Windenergie

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Grundsätzliches

Weshalb liefert ein Windrad Energie, während ein Wasserrad, das man in einen Flusslauf einbringt, so gut wie keine Energie liefert, wobei sich doch beide Medien - Luft und Wasser - bewegen. Beim Windrad kann man die in dieser Bewegung steckende Energie nutzen, beim Wasserrad nicht.
Das liegt daran, dass Luft sich komprimieren lässt und Wassr nicht. Die auf ein Windrad treffende Luft hat vor dem Auftreffen eine größere kinetische Energie als danach. Da aber genauso viel Luft abtransportiert werden muss, wie auftrifft, kann das nur funktionieren, wenn die Dichte der Luft nach Verlassen der vom Windrad überstrichenen Fläche größer ist als davor.
Da Wasser nicht komprimierbar ist, ist die kinetische Energie vor dem Auftreffen auf das Wasserrad genauso groß wie danach. So beschränkt sich der Energiegewinn bei Wasserrädern auf die Höhendifferenz des Wassers vor und nach dem Auftreffen auf das Wasserrad. Beim Windrad wird also Bewegungsenergie genutzt, beim Wasserrad Höhenenergie.
Da auch die Luft nach dem Verlassen der Windradfläche noch Bewegungsenergie besitzt, kann auch beim Windrad die Bewegungsenergie nicht zu 100 % genutzt werden. Der maximal erreichbare, also theoretische Wert liegt bei ca. 57%.
Die erreichbare Leistung hängt wesentlich von folgenden Faktoren ab: der Dichte der Luft, die jedoch weltweit etwa dieselbe ist, der vom Windrad überstrichenen Fläche und von der Windgeschwindigkeit. Die entscheidende Größe ist die Windgeschwindigkeit. Denn diese Größe geht in der dritten Potenz in die Rechnung ein, was heißt, dass eine Verdopplung der Windgeschwindigkeit eine Leistungssteigerung auf das 8-fache bewirkt. Es gibt verschiedene Arten, dieses Potential zu nutzen.

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Widerstandsprinzip

Die guten alten Windmühlen wurden nach dem Widerstandsprinzip angetrieben. Relativ großflächige Windschaufeln stellen sich dem Wind entgegen und werden durch den hohen Druck angetrieben. Die größte Verbreitung fand diese Art von Windkraftanlage beim Pumpen von Wasser. Jeder hat diese Windräder in Western Filmen gesehen. Erst als auch in die entferntesten Gebiete die Elektrizität vordrang, begann das große Sterben dieser Windräder. Der Wirkungsgrad derartiger Konstruktionen beträgt etwa 20%.

Auftriebsprinzip

Mit dem Bau von Flugzeugen erkannte man, dass asymmetrisch geformte Flügel auf Grund des Druckunterschieds auf den beiden Seiten des Flügels einen Auftrieb erfahren. Die Rotorblätter sind letzlich nichts anderes als lange Flügel. Da auf Grund der aus diesem Auftrieb resultierenden Drehbewegung Geschwindigkeiten senkrecht zur Windrichtung entstehen, sind die Flügel in sich leicht verdreht. Die Rotorblätter sind verstellbar montiert und können so optimal an die jeweilige Windgeschwindigkeit angepasst werden.
Wie oben erwähnt spielen Windgeschwindigkeit und Fläche die entscheidende Rolle bei der Energieausbeute. Da Windenergieanlagen erst ab Windgeschwindigkeiten von ca. 5 m/s ökonomisch arbeiten, kommen in Deutschland nur relativ wenig Gebiete in Frage, für die das Aufstellen solcher Anlagen rentabel ist. Süddeutschland ist unter diesen Bedingungen kaum geeignet. Am meisten Wind gibt es vor und an der Küste, in der norddeutschen Tiefebene und auf den Erhebungen der Mittelgebirge.
Besonders deutlich wird der Einfluss der Windgeschwindigkeit, wenn man einen sehr windarmen Standort mit einem windstarken Standort vergleicht. Die Ausbeute in Oberstdorf bei einer durchschnittlichen Windgeschwindigkeit von 1 m/s ist wesentlich kleiner als die Ausbeute auf der Insel Sylt mit der dortigen durchschnittlichen Windgeschwindigkeit von 6 m/s. Ein- und dieselbe Windkraftanlage würde auf Sylt den 216-fachen Ertrag liefern!! An zwei windigen Tagen auf Sylt ist die Energieausbeute größer als in Oberstdorf in einem ganzen Jahr. Damit ist klar, wo Windkraftanlagen gebaut werden.
Da der Wind in größeren Höhen stärker und kontinuierlicher weht als in Bodennähe, kommen nur Windanlagen mit hohen Masten in Frage. In der Zwischenzeit ist man bei Windanlagen angelangt, die 2 MW und mehr leisten. Der Durchmesser der von den Rotorblättern überstrichenenen Fläche beträgt dann bereits mehr als 70 m. Derartige Windkraftanlagen erreichen Wirkungsgrade von 48%.

Andere Windradtypen

Neben den oben erwähnten Windkraftanlagen mit waagrecht liegender Achse gibt es auch noch Windkraftanlagen, deren Achsen senkrecht stehen. Sie gibt es in verschiedenen Ausführungen: den Savoniusrotor, den Darieusrotor und den H-Rotor. Sie erreichen Wirkungsgrade von 15% bis zu 40%. Sie könnten ihren Einsatz dort finden, wo Strom für ein örtliches Projekt und nicht für das Einspeisen in ein Netz erzeugt werden muss.

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Fazit

Windkraftanlagen werden bei der Stromerzeugung eine bedeutende Rolle spielen, errichten wird man sie jedoch nur dort, wo die Windgeschwindigkeiten für eine wirtschaftliche Nutzung groß genug sind. Dort wird man sie dann im Verbund als sogenannte Windparks bauen. Die Amortisationszeit liegt bei ca. 10 Jahren.

Als alternative Stromerzeugung für den Privatmann werden sich Windkraftanlagen wohl nicht flächendeckend durchsetzen. Dies verbietet allein schon die Geräuschentwicklung, die bei der Rotordrehung entsteht. In Frage kämen nur die relativ leisen H-Rotoren.

Die einzige Möglichkeit, um auch schwächeren Wind besser nutzen zu können, besteht darin, Gebäude so anzuordnen, dass ein Trichter entsteht, der den Wind wie in einer Düse auf das Windrad lenkt. In Bahrain - am persischen Golf - ist man dabei, ein Gebäude zu errichten, das diese Idee umsetzt.

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