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WindkraftwerkeVon der Windmühle zur WindkraftanlageVor über tausend Jahren waren Windmühlen im Persischen Raum und in China in Betrieb, siehe Buch der Synergie. Im 12. Jahrhundert wurde dann in Europa dieBockwindmühle eingeführt, die in die Windrichtung gedreht werden konnte. Im 16. Jahrhundert kam die Kappenwindmühle, hinzu, die auchHolländerwindmühle genannt wurde. Für windärmere Gegenden in Amerika ist um 1854 das als Western Mill bezeichnete Windrad mit sehr vielen Flügeln zum Antrieb von Pumpen eingeführt worden. Danach sind dann aber Windmühlen zunehmend durch Dampfmaschinen und Verbrennungsmaschinen ersetzt worden. Von den etwa 200 000 in der Mitte des 19. Jahrhunderts in Europa vorhandenen Mühlen war nach hundert Jahren nur jede Zehnte erhalten. Die bis heute verbliebenen Exemplare mahlen oder pumpen kaum noch. Aber die Zahl der Windkraftanlagen (WKA) wächst seit Ende des vergangenen Jahrhunderts beständig und hat in vielen Ländern eine wichtige Rolle bei der Stromerzeugung übernommen. Physik der WindturbineFür alle Windräder ist die Windleistung proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit. Windenergie ist die kinetische Energie der bewegten Luft - die kinetische Energie einer Masse m mit der Geschwindigkeit v.
Die effektiv nutzbare Windleistung ist geringer, als durch obige Gleichung angegeben. Hinter dem Windrad kann die Windgeschwindigkeit nicht null werden, da dann keine Luft nachströmen könnte. Also ist nur ein Teil der kinetischen Energie nutzbar. Die Windgeschwindigkeit vor dem Windrad ist größer als die danach. Maximale Leistungsentnahme erfolgt also bei v2 =v1 / 3. Ein zu nahe hinter einem Windrad befindliches weiteres Windrad würde nur durch die langsamere Luft angetrieben. Deshalb ist bei Windparks in der Hauptwindrichtung ein meistens ein grösserer Mindestabstand als senkrecht dazu einzuhalten. Die installierte Leistung oder auch Nennleistung einer Windkraftanlage entspricht der abgegebenen elektrischen Leistung bei der Nenngeschwindigkeit zwischen 12 und 16 m/s, also bei optimalen Windbedingungen. Bei höheren Windgeschwindigkeiten, für die die Anlage noch ausgelegt ist, wird aus Sicherheitsgründen keine größere Leistung erzeugt. Bei Sturm werden die Anlagen abgeschaltet. Im Binnenland kann im Jahresmittel eine Auslastung von 23 % erreicht werden. Dieser Wert erhöht sich auf 28 % an der Küste und auf 43 % für Off-Shore-Anlagen. Am Ende soll noch erläutert werde, weshalb den Windkraftanlagen im Vergleich zu den Windmühlen ein Flügel verloren gegangen ist. Die mechanische Rotorleistung Pmech = 2π Mn ist proportional zum auf die Welle wirkenden Drehmoment M und zur Drehzahl n. Letztere wird durch die Schnelllaufzahl λ beeinflusst, die sich gemäß λ = vu / v1 aus dem Verhältnis von Umfangsgeschwindigkeit (Blattspitzengeschwindigkeit) vu des Rotors und der Windgeschwindigkeit v1 berechnet. Nun wächst zwar das Drehmoment M mit der Zahl der Flügel. Es ist demnach am größten für die Viel-Flügel-Western Mill und für den Vierflügler größer als für den Dreiflügler. Jeder Flügel reduziert mit zunehmender Drehzahl das Windangebot für den im Drehsinn folgenden Flügel. Dieser "Windschatten" wirkt um so stärker, je mehr Flügel ein Rotor besitzt. Die optimale Schnelllaufzahl ist deshalb nur etwa eins für die Western Mill, überschreitet kaum zwei für die Vier-Flügel-Windmühle und ist 7 bis 8 für die Drei-Flügel-Rotoren. Diese erreichen bei ihrer optimalen Schnelllaufzahl einen Wert von cp = 48 % und kommen damit dem oben genannten idealen Leistungsbeiwert der Windenergieausbeute von cp = 59 % näher als Vierflügler. Für Zweiflügler oder mit Gewichten ausgewuchtete Einflügler ist die Ausbeute wegen des kleineren Drehmoments trotz noch höherer Schnelllaufzahlen ebenfalls geringer. Deshalb haben Windkraftanlagen drei Flügel. Da sich Spitzenzeiten und optimale Windbedingungen nicht korrelieren lassen, müssen andere Elektroenergieerzeuger mit kurzen Anlaufzeiten in einem dafür ausgerüsteten Verteilernetz die Windstromerzeugung ergänzen. Wind-StatistikLaut Bundesverband WindEnergie gab es in Deutschland 2022 etwa dreißigtausend Wind-Energie-Anlagen (WEA, oder WT = Wind-Turbinen), davon reichlicha 1500 auf See. Die 66,2 GW installierte Leistung, davon 8,1 GW auf See (Offshore), hatten mit 123,3 TWh (davon 4,7 TWh auf See) einen Anteil von 25,5 % an der Elektrizitätsproduktion. Deutschland hatte bis 2008 in der installierten Leistung die Weltspitze, wurde dann erst von den USA und danach von China überholt. Nach der IRENA-Statistik 2023 sind Ende 2022 die installierten Leistungen in Deutschland 66,3 GW, in den USA 140,9 GW und in China 366,0 GW. Aus China kommt mehr als die Hälfte des weltweiten Zuwachses. Bei der installierten Wind-Leistung pro Kopf der Bevölkerung ist Deutschland noch führend, beim pro-Kopf-Zuwachs wird es aber bald von China überholt werden. Im Weltdurchschnitt liegt der Beitrag der Windenergie an der Stromerzeugung noch unter 3 %. Für die in Deutschland bis 2025 geplanten Offshore-Windanlagen sind die Mittelwerte für installierte Leistung 11,2 MW, für Rotordurchmesser 197 m und für Nabenhöhe 127 m über einer Wassertiefe von 36 m mit einem Abstand von 76 km zur Küste. Der Mittelwerte der 2022 neu gebauten Anlagen am Land sind 4,4 MW installierte Leistung, 137 m Rotordurchmesser und 137 m Nabenhöhe, siehe Bundesverband WindEnergie. Vollständige Darstellung siehe: https://home.uni-leipzig.de/energy/energie-grundlagen/15.html
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