Kurzdarstellung

Durch Druckunterschiede in der Atmosphäre entsteht kinetische Windenergie, die mit Hilfe von Windkraftanlagen in Strom umgewandelt werden kann. Dabei steigt die Leistung des Windes mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit – veranschaulicht dargestellt: mit der Verdopplung des Windgeschwindigkeit verachtfacht sich die Energiemenge. In einer Windböe wurden bisher schon Geschwindigkeiten von 412 km/h gemessen. Die höchstgemessene Windgeschwindigkeit lag bei 500 km/h in einem Tornado, was einer Leistung von 2.000 PS pro Quadratmeter entspricht (1,6 MW). Jedoch ist es nicht möglich die gesamte Energie des Windes zu nutzen. Theoretisch sind 59,3 Prozent der Windenergie umwandelbar. Bei optimalen Betriebsbedingungen können moderne Anlagen einen Wirkungsgrad von 50 Prozent erreichen. Die Rotorblätter der bisher größten gebauten Anlagen sind 107 Metern lang, sodass sich ein Durchmesser 220 Metern ergibt. Die Leistung der Anlage beträgt 12 MW. Insgesamt gibt es unterschiedliche Ausprägungen von Windkraftanlagen. Die Größten Anlagen werden mit horizontalen Naben gebaut. Kleinwindkraftanlagen mit senkrechter Achse werden oft in urbanen Umgebungen verbaut, da sie auf dem Dach montiert und unter einer Masthöhe von 10 Metern baugenehmigungsfrei sind. Zudem brauchen sie keine Nachführung, wodurch eine Steuerung entbehrlich wird. Ihre Leistungszahl ist geringer, wodurch ihr spez. Kosten pro KWh höher ausfallen, als bei horizontalen Windkraftanlagen.
Windparks bestehen aus mindestens drei Anlagen. Der größte im Bau befindliche Windpark der Welt steht zukünftig am Rand der Wüste Gobi in China. Seine Leistung beträgt nach der Fertigstellung 5.100 MW. Der große Vorteil von Windparks liegt im Skaleneffekt, da Planungs-, Errichtungs- und Wartungskosten auf mehrere Anlagen verteilt werden können. Jedoch können eng aneinander stehende Anlagen sich gegenseitig negativ beeinflussen, was den Gesamtwirkungsgrad mindert. Diese Verluste liegen meistens zwischen 3 und 15 Prozent.

Beispielhafte Investitionsrechnung

Bei Onshore-Windparks werden in der Regel 2-5 % der Investitionskosten als Betriebskosten veranschlagt. Bei einem 20-MW-Windparkt entspricht dies ca. 900.000 Euro pro Jahr. Mit den Investitionskosten von 30 Mio. Euro ergeben sich bei einer Laufzeit von 20 Jahren Aufwendungen in Höhe von 48 Mio. Euro. Die Stromgestehungskosten sind stark von der Windgeschwindigkeit am Ort des Windparks anhängig. Bei der Annahme einer guten Windausbeute ergeben sich daraus 0,04 €/kWh. Mit einer veranschlagten Rendite von 8 % ergibt sich ein finaler Arbeitspreis von 0,066 €/kWh. 

Definition des Technologiefeldes

In den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts begann die Kleinserienfertigung von Windenergieanlagen (WEA) zur Stromerzeugung im Netzparallelbetrieb mit elektrischen Leistungen unter 50 kW und Turmhöhen von unter 30 m. Aktuelle WEA haben Nennleistungen von 2 MW bis 8 MW und sie haben Nabenhöhen von über 150 m. Die dominierende Bauform ist der sog. Auftriebsläufer mit dreiblättrigem Rotor und horizontaler Achse. Der vorliegende Bericht betrachtet das System Windenergieanlage, das sich vom elektrischen Versorgungsnetz an der Übergabestation abgrenzt. hinter der Übergabestation liegenden Netzbestandteile, wie z. B. Windpark- Verkabelung oder Umspannstation, werden nicht betrachtet.

Aktueller Stand der Technologie

Die Windenergie ist aktuell die preisgünstigste erneuerbare Energieform und spielt in Deutschland heute die mit Abstand größte Rolle in der Stromerzeugung. 2016 wurden mit rund 80 TWh etwa 12 % der elektrischen Energie aus Windenergie erzeugt. Die installierte Leistung wuchs bis Ende 2016 auf etwa 50 GW, der Anteil des Windstroms von Anlagen auf See an der gesamten Windstromproduktion betrug etwa 15 %.

Windbedingungen (TRL 6-8): Die Fragestellungen bzgl. der optimalen Nutzung geeigneter Standorte sind für die Windenergienutzung an Land und auf See verschieden. An Land spielen vor allem der Geländeeinfluss (komplexes Gelände) und die großen Höhen eine Rolle. Offshore spielen die Auswirkungen von thermischen Effekten (Temperaturunterschied zwischen Wasser und Luft) sowie die Auswirkung der Nachlaufströmung von Windenergieanlagen auf die Windbedingungen innerhalb und zwischen Windparks eine zentrale Rolle. Zumindest in flachem, nichtkomplexen Gelände ist heute die Bestimmung des Windangebotes mit LiDARGeräten (laserbasierte Fernerkundungstechnik) Stand der Technik. Herausforderungen stellen sich noch bei LiDAR-Messungen im komplexen Gelände und bei der Bestimmung von Design-Windbedingungen (Turbulenz etc.) mittels Fernmesstechnik.

