtypen

Windradtypen

Einflügler Darrieus-Rotor H- Rotor Leeläufer Luvläufer

Der Einblattroter


Einblattrotor mit Gegengewicht. Bei diesem

Einflügler ist das Gegengewicht genauso groß

wie das Gewicht des Rotorblattes. Dadurch

kann der umwuchtfrei drehen und erreicht somit

höhere Drehzahlen als Mehrflügler. Jedoch ist

der Wirkungsgrad bei Einflüglern nicht besser

als bei den Mehrflüglern. Im Vergleich zu einem

Zweiblattflügler ist der Leistungsbeiwert um

10% geringer, da die Windleistung nicht

vollständig aufgenommen werden kann. Ein

wesentlicher Vorteil dieser Windradtypen sind

die Einsparungen bei den Materialkosten.

Darrieus- Rotor


Die moderne Version der Vertikalachser wird nach dem

Franzosen George Darrieus benannt, der seine Idee

1931 in den USA patentieren ließ. Der Darrieus-Rotor

hat zwei oder drei Rotorblätter, die als Mantellinien

einer geometrischen Rotationsfigur ausgebildet sind.

Aufgrund der besonderen Profilierung der Blätter

entsteht der Drehimpuls im wesentlichen nach dem

Prinzip des aerodynamischen Auftriebs. Der Vorteil des

Darrieus-Konverters liegt darin, daß seine Funktion

nicht von der Windrichtung abhängt. Außerdem können

die mechanischen und elektrischen Bauelemente am

Boden untergebracht werden. Nachteilig sind dagegen

die schlechten Anlaufeigenschaften und der

verhältnismäßig ungünstige Wirkungsgrad.

H- Rotor


Eine besondere Version des Darrieus-Rotors

ist der sogenannte H-Rotor: Ähnlich der

Form eines großen "H" sind seine

geradlinigen Rotorblätter senkrecht

angeordnet und über eine Tragekonstruktion

mit der vertikalen Rotorwelle verbunden.

H-Rotoren sind bisher vor allem in England

als Prototypen gebaut worden. Bei einigen

Anlagen kann die geometrische Anordnung

der Rotorblätter verstellt werden, so daß eine

Begrenzung der Leistungsaufnahme im Falle

hoher Windgeschwindigkeiten möglich ist.

Lee- Luvläufer


Für die Betriebsweise moderner Horizontalachsen-Konverter gibt es grundsätzlich

zwei Möglichkeiten: als Leeläufer oder als Luvläufer

Anlagen vom Typ des Leeläufers sind

so ausgelegt, dass sich der Rotor in

Windrichtung hinter dem Turm dreht.

Das Prinzip hat den Vorteil, dass die

Rotorblätter bei starkem Wind nicht

gegen den Turm gedrückt werden

können. Bei einem Luvläufer ist dieses

Risiko nicht vollständig auszuschließen,

da der Rotor von vorn angeblasen wird

und vor dem Turm läuft. Leeläufer haben

auch den Vorteil, sich selbsttätig in

Windrichtung auszurichten, während

Luvläufer durch geeignete technische

Maßnahmen dem Wind nachgeführt

werden müssen.

Entwicklung der erneuerbaren Energien: Windenergie

Entwicklung

Windmühlen verschwanden, als Elektrizität überall und billig in Deutschland zu bekommen war

Um 1900: 30000 Windmühlen allein in Norddeutschland

Seit den 50er Jahren langsam wiederentdeckt

Durchbruch in 70er Jahren durch Ölkrise

Windenergie also erst knapp 20 Jahre alt

Installierte Leistung in der Windenergie

1990: 40 GWh Stromertrag

Installierte Leistung von 56 MW

2003: 18.500 GWh Stromertrag

Installierte Leistung von 14.600 MW

15.400 Anlagen

7,5 Millionen Haushalte können versorgt werden

3 % der Stromerzeugung in Deutschland

Entwicklung der installierten Windleistung in der EU (1990-2003)


Stromerzeugung aus der Windenergie in der EU (1990-2003)


Nutzung erneuerbarer Energien in der EU (2002)


Standort für Windkraftanlagen

Standorte in Deutschland

windreichen Küstenländer, wie Schleswig Holstein oder Niedersachsen Schleswig-Holsten deckt heute 25% seines Strombedarfes

aus Windkraft

Binnenländer (verstärkt zugenommen) Höhere Stromentstehungskosten

Letzten 20 Jahren hauptsächlich immer größere Anlagen, um Standorte mit guten Windverhältnissen optimal auszunutzen

Vorschriften zum Bau einer Windkraftanlage

500 Meter Mindestabstand von Wohngebieten Geringe Geräuschemissionen Nicht in Hauptrouten von Zugvögeln Einfluss auf das Landschaftsbild Offshore:

Anbindung an das Festland

Wassertiefe

Naturschutz: Fischerei, Bodenschätze

Offshore-Anlagen

Pionierphase: 1990-1997 Offshore-Anlagen erster Generation (2000) Offshore-Anlagen zweiter Generation Ende 2003 gab es 15 internationale Offshore-

