Wie ist es möglich, ein komplexes Windenergiesystem, bestehend aus einzelnen Rotorelementen, flächeneffizient zu planen und zu konstruieren? Ergebnisse des Forscherteams „Energie“ des 2°Campus 2015

WWF Deutschland | Universität Münster Sommer 2015

Sommer 2015

Gliederung

1. Motivation

2. Forschungsfrage und Autor/innen

3. Grundlagen

4. Messungen

5. Projektplanung und Modellkonstruktion

6. Ergebnisse und Fazit

7. Ausblick

2°Campus: Ergebnisse des Forscherteams „Energie“

© Eigenes Foto

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1. Motivation - Warum Windenergie? Ziel 2°C-Limit: • Reduktion von 95% der

Treibhausgasemissionen (bis 2050)

• Reduktion der aus der Stromerzeugung stammenden Treibhausgasemissionen um 90%

• Anteil der Windenergie von 8,5% (2013) auf 60% erhöhen

©WWF

2°Campus: Ergebnisse des Forscherteams „Energie“

• Wenige Standorte an denen

Windenergieanlagen (WEA) rentabel sind

• Gesellschaftliche Akzeptanz stagniert

• Leistungssteigerung durch technischen Fortschritt

REPOWERING ermöglicht

effizientere Flächennutzung

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1. Motivation – Warum Flächeneffizienz?

© Deutscher Wetterdienst

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Newan Darsem Muhamad Sophie Geier Finn Hirschoff Erik Kalz Yves Schieber Juniormentorin: Alina Schubert Wissenschaftliche Mentorin: Pia Bäune

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2. Forschungsfrage & Autor/innen „Wie ist es möglich, ein komplexes Windenergiesystem, bestehend aus einzelnen Rotorelementen, flächeneffizient zu planen und zu konstruieren?“

©WWF/A. Morascher

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3. Grundlagen • Grundlegender Versuch zu

Verwirbelungen: Rotor im Windschatten eines Objekts

• Entstehung von Verwirbelungen hinter Objekten im Windkanal

• Negative Auswirkung auf Effizienz von WEA

• Zur Vermeidung muss

zwischen WEA Platz gelassen werden

© eigenes Foto

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4. Messungen - Winkel

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© eigenes Foto

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4. Messungen - Winkel

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• 10% Leistungsabfall bei 15° • Bei 65° dreht WEA aufgrund von Reibung nicht mehr

© eigene Grafik

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4. Messungen - Entfernung

© eigenes Foto

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4. Messungen - Entfernung

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Beeinträchtigung der Rotorleistung ab der doppelten Rotorlänge nicht mehr messbar (im Gegensatz zur Faustregel: 3 Rotorlängen) Übertragung Modellmessung auf Realität nicht linear möglich

© eigene Grafik

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4. Messungen - Rastermessung

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• Messungen der Spannungs-differenz einer feststehenden und einer beweglichen WEA

• 9,5 cm Rotorlänge • Windgeschwindig-

keit

4. Messungen – Rastermessung

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Ab einem Abstand der Rotoren von 12 cm zueinander (in die Tiefe) ist die Spannungs-differenz verschwunden.

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5. Projektplanung und Konstruktion

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© erstellt mit Tinkercad, eigene Grafik

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Auf der Grundlage unserer Messungen konnten wir effizienteres dreigliedriges Windrad planen.

5. Projektplanung und Konstruktion

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3D Modell bestehend aus einem Fundament und drei Rotorelementen ,jeweils an einer drehbar gelagerten Gondel

© eigene Fotos

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5. Projektplanung und Konstruktion

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Planung: • Gutachtenerstellung (Naturschutz,

Schall, Schatten und Wind) • Bauplanung Bauphase:

• Transport und Anlagenerrichtung • Netzanbindung und Inbetriebnahme

Standortanalyse: • Energieertragsprognose • Rechtliche Rahmenbedingungen

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6. Ergebnisse und Fazit

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Durch geringeren Rotorabstand ist eine Flächeneinsparung von mindestens 45% möglich (Referenzort: Estinnes, Belgien, 11 x E-126)

Drei konventionelle WEA: • 333 m Radius • 1,05 km²

Unsere Konstruktion: • 0,58 km²

© eigene Grafik

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6. Ergebnisse und Fazit

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Durch flächeneffizientere Nutzung der möglichen Standorte ist ein größerer Ausbau der Windenergie in Deutschland realisierbar. Die Vorteile von REPOWERING, also dem Verwenden bereits bestehender Standorte, aber dem Erneuern veralteter Anlagen, durch Konstruktionen, wie die unsere, sind:

• Die bereits vorhandene bürgerliche Akzeptanz und Verankerung in der Region

• Wiedernutzung bewährter Standorte • Weiternutzung bereits vorhandener Infrastruktur

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Verschiedene weitere Designs sind vorstellbar: • Erweiterung auf 5 Rotoren

(links) • Offshore mit

Meeresströmungs-kraftwerk

• Verbindung mit Kleinwindkraftanlagen

7. Ausblick

© Erstellt mit Tinkercad, eigene Grafik

2°Campus: Ergebnisse des Forscherteams „Energie“

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WEA in Deutschland (Dez. 2014): 24.867 Installierte Gesamtleistung (Dez. 2014): 38.115 MW

Um das für das 2°-Limit relevante Ziel von 60% Windenergie in der Energieerzeugung zu erreichen, müssten 0,05% des aktuellen Bestandes an WEA in Deutschland repowered werden.

Das entspricht ca. 1210 WEA, die durch E-126 oder ähnlich leistungsstarke Rotorelemente an unserer Konstruktion ersetzt werden müssten.

Die Baukosten für 1210 (konventionelle) E-126 entsprächen min. 40 Mrd. € (jedoch ohne Repoweringkosten).

7. Ausblick - Gedankenspiel

Rotor: E-126 © Erhard Renz via flickr

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Quellen

2°Campus: Ergebnisse des Forscherteams „Energie“

Literatur:

• Dauer und Kosten des Planungs- und Genehmigungsprozesses von Windenergieanlagen an Land, • Studie der Fachagentur Windenergie an Land e.V.: www.fachagentur-windenergie.de • http://www.windenergiepark-westkueste.de/index.php?startseite • https://www.wind-energie.de/themen/planung-und-repowering/planung • https://www.wind-energie.de/themen/technik-anlagen • https://www.wind-energie.de/infocenter/statistiken/deutschland/windenergieanlagen-deutschland Grafiken:

• BRD_Poster_80m (2).pdf: http://www.dwd.de/bvbw/appmanager/bvbw/dwdwwwDesktop?_nfpb=true&_pageLabel=_dwdwww_klima_umwelt_klimadaten_deutschland &T169000247481244102242349gsbDocumentPath=Navigation%2FOeffentlichkeit%2FKlima__Umwelt%2FKlimagutachten%2FWindenergie%2F DownloadsWinKa__80m__node.html%3F__nnn%3Dtrue • E-126: https://m.flickr.com/#/photos/28237570@N08/5954777668/in/search_QM_q_IS_E126 • Eigene Grafiken erstellt mit Tinkercad: https://www.tinkercad.com • Modell Deutschland. Studien-Kurzfassung (36) [PDF], WWF Deutschland: http://www.wwf.de/themen-

projekte/klima-energie/modell-deutschland/klimaschutz-2050/

Kontakt & Dank

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