Vielleicht haben Sie sie beim Fahren durch die Landschaft gesehen. Oder vielleicht haben Sie sie direkt vor der Küste gesehen, die mit ihren sich drehenden Klingen groß am Horizont aufragten. Andererseits haben Sie sie vielleicht schon auf dem Dach von jemandem gesehen oder als Teil einer kleinen städtischen Aktion. Unabhängig vom Standort werden Windkraftanlagen und Windkraft in der modernen Welt immer häufiger verwendet.
Vieles davon hat mit der Bedrohung durch den Klimawandel, der Luftverschmutzung und dem Wunsch zu tun, die Menschheit von der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu entwöhnen. Und bei alternativen und erneuerbaren Energien soll die Windkraft künftig den zweitgrößten Marktanteil (nach der Solarenergie) einnehmen. Aber wie genau funktionieren Windkraftanlagen?
Beschreibung:
Luftturbinen sind Geräte, die die kinetische Energie des Windes und Änderungen des Luftstroms in elektrische Energie umwandeln. Im Allgemeinen bestehen sie aus den folgenden Komponenten: einem Rotor, einem Generator und einer strukturellen Stützkomponente (die entweder die Form eines Turms, eines Rotor-Giermechanismus oder beides haben kann).
Das Ames Research Center der NASA und das National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums testen im April 2000 eine Forschungswindturbine im größten Windkanal der Welt. Bildnachweis: NASA
Ein Rotor besteht aus den Blättern, die die Windenergie aufnehmen, und einer Welle, die die Windenergie in langsame Rotationsenergie umwandelt. Der Generator – der mit der Welle verbunden ist – wandelt die langsame Rotation in elektrische Energie um, indem er eine Reihe von Magneten und einen Leiter (der normalerweise aus gewickeltem Kupferdraht besteht) verwendet.
Wenn sich die Magnete mit dem Kupferdraht drehen, erzeugen sie einen Unterschied im elektrischen Potenzial, wodurch Spannung und elektrischer Strom erzeugt werden. Schließlich gibt es die strukturelle Stützkomponente, die dafür sorgt, dass die Turbine entweder in ausreichender Höhe steht, um Winddruckänderungen optimal zu erfassen, und/oder in Windrichtung ausgerichtet ist.
Arten von Windkraftanlagen:
Derzeit gibt es zwei Haupttypen von Windkraftanlagen – Horizontalachsen-Windkraftanlagen (HAWT) und Vertikalachsen-Windkraftanlagen (VAWT). Wie der Name schon sagt, haben horizontale Windturbinen eine Hauptrotorwelle und einen elektrischen Generator an der Spitze eines Turms, wobei die Rotorblätter in den Wind gerichtet sind. Die Turbine wird normalerweise gegen den Wind von ihrem Stützturm positioniert, da der Turm dahinter wahrscheinlich Turbulenzen erzeugen kann.
Vertikalachsenturbinen (wiederum wie der Name schon sagt) haben die Hauptrotorwelle vertikal angeordnet. Diese sind in der Regel kleiner und müssen nicht in Windrichtung ausgerichtet werden, um sich zu drehen. Dadurch können sie sich den richtungsveränderlichen Wind zunutze machen.
Eine Darrieus-Windkraftanlage in Martigny, Schweiz. Bildnachweis: Wikipedia Commons/Lysippos
Im Allgemeinen gelten Windkraftanlagen mit horizontaler Achse als effizienter und können mehr Leistung produzieren. Während das vertikale Modell weniger Strom erzeugt, kann es in niedrigeren Höhen platziert werden und benötigt weniger Komponenten (insbesondere einen Giermechanismus). Windturbinen können auch nach ihrem Design in drei allgemeine Gruppen eingeteilt werden, darunter die Modelle Towered, Savonius und Darrieus.