Anlagen Gesamtleistung von mehr als 530 MW Fast ausschließlich in Nordeuropäischen

Gewässern (Dänemark, Niederlande, UK)

deutsche Offshore-Anlagen

Pilotprojekt 2001 Windpark Borkum West und 2002 Bürgerwindpark Butendiek

Sind aber noch nicht am Netz 2004 wurden zwei weitere Parks vor Borkum

genehmigt Bis 2030 will Bundesregierung Offshore-

Windparks mit mindestens 20.000 MW Gesamtleistung errichten

In Planung sind 21 Parks in der Nordsee und 10 in der Ostsee

Kosten

Kosten I

Durchschnittliche Investitionskosten für heute installierte Windkraftanlagen liegen zwischen 800-900 Euro/kW

Zusatzkosten für Fundament, Netzanbindung, Zuwegung, Grundstückskosten und Planung

1,5 MW-Anlage kostet somit etwa 1,8 Millionen Euro

Kosten II

Kosten sind seit den 80er Jahren um ein Drittel gesunken

Bei typischen Jahreswindgeschwindigkeiten von durchschnittlich 5-6 m/s an der Küste und 4-5m/s an guten Binnenstandorten

Stromentstehungskosten: 5,5 – 13 cent/kWh

Sonne, Wind & Wärme 4/2004, S. 73

Warum Windenergie?

CO2 lag 2003 bei 16 Millionen Tonnen Eine 1,5 MW-Anlage verhindert bei 20 Jahren Lebenszeit

einen Ausstoss von 64.000 t CO2- Emission und den Verbrauch von 80.000 t Steinkohle

Aus Windkraft erzeugter Strom ist heute schon günstiger als Strom aus der deutschen Steinkohle Arbeitsplatz Steinkohleindustrie wird pro Jahr mit 50.000

Euro Steuergeldern subventioniert

Unabhängigkeit von Energieimporten

Nachteile

Man darf allerdings nicht vergessen, dass die Windenergie abhängig ist von den Windverhältnissen

Windräder können nicht die ganze Zeit zur Stromerzeugung genutzt werden und müssen in den windarmen Zeiten durch andere Energieformen (z.B. Kraftwerke) ersetzt werden.

Werden nur bei Windgeschwindigkeiten von 4-20 m/s (je nach Anlage) genutzt

VolllastDefinition: Für die Bewertung und den Vergleich derLeistungsfähigkeit von Windenergienanlagenwird die Jahresenergielieferung auf dieNennleistung der Anlage bezogen. Diesesogenannten äquivalenten Volllastbenutzungs-stunden hängen ab von der im Windenthaltenen Energiemenge (Standort) und derHöhe der Anlagen

Beispiele: Volllastzahl

Für die Berechnung der Stromentstehungs-

kosten sind die Volllastbenutzungsstunden

mitentscheidend:- Bayern: ca. 1000 Std./a- Nordrhein-Westfalen: ca. 1200 Std./a- Niedersachsen: ca. 1800 Std./a- Schleswig-Holstein: ca. 2300 Std./a mittlere Volllastbenutzungsstunden im Jahr (siehe Jahrbuch Erneuerbare Energien 2001; S.69)

Beispiel Vollastzahl

Onshore-Windenergieanlagen:1500 kW-Anlage: 2000 h/a

Offshore-Windenergieanlagen:20 km vor der Küste (3MW): 3280 h/a70 km vor der Küste (3MW): 3585 h/a

(siehe Jahrbuch Erneuerbare Energien 2001; S.70-72)

Zukunft

Entwicklung der Stromerzeugung bis zum Jahr 2050


Reduzierung der CO2 – Emission um

80% gegenüber 1990

2050: 68% der Stromerzeugung;

50% der Wärmebereitstellung

Zukunft

Windkraft ist zur Zeit eine der günstigsten Methoden Ökostrom zu erzeugen, aber mittelfristig werden die anderen erneuerbaren Energien immer wichtiger

Effizienz- und Leistungssteigerungen der Anlage werden dazu führen, dass deutlich mehr Strom mit weniger Anlagen bereitgestellt werden

Mix aus Wind- und Wasserkraft, Solarenergie, Biomasse und Geothermie

Literatur

Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Erneuerbare Energien – Innovationen für die Zukunft. Mai 2004

Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Umweltpolitik – Erneuerbare Energien in Zahlen. März 2004

Lehrmaterial vom Bundesministerium für Umwelttechnik: www.bmu.de (Stand: 09.12.04)


Literatur

Molly, J.-P.: Windenergie in Theorie und Praxis. Karlsruhe 1978

Kaltschmitt, M.; Wiese, A.; Streicher, W.: Erneuerbare Energien. Berlin 2003

Internet: www.wikipedia.de [Herbst 2004] Heidi Schewe (Hrsg): Biomechanik- wie geht

das? Thieme Verlag2000, S. 189 Crome,H.: Handbuch Windenergie Technik.

Freiburg 2000

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