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Was ist Windenergie?

Oder woher kommt der Wind?

Windenergie entsteht durch Umwandlung der Sonnenenergie. Die Sonne strahlt stündlich eine Energieleistung von 174.423.000.000.000 Kilowattstunden an die Erde ab. Dabei trifft die Sonneneinstrahlung ungleich verteilt auf der Erde, so dass die Atmosphäre und die Wasser- und Landmassen nahe dem Äquator viel stärker erwärmt werden als die im Rest der Erde. Des weiteren erhitzen und kühlen sich Landmassen schneller als Seemassen.

Ein Konvektionssystem der Atmosphäre entsteht: Warme Luft ist viel leichter als kalte Luft und steigt in eine Höhe von ca. 10 km (6 miles) auf, um sich dann nach Norden und Süden auszubreiten. Währenddessen schieben sich kalte Luftmassen unter die erwärmten Luftströme. Luft- und Wassermassen bewegen sich in einem rotierenden Bezugssystem. Diese Bewegung ist durch die Erdrotation nicht geradlinig und bewirkt, dass ein Hoch auf der Nordhalbkugel im Uhrzeigersinn und ein Tief gegen den Uhrzeigersinn umströmt werden. Auf der Südhalbkugel erfolgt die Umströmung genau umgekehrt. Die Drehrichtung dieser Hoch- und Tiefdruckgebiete wird von der so genannten Corioliskraft bestimmt. Durch die unterschiedliche Wärmeaufnahme von Wasser und Landmassen sowie Bergformationen entstehen Luftdruckunterschiede, die die Luftströme stark beeinflussen. Aus den Luftströmungen entsteht Wind.

Ungefähr 1 bis 2 Prozent der Sonnenenergie wird auf natürliche Weise in Windenergie umgesetzt. Eine wissenschaftliche Studie der US-amerikanischen Harvard University in Cambridge fand heraus, dass ein weltweites Windkraft-Netzwerk den gesamten Strombedarf der Weltbevölkerung decken könnte.

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Geschichte der Windenergie

Die Windenergie ist eine der ältesten vom Menschen genutzten Energieformen. Seit Urzeiten erzeugen Menschen mithilfe von Windmühlen mechanische Arbeit und mahlen ihr Getreide oder pumpen Wasser. Mit dem Aufkommen der Elektrizität entstanden Ende des 19. Jahrhunderts die ersten Windkraftanlagen auf der Grundlage der Windmühlentechnik. Dennoch war es ein langer Prozess bis sich die Windenergie als ernstzunehmende Methode für die moderne Stromerzeugung durchsetzen konnte.

Mit der ersten Ölkrise der 70er Jahre, vor allem aber durch die Anti-Atomkraft-Bewegung der 80er Jahre in Europa, erwachte das Interesse an alternativen Energien. Neue Wege wurden gesucht, um die Ressourcen der Erde ökologisch und wirtschaftlich sinnvoll zu nutzen. Die ersten in dieser Zeit entwickelten Windkraftanlagen waren extrem teuer. Der daraus resultierende teure Strompreis wurde vorerst zu einem Hauptargument gegen die Nutzung der Windenergie. Neue internationale Forschungs- und Förderprogramme und Einrichtungen wurden initiiert, die oft staatlich finanziert, neue Ansätze für die Stromerzeugung untersuchten und essentielle Grundlagenforschung betrieben.

Forschungseinrichtungen, wie das Deutsche Windenergie-Institut (DEWI) und das Dänische Forschungsinstitut Risø sowie diverse Förder- und Forschungsprogrammen und Internationale Kooperationen auf dem Gebiet der Windenergie waren maßgeblich verantwortlich für den industriellen und technologischen Durchbruch der immer professioneller arbeitenden Windindustrie. Eine Standardisierung und Typisierung aller geförderten Anlagen, Sicherheitsbestimmungen und immer bessere Ausführung der Anlagen trugen dazu bei, dass die Anlagen immer wirtschaftlicher arbeiteten.

Die ehemals horrenden Kosten für die Erzeugung von Windenergie konnten schon 1981 mit der Entwicklung der 55 kW Windkraftanlagengeneration um rund 50 Prozent pro Kilowattstunde (kWh) gesenkt werden. Laut Angabe einiger Umweltorganisationen ist heute die Windenergienutzung unter Einbeziehung aller externen Kosten der Energieerzeugung (z.B. auch der Umweltschäden) eine der billigsten Energiequellen.

Moderne Windkraftanlagen erzeugen inzwischen weltweit einen maßgeblichen Anteil der Stromerzeugung. Deutschland gilt dabei als einer der wichtigsten Windenergiemärkte der Welt mit einer der derzeit zweithöchsten installierten Windkraft-Leistung (23.903 MW im Jahr 2008), nach den USA. International gehören Deutschland, die USA, Spanien, Frankreich, China und Indien zu den größten Nutzern von Windenergie zur Erzeugung von elektrischem Strom.

Die Windenergieindustrie ist zu einem wichtigen Wachstumsmarkt und Wirtschaftsfaktor mit stetig steigenden Exportleistungen geworden.