Das Turmmodell ist die konventionellste Form von HAWT, bestehend aus einem Turm (wie der Name vermuten lässt) und einer Reihe langer Klingen, die vor (und parallel zu) dem Turm sitzen. Der Savonis ist ein VAWT-Modell, das auf konturierten Blättern (Scoops) basiert, um Wind und Spin einzufangen. Sie haben im Allgemeinen einen geringen Wirkungsgrad, haben aber den Vorteil, dass sie selbststarten. Diese Art von Turbinen sind oft Teil von Windkraftanlagen auf Dächern oder auf Seeschiffen montiert.
Das Darrieus-Modell, auch bekannt als „Eggbeater“-Turbine, ist nach dem französischen Erfinder benannt, der Pionierarbeit für das Design geleistet hat – Georges Darrieus. Dieses VAWT-Modell verwendet eine Reihe von vertikalen Lamellen, die parallel zur vertikalen Stütze sitzen. Sie haben im Allgemeinen einen geringen Wirkungsgrad, erfordern einen zusätzlichen Rotor, um sich zu drehen, erzeugen ein hohes Drehmoment und belasten den Turm stark. Daher gelten sie als unzuverlässig wie Designs gehen.
Entwicklungsgeschichte:
Windkraft wird seit Jahrtausenden genutzt, um Segel zu schieben, Windmühlen anzutreiben oder Druck für Wasserpumpen zu erzeugen. Die frühesten bekannten Beispiele stammen aus Zentralasien, wo Windmühlen, die im alten Persien (Iran) verwendet wurden, auf die Zeit zwischen 500 und 900 n. Chr. datiert wurden. Die Technologie tauchte im Mittelalter in Europa auf und wurde im 16. Jahrhundert zu einem gemeinsamen Merkmal.
Die erste automatisch betriebene Windkraftanlage, gebaut 1887 in Cleveland von Charles F. Brush. Quelle: Wikipedia Commons
Im 19. Jahrhundert wurden mit der Entwicklung der elektrischen Energie die ersten Windkraftanlagen gebaut, die Strom erzeugen konnten. Die erste wurde 1887 vom schottischen Akademiker James Blyth installiert, um sein Ferienhaus in Marykirk, Schottland, zu beleuchten. 1888 baute der amerikanische Erfinder Charles F. Brush die erste automatisierte Windkraftanlage, um sein Haus in Cleveland, Ohio, mit Strom zu versorgen.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden Windturbinen zu einem gebräuchlichen Mittel, um Häuser in abgelegenen Gebieten (wie Gehöften) mit Strom zu versorgen. 1941 wurde die erste Windkraftanlage der Megawatt-Klasse in Vermont installiert und an das örtliche Stromnetz angeschlossen. 1951 installierte Großbritannien auf den Orkney-Inseln seine erste netzgekoppelte Windkraftanlage.
Durch die OPEC-Krise und die Proteste gegen die Atomkraft kamen in den 1970er Jahren Forschung und Entwicklung in der Windkrafttechnologie erheblich voran. In den folgenden Jahrzehnten entstanden in westeuropäischen Ländern und den Vereinigten Staaten Verbände und Lobbyisten, die sich der alternativen Energie verschrieben hatten. Im letzten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts gab es in Indien und China aufgrund der zunehmenden Luftverschmutzung und der steigenden Nachfrage nach sauberer Energie ähnliche Bemühungen.
Windkraft:
Im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energien gilt Windkraft als sehr zuverlässig und stabil, da der Wind von Jahr zu Jahr konstant ist und in Spitzenzeiten nicht nachlässt. Der Bau von Windparks war anfangs ein kostspieliges Unterfangen. Aber dank der jüngsten Verbesserungen hat die Windkraft begonnen, Spitzenpreise auf den Energiegroßhandelsmärkten weltweit zu setzen und in die Umsatz und Gewinn der fossilen Brennstoffindustrie.