Windenergieanlagen (TRL 4-8): Bei der Anlagentechnik wurden in den vergangen Jahren erhebliche Fortschritte erzielt. Dies gilt insbesondere für die Rotorblätter, den Turm sowie die Netzanbindung. Bei den Rotorblättern wurde vor allem an der Verbesserung der Aerodynamik (Effizienzsteigerung und Lärmreduktion), an neuen Materialien (Steigerung der Betriebsfestigkeit und Reduktion der Masse) und an verbesserten Fertigungstechniken und Prüfverfahren (Steigerung und Sicherung der Qualität) geforscht. Als Ergebnis dieser Weiterentwicklungen haben heutige Rotorblätter eine Länge von rund 90 m. Bei den Generatoren kommen nach wie vor sowohl fremderregte als auch durch Permanent-Magnete erregte Modelle zum Einsatz. Die Regelungskonzepte wurden insbesondere hinsichtlich der Lastenreduktion weiterentwickelt, was z. B. zum Einsatz von aktiven Dämpfungen von Turmschwingungen und Torsionsschwingungen des Triebstrangs geführt hat. Inzwischen haben auch Themen wie die Einzelblattverstellung oder die prädikative WEA-Regelung eine große Bedeutung. In praktisch allen Subsystemen von WEA sind in der Vergangenheit unvorhergesehene Störungen aufgetreten. Frühere Schwächen wie Mängel an Getrieben und Schwächen an speziellen Fundamenttypen konnten nach und nach behoben werden. Aktuell kommt es bei Wechselrichtern und Nebenantrieben zu häufigen Ausfällen. Immer neue Anforderungen stellen die Integration der Windenergieanlagen in das allgemeine Versorgungssystem und der ständige Kostendruck bzw. das damit verbundene Größenwachstum dar. Der Einsatz von zustandsorientierten Monitoringsystemen für Komponenten der WEA nimmt zu (Condition Monitoring Systems, CMS und Structural Health Monitoring, SHM). Für den Antriebsstrang kommen heute häufig Systeme zur Schwingungsüberwachung und Detektion von Lager- und Verzahnungsschäden zum Einsatz.

Netzintegration (TRL 6): Den steigenden netzseitigen Anforderungen an die Regelung der Leistungsabgabe von WEA in das Netz wurde in den letzten Jahren vermehrt Rechnung getragen. Inzwischen können alle WEA auf Vorgaben zur Leistungsreduktion aus dem Netz reagieren, kurzzeitige Spannungs- und Frequenzeinbrüche selbstständig überbrücken und ihre Blindleistungseinspeisung der aktuellen Situation am Einspeisepunkt entsprechend einstellen.

Offshore-Windenergienutzung (TRL 4-8): Speziell für die deutschen Offshore- Windparks in Küstenentfernungen von bis zu 50 km stellt die Offshore-Logistik während der Errichtung und des Betriebs eine anspruchsvolle Aufgabe dar. Gerade in der Anfangsphase der Offshore-Windenergienutzung verzögerte sich die Errichtung der Anlagen teils erheblich, weil vorgesehene Techniken nur in kleinen Wetterfenstern angewendet werden konnten. Zudem konnten Störungsbeseitigungen aufgrund ungenauer Planung und wenig ausgereifter Logistik oft nicht zeitnah erfolgen. Durch neue Ansätze und Methoden, welche eine umfassende Simulation der Prozesse ermöglichen, bieten sich mittlerweile Lösungen für eine Reihe von Teilaspekten. Auch die Errichtung der Anlagen erfolgt heute durch die Entwicklung neuer technischer Systeme (Schiffe, Anlandungssysteme, Gründungsstrukturen) i. d. R. deutlich planmäßiger.

Umweltauswirkung (TRL 5): Aufgrund der zunehmenden Größe der WEA sind auch die Auswirkungen auf den Menschen und die Umwelt tendenziell höher als noch vor einigen Jahren. Im Bereich Schallemissionsminderung wurde vor allem an der Verbesserung der Rotorblattaerodynamik (z. B. Blattspitzen und Hinterkanten) gearbeitet, aber auch die Schallausbreitung unter realen atmosphärischen Bedingungen erforscht. Zu den verschiedenen Auswirkungen auf die Avifauna, z. B. Tötung (i. d. R. durch Kollision), Meideverhalten, Lebensraumverlust oder Störung beim Brüten durch Service Teams liegt heute eine Reihe von Studien vor. Im Zuge der Errichtung von Offshore-Windparks spielt vor allem die Schallemission eine wichtige Rolle. Hier wurden Methoden erforscht, die die Entstehung und die Ausbreitung von Lärm beim Gründen der WEA (z. B. beim Rammen von Pfählen) reduzieren. Weiterhin wurden Flora und Fauna in ihrem Verhalten sowohl in der Bau- als auch in der Betriebsphase beobachtet, um die Auswirkungen der Aktivitäten im Rahmen der Offshore- Windenergienutzung zu untersuchen. Inzwischen beinhalten Baugenehmigungen einige Auflagen, welche die Auswirkungen neuer Windparks auf Mensch, Flora und Fauna reduzieren sollen.

Weitere Links und Software

• Windparkertragsanalyse – Prof. Volker Quaschning (Link)

Quellen