Windenergie - hak

Windenergie
Segelschiff
Windenergieanlagen in Dänemark
Bei der Windenergie handelt es sich um die kinetische Energie der bewegten Luftmassen der
Atmosphäre. Sie ist eine indirekte Form der Sonnenenergie. Die Windenergie-Nutzung ist die
älteste Form Energie aus der Umwelt zu schöpfen und war bereits im Altertum bekannt.
Entstehung der Windenergie
Die ungleichmäßige Einstrahlung der Sonnenenergie auf die Erdoberfläche bewirkt eine
unterschiedliche Erwärmung der Atmosphäre, der Wasser- und der Landmassen. Dann ist eine
Seite der Erde, die Nachtseite, der Sonne abgewandt, zudem ist die solare Einstrahlung in
Äquatornähe größer als an den Polen. Schon durch die hierbei entstehenden Temperatur- und
damit auch Druckunterschiede geraten die Luftmassen zwischen der Zone um den Äquator
und den Polen und auch zwischen der Tag- und der Nachtseite der Erde in Bewegung. Die
Rotation der Erde trägt ebenfalls zur Verwirbelung der Luftmassen bei und die Schiefstellung
der Rotationsachse der Erde zur Ebene, die die Erdbahn durch das Umkreisen der Sonne
bildet, (ekliptikale Ebene) führt zu jahreszeitlichen Luftströmungen.
Es entwickeln sich Hoch- und Tiefdruckgebiete. Da die Erde sich dreht, sind die vom Hochin ein Tiefdruckgebiet fließenden Luftmassen dem Einfluss der aus der Rotation
resultierenden Corioliskraft ausgesetzt und strömen nicht geradlinig zum Ziel. Vielmehr
bilden sich auf der Nord- und Südhalbkugel Wirbel mit jeweils anderer Drehrichtung. Auf der
Nordhalbkugel strömen die Luftmassen (aus dem Weltall gesehen) gegen den Uhrzeigersinn
in ein Tiefdruckgebiet hinein und mit dem Uhrzeigersinn aus einem Hochdruckgebiet heraus.
Auf der Südhalbkugel sind die Orientierungen umgekehrt.
Zu diesen globalen Störungen kommen lokale Einflüsse hinzu, die Winde entstehen lassen.
Aufgrund der verschiedenen Wärmekapazitäten von Wasser und Land erwärmt sich das Land
tagsüber schneller als das Wasser und es weht durch die entstehenden Druckunterschiede ein
Wind vom Wasser auf das Land. Nachts kühlen die Landmassen schneller aus als das Wasser
und der Effekt kehrt sich um. Zusätzlich kann der Wind sich auf dem Wasser ungebremst
entwickeln, so dass es besonders in Küstengebieten zu regelmäßigen und starken Winden
kommt. Auch durch Bergformationen und andere lokale Ausprägungen ( z.B. Städte) kann es
zu Windströmungen kommen, die häufig verstärkt werden durch Verengungen an
Hindernissen (Düsen- oder Kapeffekte).
Die Stärke des Windes hängt in den unteren Luftschichten ganz wesentlich von den dort
vorhandenen Landschaftselementen ab. Wasser, Wiese, Wald oder Bebauung werden als
verschiedene Rauigkeiten abgebildet, die die Reibung der Luft an der Erdoberfläche
beschreibt. Dieser Effekt führt zu einer Verringerung der Windgeschwindigkeit in
Abhängigkeit von der Höhe über dem Boden.
Die kinetische Energie des Windes wächst mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit. Dies
liegt daran, dass die kinetische Energie linear mit der Luftdichte (Masse pro Volumeneinheit)
und mit der zweiten Potenz der Geschwindigkeit ansteigt aber durch die höhere
Geschwindigkeit zusätzlich auch pro Zeiteinheit mehr Masse durch eine (gedachte) ortsfeste
ruhende Fläche senkrecht zur Windrichtung fließt. Dieser Massenfluss der Luft steigt linear
mit ihrer Geschwindigkeit, was im Endeffekt zu einer Proportionalität der Windenergie zur
dritten Potenz der Windgeschwindigkeit führt. Für die kinetische Energie der Luft gilt:
Das Luftvolumen V, dass pro Zeiteinheit durch die Fläche A senkrecht zur Windrichtung
strömt ergibt sich wie folgt:
Zusammen mit den Formeln für die Dichte ρ der Luft und der Leistung P ergibt sich also für
die Leistung des Windes:
Für die kreisförmige Rotorfläche einer Windenergieanlage erhält man somit für die Leistung
des duch sie hindurchströmenden Windes folgende Formel:
Aufgrund dieses starken Anstiegs der Windenergie mit der Windgeschwindigkeit ist diese der
bestimmende Faktor bei der technischen Nutzung der Windenergie. Die Standortwahl einer
Windkraftanlage wird somit entscheidend vom lokalen Windangebot, der Rauigkeit des
Geländes und der Höhe des Rotors über Grund beeinflusst.