Querschnitt einer vertikalen Windkraftanlage. Bildnachweis: energy.gov
Laut einem Bericht des Energieministeriums vom März 2015 könnte das Wachstum der Windkraft in den Vereinigten Staaten in vielen Kategorien zu noch höher qualifizierten Arbeitsplätzen führen. Betitelt „Wind Vision: Eine neue Ära für Windkraft in den Vereinigten Staaten“ , heißt es in dem Dokument, dass die Industrie bis 2050 bis zu 35 % der US-Elektroproduktion ausmachen könnte.
Darüber hinaus wurde 2014 die Globaler Windenergierat und Greenpeace International kamen zusammen, um einen Bericht mit dem Titel „Globaler Windenergieausblick 2014“ . In diesem Bericht heißt es, dass Windkraft bis 2050 weltweit 25 bis 30 % des weltweiten Stroms liefern könnte. Zum Zeitpunkt der Erstellung des Berichts hatten kommerzielle Anlagen in mehr als 90 Ländern eine Gesamtkapazität von 318 Gigawatt (GW) und lieferten etwa 3,1 % des weltweiten Angebots.
Dies entspricht einem fast sechzehnfachen Anstieg der Einführungsrate seit dem Jahr 2000, als Windkraft weniger als 0,2 % ausmachte. Eine andere Betrachtungsweise wäre zu sagen, dass der Marktanteil der Windkraft viermal verdoppelt in weniger als 15 Jahren. Damit liegt sie an zweiter Stelle hinter der Solarenergie, die sich im gleichen Zeitraum siebenmal verdoppelt hat, aber beim Gesamtmarktanteil noch hinter dem Wind zurückbleibt (ca. 1 % bis 2014).
Ein Offshore-Windpark vor der belgischen Küste. Quelle: Wikipedia Commons/Hans Hillewaert
Im Hinblick auf ihre Nachteile wird immer wieder die Frage aufgeworfen, welche Auswirkungen Windturbinen auf die lokale Tierwelt haben und welche Störungen sie auf die lokale Landschaft haben. Es hat sich jedoch oft gezeigt, dass diese Bedenken von Interessengruppen und Lobbyisten übertrieben werden, die versuchen, Windkraft und andere erneuerbare Energiequellen zu diskreditieren.
Zum Beispiel a 2009 Studie veröffentlicht vom National Renewable Energy Laboratory festgestellt, dass weniger als 1 Morgen pro Megawatt dauerhaft durch den Bau großer Windparks und weniger als 3,5 Morgen pro Megawatt vorübergehend gestört werden. Dieselbe Studie kam zu dem Schluss, dass die Auswirkungen auf die Tierwelt von Vögeln und Fledermäusen relativ gering sind und dass die gleichen Schlussfolgerungen für Offshore-Plattformen gelten.
Weltweit setzen Regierungen und Kommunen auf Windkraft, um ihren Energiebedarf zu decken. In einem Zeitalter steigender Kraftstoffpreise, wachsender Besorgnis über den Klimawandel und verbesserter Technologien ist dies kaum überraschend. Bei seiner derzeitigen Verbreitungsrate dürfte es Mitte des Jahrhunderts eine der größten Energiequellen sein.
Und genießen Sie dieses Video über Windturbinen mit freundlicher Genehmigung des Lewis Research Center der NASA:
Wir haben hier bei Universe Today viele interessante Artikel über Windkraftanlagen und Windkraft geschrieben. Hier ist Was ist alternative Energie? , Was sind fossile Brennstoffe? , Welche Arten von erneuerbaren Energien gibt es? , Windkraft auf dem Ozean (mit Hilfe aus dem Weltraum) , und Könnte die Welt mit Solar- und Windkraft betrieben werden?
Weitere Informationen finden Sie im Artikel von How Stuff Works über die Geschichte und Mechanik der Windkraft und NASAs Grünfläche Seite.
Astronomy Cast hat auch einige Episoden, die für das Thema relevant sind. Hier ist Folge 51: Erde und Folge 308: Klimawandel .
Quellen:
