Windenergie

Bei der Windenergie handelt es sich um die kinetische Energie der bewegten Luftmassen der Atmosphäre. Es ist eine indirekte Form der Sonnenenergie.

Entstehung der Windenergie

Die 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 und 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 und strömen 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 durch die entstehenden Druckunterschiede ein Wind vom Wasser auf das Land. Nachts kühlen die Landmassen schneller aus als das Wasser und der Effekt kehrt sich um. Zusätzlich kann der Wind sich auf 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 uber dem Boden. Die kinetische Energie des Windes wächst mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit. Das liegt daran, dass die Masse, welche die vom Rotor überstrichene Fläche pro Sekunde durchströmt, geschwindigkeitsabhängig ist. Es gilt:

E_{kin}={1 \over 2}m(v)v^{2}

Somit ist die Rauigkeit und die Höhe über Grund der bestimmende Faktor bei der technischen Nutzung der Windenergie.

Winde und Windsysteme

Weltweit gibt es viele verschiedene Winde und Windsysteme, wie zum Beispiel den Föhn, den Mistral, die Bora oder den Schirokko.

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. Die 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 Umwelt

In 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 Windenergie

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Windpark

Die 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 (c_p,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.

Mit der Entdeckung der Elektrizität, der Erfindung des Kabels 1847 durch Werner von Siemens, des Generators, der Entwicklung der Strömungsmechanik und der von Turbinen waren die Grundsteine zur Wandlung der Windenergie in elektrische Energie gelegt. 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 Anlagen 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 1500 Vollaststunden 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.

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 hängt hierbei auch von der Vorhersagegenauigkeit des Windes und der Regelungsfähigkeit des Netzes ab. (weitere Informationen unter im Artikel Windenergieanlage.

Siehe auch: Geschichte der Windenergienutzung

Weitere Anwednungen

Antrieb Segelschiff von Segelschiffen durch den Wind gehört neben Zugtieren zu den ältesten Antriebssystemen von Verkehrsmitteln für Menschen.
Segelflugzeug nutzen die Thermik
Drachen

Installierte Nennleistung in Deutschland

(Weitere Statisiken unter Windenergieanlagenhersteller und Windenergieanlage.)

Installierte Leistung in Deutschland nach Bundesländern

Bundesländer alphabetisch	Anzahl WEA	Leistung in MW
Baden-Württemberg	252	249
Bayern	251	224
Berlin	0	0
Brandenburg	1.776	2.179
Bremen	43	47
Hamburg	57	34
Hessen	504	401
Mecklenburg-Vorpommern	1.093	1.018
Niedersachsen	4.283	4.471
Nordrhein-Westfalen	2.277	2.053
Rheinland Pfalz	694	704
Saarland	53	57
Sachsen	674	667
Sachsen-Anhalt	1.458	1.854
Schleswig-Holstein	2.688	2.174
Thüringen	440	497
Gesamt Deutschland	16.543	16.629

Quelle: Deutsches Windenergie-Institut, Stand: 31.12.004

Literatur

Sven Geitmann: Erneuerbare Energien und alternative Kraftstoffe, Hydrogeit Verlag, 2. Aufl., Jan. 2005, ISBN 3937863052, 19,90 EUR

S. Heier: Nutzung der Windenergie, hrsg. vom Fachinformationszentrum Karlsruhe, BINE Informationsdienst, 4. Aufl. 2000, DIN A5, kartoniert, 116 Seiten, 14,32 EUR, TÜV Verlag, ISBN 3-8249-0520-5

Weblinks

Hydrogeit (unabhängige Infoseite von Sven Geitmann)
energieportal24 (unabhängige Internet-Plattform für erneuerbare Energien)
Portal zur Energieforschung: Thema Windenergie
Wissenskatalog Energie: Windenergie
Win(d)frieds Windkurs
IWR, die Welt der regenerativen Energiewirtschaft
European wind energy association
Deutsches Windenergie-Institut (DEWI)
Windenergie-Konferenz (DEWEK)
Was ist von Offshore-Windparks zu halten?
Windstrom-Euphorie in Deutschland