Die Nutzung von Windenergie hat eine lange Geschichte, die von mechanischen Windmühlen bis zu den modernen Stromerzeugungsanlagen von heute reicht. Wie die Stromerzeugung genau funktioniert, kannst du hier erfahren.
Menschen nutzen Windräder schon seit mehr als 2000 Jahren. Ab dem 12 Jahrhundert verbreiteten sie sich als Windmühlen, bei denen die Windkraft mechanisch auf einen Mahlstein übertragen wurde. Windmühlen dienten dem Müller zum Mahlen von Getreide und zur Herstellung von Mehl.
Die erste Windkraftanlage zur Stromerzeugung wurde anlässlich der Internationalen Elektrizitätsausstel-lung 1883 errichtet, um Werkzeuge, Lampen und eine Dreschmaschine anzutreiben. Heute erzeugen allein in Deutschland rund 30.000 moderne Windräder Strom. Die meisten befinden sich in Niedersachsen, gefolgt von Brandenburg, Nordrhein-Westfalen und Schleswig-Holstein.
A) Funktionsweise und Komponenten einer Windkraftanlage
Arbeitsauftrag 1.1
- Lies den Infotext und beschrifte das Schema einer Windkraftanlage.
Infotext: Wie funktioniert eine Windkraftanlage?
Eine Windkraftanlage wandelt die mechanische Windenergie (auch Windkraft genannt) in elektrische Energie um. Sie besteht aus verschiedenen Bauteilen, die zusammenarbeiten.
Eine Windkraftanlage besitzt ein Fundament, das sie fest mit dem Untergrund verbindet. Das Fundament sorgt dafür, dass die Windkraftanlage auch bei starkem Wind stabil steht.
Der Turm der meisten Windkraftanlagen besteht aus Stahl oder Stahlbeton. ist hohl und kann bis zu 120 Meter – manchmal sogar 160 Meter – hoch sein. Der Turm kann hunderte Tonnen schwer sein. Er trägt die schweren Bauteile: Maschinenhaus und Rotor mit den drei Rotorblättern. Im Inneren des Turms verläuft die Kabelstraße, über die der Strom transportiert wird. Außerdem gibt es einen Aufstieg für Technikerinnen und Techniker, um Wartungen und Reparaturen durchzuführen.
Auf dem Turm befindet sich das Maschinenhaus (auch Gondel genannt). Darin sind wichtige Teile
verbaut, zum Beispiel der
Generator, das Getriebe und die Bremse. An einer Seite sind die drei Rotorblätter (auch Windflügel)
montiert. Das
Maschinenhaus ist drehbar, um die Rotorblätter stets in die Windrichtung zu stellen. Entsprechende
Messinstrumente
messen die Windgeschwindigkeit und die Windrichtung. Per Steuerungsanlage wird die Windkraftanlage
gedreht, die
Stromerzeugung im Generator gemessen und der gesamte Betrieb beobachtet. Weht der Wind zu stark, wird
der Rotor
gestoppt. Dafür wird eine Bremse benötigt, die auch die Rotorblätter so verstellt, dass sie
wenig Windwiderstand
bieten.
Trift Wind auf die Rotorblätter auf, setzen sie sich in eine (Dreh-)Bewegung und übertragen ihre
Energie über das
Getriebe an den Generator.
Der Generator wandelt die Bewegungsenergie schließlich in elektrischen Strom um. Einige moderne Anlagen verwenden auch direkt angetriebene Generatoren ohne Getriebe. Damit der Strom ins Stromnetz eingespeist werden kann, wird er über einen Transformator auf die richtige Spannungsebene gebracht und an einem Netzanschluss in das Stromnetz eingespeist. Das Stromnetz transportiert den Strom der Windenergieanlage zu den Stromverbauchern in Unternehmen, Wohnhäusern oder Schulen.
Windenergieanlagen können Tag und Nacht über das ganze Jahr Strom produzieren, sofern der Wind weht. Aus drei Gründen können Windenergieanlagen abgeschaltet werden: a) sie sind defekt, b) der Wind weht zu stark, c) das Stromnetz kann den erzeugten Strom nicht aufnehmen (das Stromnetz ist voll).
Arbeitsauftrag 1.2
- Erkennst du anhand der Beschreibungen, um welches Element einer Windkraftanlage es sich handelt? Wähle das richtige Bauteil aus.
- Je höher das Bauteil ist, desto breiter muss es am Fuß sein. Es ist zeitweise hohen Belastungen ausgesetzt, denen es unter allen Betriebsbedingungen sicher widerstehen muss.
- Es ist in der Regel kreisförmig und reicht mehrere Meter ins Erdreich, damit die durch den Wind auf die Konstruktion wirkenden Kräfte aus allen Windrichtungen gleichmäßig verteilt werden.
- Sie identifizieren die Windrichtung und Windgeschwindigkeit und sind mit einem Regler verbunden, um die Gondel und Rotor auszurichten.
- Ein sicherheitsrelevantes Bauteil, das dafür sorgt, dass die Anlage bei Störungen, Wartungsarbeiten oder extremem Wind verlangsamt oder gestoppt werden kann.
- Seine Aufgabe ist die Umwandlung der langsamen Drehbewegung der Rotorblätter in die viel schnellere Drehbewegung, die der Generator zur Stromerzeugung benötigt.
- Dieses Bauteil überträgt die Drehbewegung der Rotorblätter auf die Rotorwelle.
- Dieses Element hat die Aufgabe, die elektrische Spannung des erzeugten Stroms so anzupassen, dass er verlustarm ins Stromnetz eingespeist werden kann. Es erhöht die Spannung von etwa 400 V bis 1.000 V auf 20.000 V (20 kV) (Mittelspannungsnetze) oder 110.000 V (110 kV) (Hochspannungsnetze).
