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Windkraft                                                                                                                                                                                                                  Prädikat „Ausgewählter Ort 2011“  Projektmarke „365 Orte im Land der Ideen."       

 

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Der Aufbau unserer Windkraftanlage

von Carina Busch, Sonja Hendriks und Christine Letschert

Am 17. Januar 2001 wurde das nun schon seit längerem geplante Projekt Windkraftanlage praktisch in Angriff genommen. Fast der ganze Kurs war bereit, an diesem eigentlich unterrichtsfreien Tag mit anzupacken.

Bevor wir mit dem Aufbau der Windkraftanlage begannen, teilten wir die verschiedenen Arbeiten untereinander auf. Herr Tyssen hatte eine Woche zuvor aus Kleve mit Hilfe eines Anhängers das sechs Meter lange Mastrohr mitgebracht. Die in Kleve ansässige Schlosserei Herbert Korgel (http://www.mon.de/nr/korgel) hatte uns dankenswerterweise das Gestänge zum Selbstkostenpreis hergestellt.

Die erste Gruppe befasste sich mit dem Aufbau eines Schuppens, in dem die Ladestation untergebracht wird. Die nächste Gruppe machte sich den Aufbau des Gerüstes zur Errichtung des galvanisierten Mastrohres zueigen, während eine dritte Gruppe beim Aufbau des Pfahles half und die Windkraftanlage mit Hilfe von Stahlseilen und Pflöcken absicherte.

Um 10 Uhr trafen wir uns dann in unserem Schulgarten. Dort begann die eine Gruppe nun direkt mit dem Aufbau des Gerüsts,

während die zweite Gruppe sofort mit dem Aufbau des Schuppens begann.

Dies geschah auf einer bereits betonierten Fläche, die Schüler des Jahrganges 9 an ihrem Projekttag angelegt hatten. Sobald das Gerüst fest auf dem Boden stand, begann die dritte Gruppe Wasser aus dem „Trog" herauszuholen.

Bedingt durch die lange Standzeit hatte sich dieses dort angesammelt. Mit Rat und Tat unterstützte uns Herr Grubert, für den dies schon die vierte selbsterrichtete Windkraftanlage ist. Dann ging es an die Errichtung des Mastrohres.

Zur Stabilisierung wurden Abspannseile gefertigt und am Rohr angebracht.

 Währenddessen war der Bau des Schuppens in vollem Gange, auch wenn man am Anfang ein paar Schwierigkeiten mit dem Ausbalancieren hatte.

Nachdem aber auch diese Probleme mit ein paar Stückchen Holz erledigt waren, steht der Schuppen heute fest und vor allem gerade auf dem richtigen Fleck.

Anschließend wurde der Betonsockel mit viel Beton aufgefüllt.

 

Der Rutland Windlader FM1803

Dieses Rutland Windlader Model, FM 1803 bietet einen zweckmäßig designten, drei Phasen Wechselstromerzeuger. Die Anlage umfasst eine zwei - Flügel - Turbine, einen Generator, einen Heckflügel und einen Voltmeter mit eingebautem Lade - und Polungsanzeiger. Die Ausgeglichenheit des Systems besteht aus einem Hochturm mit einer Mindesthöhe von 6,5 Metern. Dies ist allerdings von den Umgebungsbedingungen abhängig. Weiterhin ist eine Batteriebank mit einer starken Wechselstromperiode Bleisäure - oder eine Nickel - Cadmium Batterie mit einer Minimalleistung von 300 Amperestunden und 12 V nötigt. Ein elektrisches Kabel dient für Übertragungsdistanzen. Ein Adapter gemäß den Leistungsanforderungen wird benötigt. Die Benutzung eines galvanisierten Rohr mit einer Mindesthöhe von 6,5m (je nach Bedarf) ist empfehlenswert. Außerdem muss dieses Rohr von mindestens zwei Sätzen von vier Halteseilen gestützt werden. Die Fixierpunkte für die Halteseile zum Turm sollen fest an diesem angebracht werden. Sämtliche Befestigungen am Boden müssen dem Untergrund angepasst sein. Dieses Windlader Model besitzt eine automatische Operationskontrolle. Dies beinhaltet eine Batterieüberladungssicherung, einen Transformator, einen manuellen Unterbrechungsschalter, einen Ladestromanzeiger und einen Batterievoltmeter.

