Die moderne Energie basiert hauptsächlich auf fossilen Quellen: Kohle, Torf, Öl und Gas. In den letzten Jahren wurden radioaktive Stoffe verwendet. Die Reserven dieser Quellen sind jedoch begrenzt und ihr Verbrauch steigt von Tag zu Tag. Deshalb muss die Wissenschaft nach Energiequellen suchen, die sich nicht mit der Zeit erschöpfen.
Derzeit unternehmen die Wissenschaftler große Anstrengungen, um kontrollierte thermonukleare Reaktionen mit Deuterium (einem Wasserstoffisotop) durchzuführen, die Millionen von Jahren dauern könnten. Die Schwierigkeiten, diesen Stoff für die Energieversorgung zu nutzen, sind jedoch so groß, dass eine Nutzung in den nächsten Jahren ausgeschlossen ist.
Daher ist die Menschheit gezwungen, sich unerschöpflichen Energiequellen zuzuwenden – Wasser, Wind, Sonne, Gezeitenströme, in denen enorme Energiereserven stecken.
Moderne Windkraftanlagen werden auf der Grundlage wissenschaftlicher Errungenschaften auf dem Gebiet der Aerodynamik und des Maschinendesigns entwickelt und gebaut. Ihr Wirkungsgrad ist 2-3 Mal höher als der von Windmühlen, und moderne Windmühlen eignen sich nicht nur zum Mahlen von Getreide, sondern auch zur Wasserversorgung und Stromerzeugung.
Die Windenergie gilt seit langem als umweltfreundliche und unerschöpfliche Energiequelle. Die drohende Verknappung der nicht erneuerbaren Energiequellen und die zunehmende Abhängigkeit von importierten Brennstoffen führte 1973 zu einer Wiederbelebung der Forschung, die darauf abzielte, die Möglichkeiten der Umwandlung von Wind in eine nutzbare Energieform zu erweitern.
Bevor die Windenergie jedoch nennenswerte Vorteile bringen kann, müssen noch viele technische und ökologische Fragen geklärt werden. Es sollte auch anerkannt werden, dass die größten Hindernisse für die Nutzung von Windenergieanlagen ihre hohen Kosten sind. Diese Hindernisse werden geringer sein, wenn Windturbinen bei den Kosten für die erzeugte Energie mit anderen Energiequellen konkurrieren können. Obwohl schon viel erreicht wurde, bleibt die größte Herausforderung die Entwicklung von kostengünstigen Windturbinen, die viele Jahre lang zuverlässig im Automatikbetrieb arbeiten und bei regelmäßiger Wartung einen unterbrechungsfreien Betrieb gewährleisten.
Windenergie-Ressourcen
Der Wind entsteht auf der Erde durch die ungleichmäßige Erwärmung der Erdoberfläche durch die Sonne. Tagsüber bleibt die Luft über großen Wasserflächen vergleichsweise kalt, da der größte Teil der Sonnenenergie entweder durch Verdunstung verbraucht oder vom Wasser absorbiert wird. Über dem Land, das weniger Sonnenlicht absorbiert als das Wasser, wird die Luft tagsüber stärker erwärmt, sie dehnt sich aus, wird leichter und steigt nach oben. Sie wird durch dichtere, kältere Luft über dem Wasser ersetzt. Auf diese Weise entstehen in der Küstenzone Brisen. In der Nacht kehrt sich ihre Richtung über den Küstengewässern um, da das Land schneller abkühlt als das Wasser und die Temperatur der darüber liegenden Luft entsprechend sinkt. Die kalte Luft, die sich in Richtung Meer bewegt, verdrängt die erwärmte Luft, die von der Oberfläche des Wassers aufsteigt.
Die Energie, die kontinuierlich von der Sonne kommt und durch Windströmungen auf der Erde in kinetische Energie umgewandelt wird, beläuft sich schätzungsweise auf über 10 GW Gesamtleistung.
Geschichte der Entwicklung
Die erste Windkraftanlage war wahrscheinlich ein einfaches Gerät mit vertikaler Achse, wie es etwa 200 Jahre vor unserer Zeitrechnung in Persien zum Mahlen von Getreide verwendet wurde. Der Einsatz einer solchen Mühle mit vertikaler Drehachse war später in den Ländern des Nahen Ostens weit verbreitet. Später wurde die Mühle mit horizontaler Drehachse entwickelt, die aus zehn Holzpfählen mit querliegenden Segeln bestand. Dieser primitive Windmühlentyp ist noch in vielen Ländern rund um das Mittelmeer in Gebrauch. Im 11. Jahrhundert waren Windmühlen im Nahen Osten weit verbreitet und kamen im 10. Jahrhundert mit der Rückkehr der Kreuzritter nach Europa. Während des Mittelalters waren in Europa viele herrschaftliche Rechte, darunter das Recht, die Genehmigung zum Bau von Windmühlen zu verweigern, dazu angetan, den Pächtern Flächen für den Getreideanbau in der Nähe der Mühlen der feudalen Ländereien zu überlassen. Das Anpflanzen von Bäumen in der Nähe von Windrädern wurde verboten, um “freien Wind” zu gewährleisten. Im 14. Jahrhundert übernahmen die Niederländer die Führung bei der Perfektionierung der Windmühlenkonstruktion und setzten sie fortan in großem Umfang zur Entwässerung der Sümpfe und Seen im Rheindelta ein. Zwischen 1608 und 1612 wurde der Beemsterpolder, der drei Meter unter dem Meeresspiegel liegt, mit Hilfe von 26 Windmühlen mit je 37 kW entwässert.
Der berühmte Wasserbauingenieur Ligwater setzte 14 Windturbinen mit einer Leistung von 1000 m/min ein, um Wasser in ein Rückhaltebecken zu pumpen und den Shermer-Polder innerhalb von vier Jahren trocken zu legen. Anschließend pumpten 37 Windturbinen das Wasser aus dem Becken in einen kreisförmigen Kanal, von dem aus es in die Nordsee gelangte.
Im Jahr 1582 wurde in Holland die erste windgetriebene Ölmühle gebaut, und vier Jahre später wurde die erste Papiermühle errichtet, um den durch die Erfindung des Buchdrucks gestiegenen Bedarf an Papier zu decken. Ende des 16. Jahrhunderts wurden Sägewerke gegründet, um das aus den baltischen Ländern importierte Holz zu verarbeiten. In der Mitte des XIX. Jahrhunderts wurden in Holland etwa 9 Tausend Windmaschinen für verschiedene Zwecke eingesetzt. Die Niederländer verbesserten die Konstruktion von Windmühlen und insbesondere das Windmühlenrad in vielerlei Hinsicht.
Um die aerodynamische Form des Flügels zu verbessern, wurden später Stäbe an seiner Hinterkante angebracht. Bei moderneren Konstruktionen wurden die Segel durch dünne Bleche ersetzt, es wurden Stahlflügel verwendet, und es wurden verschiedene Arten von Lamellen und Schilden eingesetzt, um die Geschwindigkeit des Windrades bei hohen Windgeschwindigkeiten zu regulieren. Große fabrikgefertigte Windmühlen konnten bei hohen Windgeschwindigkeiten bis zu 66 kW erzeugen.
Elektrizitätserzeugung
Die Windenergie kann zum Drehen eines Synchrongenerators genutzt werden; die erzeugte elektrische Energie wird über einen Aufwärtstransformator direkt ins Netz eingespeist. In anderen Fällen wird die Windenergie zur Erzeugung elektrischer Energie in Form von Gleichstrom und in Gleichstrom-Heizgeräten wie Rheostaten genutzt oder in Batterien gespeichert und dann bei Verwendung einer Wechselstromlast umgewandelt.
In diesen Fällen kann die Energie in der mechanischen Energie eines rotierenden Schwungrads oder in Form von Gasen – Wasserstoff und Sauerstoff, die durch die elektrolytische Zersetzung von Wasser entstehen – gespeichert werden. Die Gase können in verflüssigter Form in Tanks oder in gasförmiger Form in Tanks oder in unterirdischen Speicherbehältern gelagert werden, die von genutzten Erdgasbohrungen übrig geblieben sind.
Die Nutzung der Windenergie zusammen mit anderen Energiequellen wie konventionellen Brennstoffen, Sonnenenergie, Energie aus Temperaturunterschieden im Meer, biologischer Brennstoffumwandlung usw. scheint wichtig zu sein.
Da der Wind an den meisten Orten nur unregelmäßig weht, muss die Energie über lange Zeiträume von 10 Tagen oder mehr gespeichert werden, um kontinuierlich Energie aus einer autonomen Anlage zu erzeugen. Die Kosten für den erforderlichen Speicher können durch die Kombination von Windkraft mit anderen Energiequellen gesenkt werden.
So weht beispielsweise an den meisten Orten der Wind oft dann, wenn die Sonne nicht scheint, und umgekehrt. Kombinierte Systeme mit Solar- und Windenergiekonvertern, wie Photovoltaik oder Wärmekraft, benötigen daher weniger Speicherkapazität als Systeme, die nur eine dieser Energiequellen nutzen.
Da die Windgeschwindigkeiten zu einem bestimmten Zeitpunkt über große Gebiete hinweg stark schwanken können, kann eine große Anzahl von netzgekoppelten Windturbinen auch dazu verwendet werden, die Speicherkapazität für eine bestimmte Grundlast im Netz zu verringern.
Konstruktion von Windkraftanlagen
Eine geflügelte Windkraftanlage besteht aus den folgenden Hauptteilen: dem Windrad, dem Kopf, dem Schwanz und dem Turm.