- Diese beweglichen Bauteile sind so konzipiert, dass sie Auftrieb erzeugen, wenn der Wind darüber strömt. Ihre Form, Größe und Neigung beeinflussen die Leistung der Anlage.
B) Standortsuche: Einflussfaktoren auf die Effizienz einer Windkraftanlage
Bevor eine Windkraftanlage oder ein ganzer Windpark errichtet werden kann, muss ein geeigneter Standort gefunden werden. Welche äußeren Faktoren können die Stromerzeugung aus Windenergie beeinflussen?
Arbeitsauftrag 2.1
- Überlege, welchen Einfluss die folgenden fünf Faktoren auf die Effizienz einer Windkraftanlage haben können. Stelle dazu die Schieberegler ein. Lies erst danach den Infotext.
Faktor: Windhöffigkeit
Die Windhöffigkeit gibt an, mit wieviel Wind an einem Standort gerechnet werden kann.
Einfluss: Windhöffigkeit
Wind weht nicht überall gleichmäßig oder gleich stark. An manchen Orten weht der Wind nur selten, wie beispielsweise in Tälern. Solche Standorte kommen für Windkraftanlagen nicht in Frage. Auf großen Freiflächen, beispielsweise auf dem Meer, an Küsten oder auf weiten Feldern, und in Höhenlagen weht der Wind am häufigsten, am stärksten und am gleichmäßigsten. Norddeutschland mit der Ostsee, der Nordsee und vielen Landwirtschaftsflächen ist windreicher als Süddeutschland mit seinen vielen Bergen und den Alpen.
Faktor: Windrichtung
Die Windrichtung gibt an, aus welcher Richtung der Wind weht und auf eine Windkraftanlage auftrifft. Sie kann sich schnell und häufig ändern. Windenergieanlagen können so gedreht werden, dass sie den Wind aus jeder Richtung gut nutzen können.
Einfluss: Windrichtung
Die Windrichtung ist grundsätzlich nicht entscheidend, denn moderne Windenergieanlagen können sich in jede Windrichtung drehen. Am effektivsten ist es jedoch, wenn der Wind konstant aus einer Richtung kommt und keine Neuausrichtung nötig ist.
Faktor: Windgeschwindigkeit
Die Windgeschwindigkeit gibt an, wie schnell der Wind weht. Sie ist eine Kenngröße dafür, wieviel Energie der Wind enthält und wieviel Strom erzeugt werden kann.
Einfluss: Windgeschwindigkeit
Je höher die Windgeschwindigkeit an einem Standort ist, desto höher kann der Energieertrag einer Windenergieanlage und eines ganzen Windparks sein. Mit zunehmender Höhe nimmt die Windgeschwindigkeit zu. Bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten müssen Windräder jedoch abgeschaltet werden und bei zu niedrigen lohnt ein Betrieb nicht. In Bodennähe bremsen Hindernisse wie Bäume oder Gebäude den Wind und erzeugen Turbulenzen. Die Windgeschwindigkeit hat einen großen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Windenergieanlage.
Faktor: Windturbulenzen
Windturbulenzen sind kurzfristige Richtungs- und Geschwindigkeitsänderungen, die einen unregelmäßigen Luftstrom erzeugen. Sie können natürliche Ursachen haben, z. B. unterschiedliche Lufttemperaturen, die ausgeglichen werden. Sie treten oft auch in Orten mit vielen Gebäuden auf.
Einfluss: Windturbulenzen
Windturbulenzen können z. B. durch Berge, Hügel, Bäume, Gebäude oder andere Windräder hervorgerufen werden. Bei Offshore-Windanlagen können Meeresströmungen und Änderungen der Wassertemperatur Windböen erzeugen. Turbulente Luftströme wirken unregelmäßig auf die Rotorblätter von Windkraftanlagen, was dazu führt, dass weniger Strom als bei stabilen Windverhältnissen erzeugt werden kann. Plötzliche Turbulenzen erzeugen außerdem Vibrationen an der Anlage, die zu mechanischen Verschleiß führen können. Windturbulenzen sollten möglichst geringgehalten werden.
Faktor: Luftdichte
Luft besteht aus unterschiedlichen Molekülen, die zusammen die Luftmasse bilden. Luftmassen sind u.a. durch Feuchtigkeit, Temperatur und Luftdruck gekennzeichnet. Treffen unterschiedliche Luftmassen aufeinander, entsteht Wind. Die Luftdichte gibt an, wieviel Luftmasse sich in einem bestimmten Volumen befindet. (Einheit: Kilogramm pro Kubikmeter, kg/m3).
Einfluss: Luftdichte
Die kinetische Energie des Windes hängt davon ab, wie viel Masse Luft sich bewegt. Diese Masse ist direkt proportional zur Luftdichte. Je dichter die Luft, desto mehr Energie kann die Windkraftanlage bei gleicher Windgeschwindigkeit erzeugen. Die Luftdichte schwankt abhängig von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck. Ein Unterschied von 5 % bei der Luftdichte führt zu einem 5 % Unterschied in der Energieausbeute – bei sonst gleichen Bedingungen.
Arbeitsauftrag 2.2
- Stelle eine Vermutung an: welcher der folgenden vier Faktoren wirkt sich am stärksten auf die Stromgewinnung aus? Tippe das Symbol an.
Arbeitsauftrag 2.3
- Überlege, in welchen Alltagsbereichen Möglichkeiten bestehen, Strom aus Windenergie zu nutzen. Beachte
dabei, dass
Wind weder übers Jahr noch rund um die Uhr zuverlässig und gleichmäßig weht. Ergänze den folgenden Satz:
Immer wenn der Wind weht, sollten...