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Zukunft der Windenergie

Internationale Klima- und Umweltexperten sind sich einig: Die Erde heizt sich auf und die Ressourcen gehen zur Neige. Die weltweiten Umweltprobleme lassen sich nicht mehr ignorieren. Mit internationalen Abkommen, wie z.B. dem Kyoto-Protokoll, verpflichten sich die Industrieländer, ihrer Treibhausgas-Emissionen zu reduzieren. Die Atomkatastrophe in Fukushima hat zu einem weltweiten Umdenken bei der Energieerzeugnung geführt. International wird die Forderung nach sauberer und sicherer Energie lauter. Allen voran hat Deutschland ein Gesetzespaket zur Energiewende und zum Atomausstieg beschlossen. Der weltweite standardisierte Einsatz von erneuerbaren Energien, unabhängig von Klimabedingungen und regionalen Gesetzgebungen, wird immer wahrscheinlicher. Die Windenergiebranche blickt damit sehr optimistisch in die Zukunft.

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Chronologie der Windkraft-Pioniere

Charles F. Brush (1849-1929), einer der Gründer der US-amerikanischen Elektrizitätsgesellschaft. Er baut im Winter 1887-88 eine Maschine, die heute als die erste vollautomatische Windkraftanlage zur Stromerzeugung gilt. Die Ausmaße waren für damalige Verhältnisse gigantisch: Rotordurchmesser: 17 m (50 ft.), 144 Rotorblätter aus Zedernholz. Die Anlage lief 20 Jahre lang und lud die Batterien im Keller seines Wohnhauses auf. Trotz der beeindruckenden Größe der Windkraftanlage betrug die Leistung des Generators nur 12 kW.

Poul la Cour (1846-1908), Dänischer Meteorologe. Er gilt als der Vater der modernen Windkraftanlagen für die Stromerzeugung. Seine ersten kommerziell vermarkteten Windkraftanlagen wurden nach dem ersten Weltkrieg installiert, Hintergrund war die damalige Treibstoffknappheit. Er gründete die erste Windkraftversuchsanstalt auf Jütland und unterrichtete dort die ersten Windkraft-Elektroingenieure. Neben seinen ersten Versuchen in der Windkanaltechnik war er Herausgeber der weltweit ersten Zeitschrift für Windenergie.

Albert Betz (1885-1968), Deutscher Physiker. Als damaliger Leiter des Aerodynamischen Instituts in Göttingen formulierte er das “Betz’sche Gesetz“ und zeigte, dass das physikalische Maximum der Ausnutzung der kinetischen Energie des Windes bei 59,3 % liegt. Seine Theorie zu Formgebung der Flügel ist auch heute noch Grundlage für die Auslegung der Anlagen.

Palmer Cosslett Putnam (1910-1986), US-amerikanischer Ingenieur. Er entwickelte 1941 die 1,25 MW Smith Putnam Windkraftanlage, die mit Unterbrechungen bis 1945 lief und wegen eines Materialschadens eingestellt wurde. Die für diese Größe notwendigen Materialien und Materialqualitäten waren noch nicht verfügbar.

Ulrich W Hüttner (1910-1990), Deutscher Ingenieur. Seine im Jahr 1957 auf einem Versuchsfeld in der Schwäbischen Alb errichtete 100 kW Anlage StGW-34 gilt als ein Meilenstein der modernen Windenergie-Technologie.

Johannes Juul (1887-1969), Dänischer Ingenieur und Student von Poul la Cour. Er errichtete die weltweit erste 200 kW Windkraftanlage zur Wechselstromerzeugung in Vester Egesborg, Dänemark im Jahr 1957. Sie ist der Vorläufer der heutigen Windkraftanlagen.

70 er und 80er Jahre:
Die erste Ölkrise führt zu einem Umdenken in der Energiepolitik. Das Interesse an alternativen Energien erwacht und führt zu nationalen und internationale Forschungs- und Förderungsprogrammen.

Deutsche und dänische Pioniere entwickeln die ersten wirtschaftlich arbeitenden Windkraftanlagen, die der Windindustrie zum industriellen und technologischen Durchbruch verhelfen.

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Berechnung der Windenergie

Windenergie ist die kinetische Energie der Luftteilchen, die sich mit der Geschwindigkeit v bewegen. Eine Kreisfläche mit dem Radius r, die senkrecht zur Windrichtung steht, wird dabei in der Zeit t von folgender Masse durchströmt:

Die kinetische Energie des Windes ergibt demnach:

Es ist zu beachten, dass die Windleistung mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zunimmt. Somit ist diese einer der bestimmenden Faktoren bei der technischen Nutzung der Windenergie.

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Berechnung der Luftdichte

Bei Windmessungen ist es wichtig, die Luftdichte zu ermitteln. Die Luftdichte in verschiedenen Höhen und bei unterschiedlichen Temperaturen variiert stark. Der Luftdichteunterschied zwischen -10°C und +30°C beträgt 0.177 kg/m3

Die Luftdichte p ist:

in kg/m3; Luftdruck = p, Gaskonstante R, Temperatur in Kelvin = T

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Messeinheit der Windenergie

Die Windenergiemessung erfolgt in Kilowattstunden (kWh) oder Megawattstunden (MWh) mit Angabe des Zeitraumes, z.B. pro Jahr oder pro Stunde.

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