Windkraftanlagen
Aufbau der Windkraftanlage
Moderne Windkraftanlagen bestehen in der Regel aus den folgenden Hauptkomponenten: Fundament, Netzanschluss, Turm, Gondel mit Generator, Getriebe, Bremse und Regelsystem und Rotor mit Rotorblattverstellung.
Bei den Fundamenten unterscheidet man zwischen Flachfundamenten und Tiefgründung. Flachfundamente werden überall dort eingesetzt, wo ein tragfähiger Baugrund vorhanden ist. Bei besonders weichem Baugrund werden so genannte Tiefgründungen bzw. Pfahlfundamente eingesetzt.
Der Turm einer Windkraftanlage trägt die Gondel und den Rotor. Bei den Türmen unterscheiden man drei Bauarten: Gittermast, konischer Stahlrohrturm oder Betonturm. Vereinzelt findet man auch Kombinationen der oben genannten Turmvarianten. Heute werden aus ästhetischen Gründen vorwiegend Stahlrohrtürme eingesetzt deren Höhe inzwischen bis zu 120 m betragen kann. Abgespannte Gittermasten werden nur für kleine Windkraftanlagen verwendet
Die Gondel ist das eigentliche Maschinenhaus einer Windkraftanlage. Es beinhaltet fast alle für den Betrieb der Anlage erforderlichen Komponenten: Antriebswelle, Hauptlager, Getriebe, Generator, Windrichtungsnachführung, Steuerungs- und Sicherheitssysteme und zum Teil den Transformator.
Die Rotornabe ist auf die Antriebswelle montiert und hält die drei verstellbaren oder fest angeordneten Rotorblätter.
Funktionsweise der Windkraftanlage
Wenn die Windgeschwindigkeit etwa 3 m/s erreicht, startet ein Computer die Windrichtungsnachführung und dreht die Anlage in den Wind. Der Wind drückt nun auf die Blätter. Das Auftriebsprinzip erzeugt auf der einen Seite der Blätter einen Überdruck und auf der anderen Seite einen Unterdruck. Dabei wird die Energie des Windes auf die Blätter übertragen und der Rotor beginnt sich zu drehen. Über die Antriebswelle ist er mit einem mehrstufigen Getriebe verbunden. Das Getriebe passt die unterschiedlichen Drehzahlen des Rotors an die Generatordrehzahl an. Sobald der Generator die zur Stromerzeugung benötigte Geschwindigkeit erreicht wird er an das Netz geschaltet und Energie wird eingespeist. Je nach Typ erreichen die Anlagen ihre Nennleistung bei Windgeschwindigkeiten zwischen 11 m/s und 15 m/s. Der Leistungsregelung liegen unterschiedliche Konzepte zugrunde.
Am weitesten verbreitet sind stallgeregelte Anlagen, die durch eine eine starre Befestigung der Flügel mit der Nabe gekennzeichnet sind. Bei steigender Windgeschwindigkeit kommt es zum Strömungsabriss und damit zu fast konstanter Leistung. Bei Sturm ab etwa 20 bis 25 m/s erfolgt eine aerodynamische Blattspitzenbremsung und die Trennung vom Netz.
Bei Leistungen im Megawattbereich dominieren Pitchgeregelte Anlagen. Hier können die Rotorblätter mechanisch um ihre Längstachse verstellt werden. Die Energieausbeute wird so optimal den Windverhältnissen angepasst. Bei zu großen Windgeschwindigkeiten werden die Rotorblätter in Fahnenstellung gedreht und der Rotor läuft im Leerlauf. Lässt der Wind nach, startet die Computersteuerung die Windenergieanlage erneut. Bei Anlagen im Megawattbereich wird die geringe Rotordrehzahl von 10 bis 30 U/min direkt auf den Generator gegeben und über Leistungselektronische Umrichter der Netzfrequenz angepasst. Hiermit kann das Getriebe entfallen.
Windenergie und Umweltschutz
Die verstärkte Nutzung von Windenergie hat die Diskussionen nach der Umweltverträglichkeit der Anlagen angefacht. Dabei gilt es die Vor- und Nachteile gegenüber Alternativen abzuwägen. Bei einem modernen Kohlekraftwerk entstehen je erzeugter kWh Strom ca. 1 kgCO2. Windenergieanlagen dagegen arbeiten völlig ohne Erzeugung umweltschädlicher Treibhausgase. Eine Windkraftanlage mit einer Leistung von 1,5 MW vermeidet während ihrer 20-jährigen Lebensdauer rund 64 000 t CO2. Andererseits belasten Windenergieanlagen die Umwelt durch Geräuschemissionen, die Störung der Tierwelt (besonders der Vögel) und die Beeinträchtigung des Landschaftsbildes.
Der Geräuschpegel lässt sich durch den vorgeschriebenen Abstand von mindestens 500 m zu Wohngebieten einhalten. Langjährige Beobachtungen haben gezeigt, dass Vögel tagsüber die Windkraftanlagen meiden und es nur vereinzelt zu Vogelschlägen kommt. Der Einfluss der Anlagen auf das Landschaftsbild wird unterschiedlich gewertet. In der Summe überwiegt jedoch die große Umweltverträglichkeit durch die enorme Einsparung an CO2-Emissionen im Laufe der gesamten Betriebszeit.
- Leistungsbereich: momentan 0,05 kW bis 5 MW je Maschine, Windparks bis 100 MW und mehr
- Energiegestehungskosten: 5,5 bis 13 Cent/kWh
- Kostenreduzierung bis 2020: ca. 20 bis 25 %