Winde und Windsysteme
Weltweit gibt es viele verschiedene Winde und Windsysteme, wie zum Beispiel den Föhn,
den Mistral, die Bora oder den Scirocco.
Bei einer Betrachtung der vertikalen Unterteilung der Atmosphäre ist alleine deren untere
Schicht, die Troposphäre, für eine Nutzung der Windenergie von Interesse. Von besonderer
Wichtigkeit ist die Höhe in welcher der Übergang von der Prandtlschicht (bis 20-60 m) zur
Ekmanschicht verläuft. Die zwei Schichten unterscheiden sich darin, wie sich die
Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit verändert. In der Ekmanschicht ist der
Einfluss der Rauigkeit praktisch nicht mehr vorhanden und so ist die Windgeschwindigkeit
dort gleichmäßiger und weniger durch Turbulenzen geprägt.
[Bearbeiten]
Auswirkungen des Windes auf die Umwelt
In besonderen Situationen wird die Windenergie so verstärkt, dass es zu Stürmen kommt, die
in ihrer Extremform zu großen Zerstörungen an der Natur und den von Menschen
geschaffenen Bauwerken führen. Oft sind auch direkt oder indirekt Menschen betroffen.
Diese Naturkatastrophen treten in bestimmten Gebieten der Erde jahreszeitlich bedingt und in
Kombination mit anderen Wetterfaktoren regelmäßig auf, kommen aber in Einzelfällen auch
an anderen Orten vor.
Nutzung der Windenergie
Windmühle
Windpark
Kite-Surfen
Die im Wind enthaltene Strömungsenergie kann theoretisch zu maximal 59,3 % entnommen
werden. Der Wert, der die dem Wind entnommene Leistung ins Verhältnis mit der im Wind
enthaltenen Leistung setzt, wird Betz'scher Leistungsbeiwert (cp,Betz) genannt und wurde von
Albert Betz im Jahr 1926 ermittelt (siehe Betzsches Gesetz). Anschaulich und prinzipiell ist
dieser Sachverhalt auch zu erklären: wenn der Windströmung Leistung entnommen wird,
verlangsamt sich der Wind. Da jedoch der Massenstrom gleich bleiben muss, weitet sich bei
einer frei angeströmten Windenergieanlage der Wind auf, da eben bei der langsameren
Geschwindigkeit hinter der Anlage die gleiche Menge Luft abtransportiert werden muss. Aus
eben diesem Grund ist die komplette Umwandlung der Windenergie in Rotationsenergie mit
einer Windenergieanlage nicht möglich. Ein solcher Fall würde bedeuten, dass hinter der
Windenergieanlage die Luftmassen ruhen würden.
Die Windenergie wird seit Jahrhunderten vom Menschen für seine Zwecke genutzt. Es kam
zum einen zur Nutzung des Windes zur Fortbewegung mit Segelschiffen oder Ballons. Zum
anderen wurde die Windenergie zur Verrichtung mechanischer Arbeit mit Hilfe von
Windmühlen und Wasserpumpen genutzt.
Nach der Entdeckung der Elektrizität und der Erfindung des Generators lag auch der Gedanke
der Nutzung der Windenergie zur Stromerzeugung nahe. Anfänglich wurden die Konzepte der
Windmühlen nur abgewandelt und statt der Umsetzung der kinetischen Energie des Windes in
mechanische Energie wurde über einen Generator elektrische Energie erzeugt. Mit der
Weiterentwicklung der Strömungsmechanik wurden auch die Aufbauten und Flügelformen
spezialisierter, und man spricht heute von Windenergieanlagen (WEA). Seit den Ölkrisen in
den 1970er Jahren wird weltweit verstärkt nach Alternativen zur Energieerzeugung geforscht
und damit wurde auch die Entwicklung moderner Windenergieanlagen vorangetrieben. Der
Ausdruck Windmühle ist für stromerzeugende Anlagen nicht korrekt, da sie kein Mahlwerk
besitzen.
Windenergieanlagen an Land gewinnen Energie, die etwa 1634 Volllaststunden pro Jahr
(langjähriger Mittelwert deutscher WEAs) entspricht. Aufgrund der Unstetigkeit des Windes
kann die mit Windenergieanlagen aus der Windenergie gewonnene elektrische Energie nur im
Verbund mit anderen Energiequellen für eine kontinuierliche Energiebereitstellung genutzt
werden. (Siehe auch Regelenergie)
Andererseits weht der Wind aufgrund der Sonneneinstrahlung tagsüber meist stärker als
nachts und passt sich somit auf natürliche Weise dem am Tag höheren Energiebedarf an. Die
Höhe der vorzuhaltenden Reserveleistung (Regelenergie) hängt hierbei auch von der
Vorhersagegenauigkeit des Windes, der Regelungsfähigkeit des Netzes sowie dem
Stromverbrauch ab. (weitere Informationen im Artikel Windenergieanlage.)