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Windenergie - 3.Version - Referat
Inhaltsverzeichnis
Was ist Windenergie ?
Geschichte der Windenergie
Anlagearten
Physikalische Grundlagen
Wind zu Strom
Vor- Nachteile der Windenergie
Potential von Windenergie
Quellen
Was ist Windenergie ?
Die Windenergie oder auch Windkraft ist eine erneuerbare Energiequelle. Dabei wird die Bewegungsenergie (Kinetische Energie) von Wind, also bewegte Luftmasse, technisch genutzt und in elektrische Energie gewandelt. Die Windenergie ist eine indirekte Form der Sonnenenergie und zählt deshalb zu den erneuerbaren Energien.
Windenergieanlagen sind besonders wichtig und Interessant da sie in allen Klimazonen, auf See und allen Landstandorten zur Stromerzeugung eingesetzt werden können. Daher wird häufig nur zwischen der Windenergienutzung an Land (onshore) sowie der Nutzung auf See (offshore) unterschieden. Bisher ist vor allem die Windenergie an Land von Bedeutung, während die Offshore-Windenergie global gesehen mit einem Anteil von 2,8 % nur einen kleinen Teil leistet.
Windenergieanlagen erzeugen Strom, weil die Bewegungsenergie des Windes auf die Rotorblätter wirkt und auch durch die unterschiedliche Erwärmung der Luftschichten und der daraus resultierenden Temperatur- und Druckunterschied zwischen den kälteren und wärmeren Luftschichten geraten Luftschichten in Bewegung um die Rotoren der Anlage in eine Drehbewegung zu versetzt. Diese Rotationsenergie leitet der Rotor an einen Generator weiter, welcher daraus elektrischen Strom erzeugt. Dieser wird dann in das Stromnetz eingespeist.
Die Windenergie gilt aufgrund der Verfügbarkeit, niedrigen Kosten sowie technologischen Entwicklungsstandes als vielversprechendste regenerative Energiequelle. Hinzu kommt das die Anzahl der Staaten welche sich intensiv mit Windenergie beschäftigen und diese nutzen stätig wächst. 2030 sollen 20% des gesamten Strombedarfes allein durch Windenergie gedeckt werden.
Geschichte der Windenergie
Die Windenergie wird seit Jahrtausenden vom Menschen für seine Zwecke genutzt und ist eine der ältesten vom Menschen genutzten Energieformen. Schon im Altertum wurde die Windenergie zur Fortbewegung genutzt und auch einige Jahrhunderte später nutzen Menschen Windenergie zur Verrichtung von mechanischer Arbeit mit Hilfe von Windmühlen wie zum Beispiel mit Mahlen von Getreide.
Nach der Entdeckung der Elektrizität und der Erfindung des Generators um 1830 herrum lag die Nutzung der Windenergie zur Stromerzeugung nahe.
Die zunächst noch sehr ineffizient war jedoch brachte die Elektrifizierung im 19. Jahrhundert weitere Fortschritte und Anwendungsmöglichkeiten die sich sehr auf die Windmühlen auswirkte so wurde als erster großer Industrialisierungsschritt ein windgetriebener Generator auf der „Nansens Fram-Expedition (1893-1896)“ eingesetzt.
Anlagearten
Zunächst gibt es 2 verschiedene Anlagearten 1. Offshore 2. Onshore.
„shore“ steht für Küste demnach sind die Offshore anlange außerhalb der Küste also auf dem Meer und die Onshore anlagen auf dem Land.
1. Offshore: Offshore Anlagen stehen im Meer und haben den Vorteil das sie permanent laufen können, da auf dem Meer immer ein Wind bläst und man nicht wie auf dem Land bei den Onshore anlagen bei für Onshore Anlagen schlechtes Wetter diese nicht nutzen kann und somit theoretische Leistung verliert.
2. Onshore-Anlagen: Anlagen die auf dem Land stehen. Sie sind abhängig von den Winden, die übers Land ziehen (Wetterverhältnisse).
Deshalb ist die Standortwahl sehr wichtig. So ist es z.B. günstig, den Aufwind an Berghängen auszunutzen.
Physikalische Grundlagen
Die Wandlung der kinetischen Energie des Windes in elektrische Energie ist aktuell kein sehr effizienter Vorgang, da es sehr viele Verluste gibt und man rein physikalisch maximal 59% der Leistung wirklich entnehmen und dann verliert man noch ca. weitere 5% durch Sachen wie Reibung und „Verwirbelungen am Rotorblatt“ hinzu und weitere 10% durch Reibung in den Lagern und am Getriebe sowie beim Generator selbst.