Diese Windkraftanlage, die wir auf unserem Schulgelände aufgebaut haben, dient zur Bewässerung unseres Biohauses. D.h. die Windkraftanlage betreibt die Wasserpumpe.

 

Windenergie

Es gibt Vermutungen, dass die Anfänge der Windenergie bis in das zweite Jahrhundert v. Chr. zurückreichen. Damals verwendete man die erzeugte Energie für das Antreiben von Schöpfrädern, für die Be- und Entwässerung von Feldern.

Im persischen Raum sind sie ältesten zuverlässig nachgewiesenen Windmühlen zu finden, die dort hauptsächlich für Getreidemühlen Energie produzieren.

In Europa sind seit dem 12. Jh. Windmühlen nachweisbar. Heutzutage ist die Erzeugung und die Verwendung von Energie durch Wind schon weit verbreitet und fortgeschritten, trotzdem stellt sich die Frage, wie dieser Vorgang vonstatten geht. Natürlich kann ohne den Hauptfaktor, von dem letztendlich alles abhängt nichts funktionieren, dem Wind!

Die Entstehung von Wind, genauer gesagt von Luftströmen hängt hauptsächlich von der Sonne ab. Die Sonne erwärmt die Erdoberfläche, wobei erwärmte Luft nach oben steigt. Nun erwärmt sich die Luft über dem Kontinent schneller als über dem Wasser, was zur Folge hat, dass die Luft über dem Kontinent schneller nach oben steigt, als die über dem Wasser, so dass der Luft Freiraum der so geschaffen wird von der noch kühleren Meeresluft in Anspruch genommen wird. Dadurch entsteht Wind. Doch dieser Vorgang kann auch andersherum vonstatten gehen. Dazu muß die Luft über dem Wasser wärmer sein als über dem Kontinent, welches in der Nacht der Fall ist. Da die Luft über dem Kontinent schneller abkühlt als über dem Wasser dreht sich das Verfahren, welches tagsüber abläuft, um. Da die Erde von der Sonne durch die Erdkrümmung unterschiedlich erwärmt wird, entstehen Druckzustände, die durch den Wind ausgeglichen werden. Dabei strömt die Luft grundsätzlich aus dem Hochdruckgebiet in das Tiefdruckgebiet. Doch auch andere Faktoren, wie die Beschaffenheit der Landesoberfläche und auch Gebäude, beeinträchtigen den Strömungsverlauf. Wind strömt nie gleichmäßig, auch wenn die Stetigkeit der Strömung mit der Höhe zunimmt.

