WindenergieBei 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 WindenergieDie 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, als 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 Hoch- in ein Tiefdruckgebiet fließenden Luftmassen dem Einfluss der aus der Rotation resultierenden Corioliskraft ausgesetzt,sie strömen deshalb 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 tagsüber durch die entstehenden Druckunterschiede ein Wind vom Wasser auf das Land. Nachts kühlen die Landmassen schneller ab als das Wasser, und der Effekt kehrt sich um. Zusätzlich kann sich der Wind über 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 , dass pro Zeiteinheit durch die Fläche senkrecht zur Windrichtung strömt, ergibt sich wie folgt:
Zusammen mit den Formeln für die Dichte der Luft und der Leistung ergibt sich also für die Leistung des Windes:
Für die kreisförmige Rotorfläche einer Windenergieanlage () erhält man somit für die Leistung des durch 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 WindsystemeWeltweit 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. Diese 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. Auswirkungen des Windes auf die UmweltIn 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 WindenergieDie 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.) Der volkswirtschaftliche und ökologische Nutzen der Windenergie ist unumstritten. Wenn man alle externen Kosten der Energieerzeugung (auch die Umweltschäden durch z. B. Schadstoffausstoss) einbezieht, ist die Windenergie neben der Wasserkraft die billigste Energiequelle. Durch die sehr schnelle energetische Amortisation (innerhalb weniger Monate) wird dies noch unterstrichen. Da die externen Kosten bei rein betriebswirtschaftlichen Betrachtungen nicht einbezogen werden, war hier die Windenergie bisher nur billiger als neue Kohle- und Atomkraftwerke und man ging davon aus, dass sie erst nach 2010 auch günstiger als Gaskraftwerke sein werde. Durch den starken Anstieg der Ölpreise und damit den daran gekoppelten Gaspreisen weisen erste Studien heute schon aus, dass selbst ohne Berücksichtigung der externen Kosten die Windenergie mit modernen Gaskraftwerken gleichzieht. Daher geht man davon aus, dass die Windenergie nach rein betriebswirtschaftlichen Gesichtspunkten schon ab 2006 die günstigste Energiequelle sein wird. Dies erklärt das stark ansteigende Interesse an Investitionen in Windenergieanlagen. Da in Strommärkten, wie z. B. Deutschland die Windenergie mit längst abgeschriebenen Kraftwerken konkurrieren muss, bedarf es für die nächsten Jahre noch des Ausgleichs durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG). Hierin werden Mindestvergütungen festgelegt, die von den Netzbetreibern an die Betreiber von Anlagen zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien zu zahlen sind. Es handelt sich im Gegensatz zur Subvention der deutschen Steinkohle nicht um eine Förderung aus der Steuerkasse, vielmehr werden die Abnehmer zu einem etwas höheren Strompreis verpflichtet. Siehe auch: Geschichte der Windenergienutzung Weitere Anwendungen
StatistikInternational sind die Länder Deutschland vor USA, Spanien, Dänemark und Indien die größten Nutzer von Windenergie zur Erzeugung von elektrischem Strom. Österreich lag Ende 2003 auf Platz 11Installierte Nennleistung international (Ende 2004)Unter den zwanzig größten Märkten sind alleine 13 europäische Länder vertreten, mit großem Abstand führend ist Deutschland. In Deutschland, Dänemark und Spanien gab es über Jahre eine durch den politischen Willen getragene gleichmäßige Entwicklung der Windenergie. Dies hat zur Entwicklung eines neuen Industriezweiges in Deutschland geführt. Deutsche Technologien (neben dänischen und spanischen Entwicklungen) wurden daher in den letzten Jahren auch verstärkt in anderen Märkten eingesetzt. Dadurch ist der Exportanteil deutscher Hersteller im Steigen begriffen - der deutsche Maschinenbau baut sich mit der Windindustrie gerade ein neues Standbein auf. Obwohl die restlichen Länder mit Ausnahme der Nr. 21 (Ägypten mit 145 MW) jeweils weniger als 100 MW installiert haben, findet man hier viele Länder, die erst in den letzten Jahren die Windenergie für sich entdeckt haben und denen in den nächsten Jahren ein starkes Wachstum prognostiziert wird. Für 2005 geht man von ca. 10.000 MW neu zu installierender Leistung weltweit aus, von denen "nur" ca. 2.000 MW in Deutschland hinzukommen.
Quelle: WINDPOWER MONTHLY 04/2005, Internet: www.windpower-monthly.com Installierte Nennleistung in Deutschland (Ende 2004)(Weitere Statisiken unter Windenergieanlagenhersteller und Windenergieanlage (WEA).)Installierte Leistung in Deutschland nach Bundesländern
Quelle: Deutsches Windenergie-Institut, Stand: 31. Dezember 2004 Installierte Nennleistung in Österreich (Ende 2004)In Österreich sind derzeit 424 Windenergieanlagen mit einer Leistung von 606 Megawatt am Netz (Stand Ende 2004). Dies entspricht in etwa dem Verbrauch von 350.000 Durchschnittshaushalten. Die Schwerpunkte der österreichischen Windenergienutzung liegen in Niederösterreich und Burgenland. In der Steiermark wurde 2002 in Oberzeiring der weltweit höchste Windpark auf einer Meereshöhe von 1900 m NN errichtet. Er umfasst derzeit 11 Anlagen mit einer Gesamtleistung von 19.25 MW.
Quelle: IG Windkraft Österreich siehe: Liste der Kraftwerke#Windkraft Installierte Nennleistung in Frankreich (Ende 2003)
Quelle: Deutsches Windenergie-Institut - DEWI Literatur
Weblinks
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