Klären wir zunächst was kinetische Energie ist:
„Jede bewegte Masse m (Körper, Flüssigkeit oder Gas) enthält kinetische Energie EKin. Sie ist gleich der Hälfte der Masse des Körpers mal dem Quadrat der Geschwindigkeit v:
Für Windkraftanlagen ist die bewegte Masse die Luft, die durch die Rotorfläche strömt.“
(Zitat aus dem Lehrvideo Kinetische Energie von TheSimplePhysics)
Kommen wir nun zu Energie und Leistung hierbei beginnen wir mit der Berechnung des Massenstroms auch Massendurchsatz genannt, eine kleine Erläuterung was das genau bedeutet:
„ Unter einem Massenstrom versteht man die Masse eines Mediums, das sich pro Zeitspanne durch einen Querschnitt bewegt.
Der Massenstrom wird in Kilogramm je Sekunde angegeben, auch je Minute oder Stunde bei langsamem Fluss.“
(Zitat von wikipedia.org/wiki/Massenstrom)
Und zwar wird errechnet wie viel Massenstrom in einer bestimmten Zeit durch die Rotorfläche eines Windrades strömt, dies funktioniert mit folgender Formel
„Die Leistung P ist gleich der Energie E pro Zeiteinheit. Somit ergibt sich für die Leistung des Windes:
Da der Luftdurchsatz proportional und die Energie des Windes vom Quadrat der Windgeschwindigkeit abhängig ist, ist die Leistung des Windes von der dritten Potenz der Geschwindigkeit abhängig.
Somit ist der entscheidende Faktor für die Leistung des Windes seine Geschwindigkeit.
Nimmt die Windgeschwindigkeit um das 3 fache zu, so wird die Leistung um 3x3x3 = 27 Mal größer.
Die Dichte der Luft hat einen linearen Einfluss auf die Leistung. Kalte Luft ist dichter als warme Luft, somit liefert eine Windkraftanlage bei gleicher Windgeschwindigkeit z.B. bei -10°C ca. 11% mehr Energie als bei +20°C. Da die Dichte der Luft auch vom Umgebungsdruck abhängig ist, haben Hoch- und Tiefdruckgebiete sowie die Höhenlage des Standorts einen Einfluss auf den Ertrag eines Windrades.“
(Zitat von der Seite leifiphysik.de)
Wind zu Strom
Zunächst muss man sagen die Leistung eines Windrads nie direkt zusagen ist da es einmal die elektrische Nennleistung gibt die aussagt wie viel Energie ein Windrad ca. leisten kann, jedoch ist der tatsächlich am Standort erzielte Leistungsbetrag abhängig von vielen Faktoren wie z.B. Aufbau der Landschaft, Wetter, Windstärke und Windrichtung. Jedoch ist es essenziell die Berechnung und Planung so genau wie möglich durchzuführen um mögliche Verluste und fehl Investitionen zu vermeiden.
Im Folgenden Zitat ist die genaue Berechnung der elektrischen Leistung zu sehen:
„Die in elektrische Leistung umsetzbare Leistung aus dem Windangebot lässt sich aus dem kinetischen Leistungsangebot des Massenstroms der Luft errechnen, multipliziert mit dem Wirkungsgrad nach Betz , aus den Strömungsverlusten (Reibungsanteil in den Navier-Stokes-Gleichungen) sowie dem mechanischen (Reibungsverluste im Getriebe und den Lagern des Konverters) und elektrischen Wirkungsgrad des Systems :
(https://upload.wikimedia.org/math/a/c/4/ac4aed9c3b965c792871af859659a2b7.png)
Die Formelzeichen bedeuten:
η: Wirkungsgrade, Beschreibung siehe oben
A: Querschnittsfläche des Rotors in m²
ρ: Dichte der Luft in kg/m³
ṁ: Massenstrom der Luft in kg/s (ṁ=ρ•A•v)
v: mittlere Geschwindigkeit der Luft in m/s
P: Leistung des Konverters in Watt“
(Zitat aus dem Wikipedia Beitrag zur Windenergie Abschnitt: Physikalische Grundlagen)
Vor- Nachteile der Windenergie
Die Vorteile der Nutzung von Windenergie liegen auf der Hand. Wind ist kostenlos, permanent und reichlich zu haben. Vor allem wie rohstoffarme Länder wie Deutschland bedeutet das zusätzlichen Verzicht auf Importe.