Deutschland ist in drei Windzonen eingeteilt, womit die Brauchbarkeit von Windkraftanlagen in verschiedenen Gebieten gegliedert ist. Zone 1 ist günstig für den Betrieb von größeren Windkraftanlagen, da in einer Höhe von 10 und 150 Metern eine Windgeschwindigkeit mit mehr als 5 m/s herrscht. Dieser Wert entspricht der Windstärke 4. Zone 1 befindet sich an der Nord - und Ostseeküste, aber auch in der westlichen Eifel, der Rhön und im Hochschwarzwald. Zone 2 ist für die Nutzung von Windkraftanlagen nur bedingt geeignet, da die Windgeschwindigkeiten in 10 Metern Höhe zwischen 1 und 5 m/s liegt. Dieser Wert entspricht ungefähr der Windstärke 3. Die Zone 2 befindet sich im Bereich der Norddeutschen Tiefebene. Aber auch Schleswig - Holstein und Mecklenburg - Vorpommern, das Mittelgebirge, der Schwarzwald und die Schwäbische Alb befinden sich in 2. Zone. Die dritte Zone ist für den Betrieb von größeren Windkraftanlagen ungünstig, weil in einer Höhe von 10 und 150 Metern die jährliche Anzahl der Flautestunden bei über 20% liegt. Das sind mehr als 1752 Stunden pro Jahr. In 10 Metern Höhe beträgt die Windgeschwindigkeit im Durchschnitt weniger als 3,3 m/s; was Windstärke 2 bedeutet. Für die Erzeugung von Windenergie ist aber nicht nur der Wind wichtig, sondern natürlich auch die Windkraftanlage selber. Dabei spielt das Windrad die wichtigste Rolle, weil es der Energieumwandler ist. Dies bedeutet, dass aus strömender Luft ein Teil der enthaltenen kinetischen Energie (Bewegungsenergie) von dem Energieumwandler entnommen und in Rotationsenergie umgewandelt wird. Mit dieser Energie lassen sich unterschiedliche Maschinen betreiben. Es gibt zwei verschiedene Bauformen von Windrädern. Zum Einen gibt es Windräder mit waagerecht angeordneter Welle ( horizontale Achse) und zum anderen gibt es Windräder mit senkrechter Welle ( vertikale Achse ).

die zwei Bauformen von Windrädern

Heutzutage werden für die Erzeugung von Strom Windräder mit horizontaler Achse verwendet. Diese besitzen drei Rotorblätter ( Windradblätter) und ermöglichen eine optimale Produktion.

Nun besteht aber eine Windkraftanlage, die zur Stromerzeugung dient aus drei wesentlichen Bausteinen, dem Windrotor, dem Getriebe und dem Generator, doch auch eine Turmkonstruktion und eine Steuerung der Anlage die aber auch zur Aufnahme und Speicherung der erzeugten elektrischen Energie dient. Die Leistung, die eine Windkraftanlage erbringt, hängt zuerst von der Windgeschwindigkeit ab, die am Standort herrscht, d.h. also auch dass die Turmhöhe die Leistung bestimmt, da die Windgeschwindigkeit mit der Höhe zunimmt. Des weiteren bestimmen Flügelkreisfläche ( eine Verdoppelung der Flügelkreisfläche bedeutet gleichzeitig eine Verdoppelung der Leistung) und die Generatorgröße ( die installierte Generatorleistung muss auf das Gesamtkonzept abgestimmt sein) die Leistung.

Schema eines Horizontalachskonverters

Die erzeugte Energie einer Windkraftanlage lässt sich zum Antrieb von mechanischen Wasser-, Öl- oder Luftpumpen, Elektrogeneratoren, mechanischen Wärmequirlen und mechanischen Wärmepumpen nutzen. Es ist aber auch möglich die elektrische Energie zu speichern, wobei auf der einen Seite Verluste entstehen, aber auf der anderen Seite diese in Kauf genommen werden können, da eine ständige Übereinstimmung zwischen Energieangebot und Energiebedarf nicht vorhanden ist.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten vorhandene Energie zu speichern. Zunächst lässt sich Energie über ein Medium in Form potentieller Energie speichern, z.B. als Wasserreservoir in einem Wasserturm oder als Druckluft im Kompressorbehälter. Es kann aber auch der vom Generator erzeugte Strom als elektrische Energie in eine Batterie ( Akku ) gesammelt werden. Die dritte Möglichkeit ist die Umwandlung der Rotationsenergie in Wärmeenergie. Dazu ist ein mechanischer Quirl nötig, der durch Widerstandsreibung Wasser erhitzt, so dass er als Wärmespeicher dient. Als letzte Möglichkeit treibt die Welle der Windkraftanlage eine mechanische Wärmepumpe an. Diese Bewegungsenergie lässt sich, über ein verdampftes Kältemittel, in Wärmeenergie übertragen. Sie kann in verschiedener Form gespeichert oder direkt genutzt werden kann.

Nutzungsmöglichkeiten moderner Windkraftanlagen

Es gibt zwei Betriebsarten, die erzeugte elektrische Energie zu nutzen: Im Inselbetrieb oder im Verbundbetrieb. Inselbetrieb bedeutet, dass keine Verbindung zum Netzt der öffentlichen Stromversorgung besteht, wie zum Beispiel bei abgelegenen Häusern in wenig besiedelten Landstrichen. Falls bei dieser Betriebsart Vollversorgung gewährleistet sein soll, ms neben dem Windgenerator ein zusätzliches Stromaggregat vorhanden sein. Beim Verbundbetrieb sind im Gegensatz zum Inselbetrieb die Windgeneratoren an das öffentliche Stromversorgungsnetz angeschlossen. Die notwendigen Regelungs- und Sicherheitsmaßnahmen beanspruchen bei dieser Betriebsart hohe Investitionen und sie lohnt sich erst für Anlagen ab mittlerer Leistung. So liefern zum Beispiel Windenergieparks den produzierten Strom über Verbundschaltungen in das öffentliche Netz.

„Strom aus Wind": Windenergiepark Krummhorn

Der Netzparallelbetrieb ist auch eine Form des Verbundbetriebes. Der Windgenerator, der in diesem Fall einen privaten Betreiber oder einer Kommune gehört, ist an das Stromnetz des regionalen Energieversorgungsunternehmen ( EVU ) angeschlossen. Die erzeugte Energie kann vom Betreiber selbst genutzt werden. Wobei die überschüssige Energie jedoch gegen Vergütung in das EVU- Netz eingespeist wird. Sollte die Anlage ausfallen oder zuwenig Energie erzeugen, erfolgt die Stromversorgung des Betreibers automatisch, gegen Berechnung, aus dem öffentlichen Netz. Bei dieser Betriebsweise sind besondere Messeinrichtungen nötig und es müssen zwischen dem Betrieb des Windgenerators und dem EVU vertragliche Vereinbarungen bestehen.

Netzparallelbetrieb

 

Gefahren für die Umgebung

Es kommt auch bei typgeprüften Windkraftanlagen vor, dass ein Rotorblatt abreißt. Es lässt sich nicht vorhersehen, welche Flugbahn ein solches Rotorblatt einnimmt aber es ist zu vermuten, dass es in einer physikalisch definierten Wurfbahn bleibt. Deshalb ist die Gefahr, dass ein herumfliegendes Rotorteil in Freilandstandorten von Windkraftanlagen, einen Menschen trifft sehr gering. Auch Vögel sind in diesem Fall nicht extrem gefährdet, da durch Beobachtungen klar wurde, dass diese in der Lage sind die Rotorblätter als Hindernis wahrzunehmen und ihnen auszuweichen.

Andere Arten von Energieerzeugungssystemen haben im Vergleich zu einer Windkraftanlage ein viel höheres Risiko.

Man sollte jedoch beachten, dass Windkraftanlagen nicht geräuschfrei arbeiten. Die Lautstärke, die eine Windkraftanlage erzeugt, hängt jedoch von den Konstruktionsmerkmalen ab. Die Geräusche können zwar durch bestimmte Maßnahmen unterdrückt werden. Sie können jedoch nicht ganz vermieden werden.

Anschaffungs- und Betriebskosten

Bei der Anschaffung einer Windkraftanlage fallen zwei Arten von Kosten an: die Anschaffungskosten ( Investitionen ) und die Betriebskosten. Die Anschaffungskosten bestehen aus dem Kaufpreis, Planung, Genehmigung, Geländeerschließung, Fundamentherstellung und Netzanschluss. Zu den Betriebskosten zählen Aufwendung für Wartung, Reparaturen, Versicherung und Kapitaldienst ( z.B. Zinsen).

Diese umweltfreundliche, regenerative Energieform wird schon in nächster Zukunft Wasser aus dem Boden fördern und zur Berieselung des Schulgartens zur Verfügung stellen. Das ist vor allem wichtig für die lange Zeit in den Sommerferien.  

unsere Windkraftanlage läuft

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Stand: 10. Februar 2012