Des Weiteren benötigt man nicht viel Fläche bzw. die tatsächlich verbrauchte Fläche hält sich in grenzen und vor allem rentiert sich eine Windkraftanlage schon nach 4-5 Monaten.
Die wohl größten und auch Interessantesten Vorteile sind das keine fossilen Brennstoffe verwendet werden demnach die Umwelt nicht geschädigt wird die also die CO2 Emission senken und die nutzende Energieressource nicht schwindet.
Der wichtigste punkt welchen ich auch schon bei der Frage was ist Windenergie genannt habe das es keine wirklichen Abhängigkeiten gibt das man Windenergieanlagen in jeder Klimazoen, auf dem Meer und in allen Landzonen nutzen kann.
Die Nachteile der Nutzung von Windkraft sind leider nicht von der Hand zu weisen es gibt jedoch 2 Arten von Nachteilen zum einen welche, die die Nutzung betreffen und welche die unsere Natur und vor allem das Ökosystem stören.
Die Nachteile welche die Nutzung betreffen sind Umweltverhältnisse zunächst welche die nicht wirklich relevant sind wie Lärmbelästigung durch die Generatoren und der Rotorblätter welche jedoch nur die Anwohner betreffen aber da die meisten Windräder nicht in der Nähe von Häusern bzw. Wohnorten stehen ist es nur ein sehr geringer Anteil und da auch diese Probleme behoben werden wollen sind Generatoren und Rotorblätter stetig in einem Entwicklungsprozess um verbessert zu werden.
Ein weiterer Nachteil betrifft die Energiegewinnung da der Wind nie gleich ist und immer Unregelmäßigkeiten auftreten kann man mit Windenergieanlagen gewonnen Strom nie allein nutzen sondern nur im Verbund mit anderen Energiequellen wobei auch dieses Problem sich stetig weiter Entwickelt. In Mexiko wurde im Jahr 2013 40% des gesamten Staates für 20h mit Windenergie betrieben was erstmals ein riesen Erfolg war. Zudem kommt der Nutzungsgrad von Windrädern denn dieser liegt aktuell nur bei 35% der verfügbaren Energie Verluste entstehen bei dem Rotor(ca. 60%), Getriebe (ca. 4%) und Generatoren (ca. 7%).
Die Nachteile die der Umwelt und unserem Ökosystem schaden sind das zum Beispiel die Windräder die die Nordsee verschmutzten was aus einem Bericht vom „Spiegel“ vom 29.02.2015 hervorgeht wo es um das Thema Verschmutzung durch z.B. Rostschutz,
oder auch durch Unterwasserliegenden Teile der Windräder die sich nach und nach Auflösen und allein bei den aktuellen Ausbauzielen die wir bis 2020 haben könnten weitere 13.000 Tonnen Aluminium zur Umweltbelastung für Nord- und Ostsee hinzukommen, allein für die Rostschutz der Stahltürme auf denen die Offshore Windräder stehen geben in ihren 25 Jahren Lebensdauer bis zu 10 Tonnen Aluminium in das Seewasser ab.
Zudem wird die Unterwasserflora der Fische und auch bei Onshore anlagen Natur und auch Tierreiche zerstört um Platz zu schaffen.
Potential von Windenergie
Das Potential was man theoretisch in der Windenergie sieht nimmt unermessliche Ausmaße an um kurz ein Beispiel zu nennen damit man die nachfolgenden Aussagen in Relation setzen kann der Weltprimärenergiebedarf liegt bei 18 Terawatt
(Quelle: Wikipedia.org/wiki/Windenergie)
und das theoretische Potential liegt bei über 400 Terawatt Leistung wenn dazu noch gewisse Winde genutzt werden würden könnte man ein Theoretisches Potenzial von 1800 Terawatt erreichen was ca. das 100-fache des derzeitigen Weltenergiebedarfs ist.
Quellen:
http://strom-report.de/windenergie/
https://de.wikipedia.org/wiki/Windenergie
http://www.welt.de/wirtschaft/energie/specials/wind/article8780757/So-erzeugen-Windkraftanlagen-Strom-aus-Wind.html
http://windmonitor.iwes.fraunhofer.de/opencms/export/sites/windmonitor/img/Windenergie_Report_2014.pdf
Windenergie:
https://www.youtube.com/watch?v=NP0JSOuAFMs
Windenergie: Wie wird aus Wind Strom erzeugt?:
https://www.youtube.com/watch?v=VE4K36kneJE
Die Geschichte der Windenergie:
https://www.youtube.com/watch?v=wxWjusO7b7U
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