Das Windrad wandelt die Windenergie in mechanische Arbeit um; es kann eine oder mehrere Schaufeln haben, die in einem bestimmten Winkel zur Ebene des Windrads angebracht sind. Der Flügel besteht aus einem Blatt und einem Flügel, die an der Welle des Windrads befestigt sind, in der Regel senkrecht zur Achse der Welle.
Der Kopf ist der Träger, auf dem die Windradwelle und das obere Getriebe montiert sind.
Die Form des Kopfes wird durch das Übertragungssystem bestimmt, dessen Auslegung und Anzahl der Stufen vom Zweck und der Leistung der Windkraftanlage sowie von der Geschwindigkeit der Windkraftanlage und der Arbeitsmaschine abhängt. Der Kopf kann sich frei um die vertikale Achse in den Turmstützen drehen.
Der Schwanz, der hinter dem Kopf befestigt ist, dient dazu, das Windrad in den Wind zu stellen; er funktioniert wie eine Wetterfahne.
Der Turm dient dazu, das Windrad auf eine Höhe zu bringen, in der Hindernisse, die den geradlinigen Luftstrom stören, kaum noch eine Rolle spielen. Je nach Gelände und Durchmesser des Windrads beträgt die Turmhöhe der derzeit produzierten Windturbinen zwischen 6 und 20 Metern. Windturbinen mit geringer Kapazität werden auf einem Mast oder einem Rohr montiert, das mit Spannungen verstärkt ist. Es ist bekannt, dass die Windgeschwindigkeit mit der Höhe zunimmt, so dass es richtig wäre, die Türme so hoch wie technisch möglich zu bauen. Eine höhere Leistung ist jedoch nicht die einzige Voraussetzung für die Wahl der Turmhöhe. Das Gewicht, die Kosten, die Installation, die Reparatur und die Wartungsbedingungen der Windkraftanlage müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Die Höhe des Turms muss so gewählt werden, dass das Windrad bequem bedient werden kann, darf sich aber nicht unterhalb von Hindernissen befinden, die die geradlinige Strömung des Luftstroms stören. In Steppengebieten mit häufigen Stürmen darf die Höhe der Türme von Windkraftanlagen mit geringer Leistung beispielsweise nicht mehr als 4-6 Meter und in Waldgebieten nicht weniger als 15 Meter betragen.
Arten von Windparks
Terrestrisch.
Die derzeit gängigste Art von Windparks. Windkraftanlagen werden auf Hügeln oder Hochebenen installiert.
Ein industrieller Windgenerator wird an einem vorbereiteten Standort in 7-10 Tagen errichtet. Die Einholung der behördlichen Genehmigungen für den Bau eines Windparks kann ein Jahr oder länger dauern.
Der Bau erfordert eine Straße zur Baustelle und schweres Hebezeug mit einer Reichweite von mehr als 50 Metern, da die Gondel in einer Höhe von etwa 50 Metern installiert wird.
Küstengebiete
Windparks an der Küste werden in geringer Entfernung vom Ufer des Meeres oder Ozeans gebaut. An der Küste weht täglich eine Brise, die durch die ungleichmäßige Erwärmung der Landoberfläche und des Gewässers verursacht wird. Die Tagesbrise oder Meeresbrise bewegt sich von der Wasseroberfläche zum Land, während die Nachtbrise oder Küstenbrise sich von der gekühlten Küste zum Gewässer bewegt.
Regal Brise
Offshore-Windparks werden vor der Küste gebaut: 10-60 Kilometer vor der Küste. Offshore-Windparks haben eine Reihe von Vorteilen:
Sie sind vom Ufer aus praktisch unsichtbar;sie besetzen kein Land;Sie haben aufgrund der regelmäßigen ablandigen Winde einen höheren Wirkungsgrad (oder besser gesagt, einen höheren Nutzungsgrad der installierten Leistung).Schelfkraftwerke werden in Meeresgebieten mit geringer Wassertiefe gebaut. Die Türme der Windkraftanlagen werden auf Fundamenten aus bis zu 30 Meter tief gerammten Pfählen errichtet. Der Strom wird über Unterseekabel in den Boden geleitet.
Die Erzeugung von Strom aus Windkraftanlagen ist äußerst verlockend, aber auch technisch anspruchsvoll. Das Hauptproblem ist die Variabilität der Windenergie. Außerdem muss der elektrische Strom für den praktischen Einsatz eine konstante Spannung haben; wenn sich die Spannung und die Frequenz des Stroms aufgrund von Schwankungen der Drehzahl der Windkraftanlage ändern, sind besondere Mechanismen zur Regelung der Drehzahl des Generators erforderlich.
Die Programme zur Förderung der Entwicklung unkonventioneller Energiequellen haben dazu geführt, dass der Anteil der Windenergie an der Stromerzeugung dank der niedrigeren Kosten dieser Technologie von Jahr zu Jahr weiter zunimmt.Europa ist jetzt die Nummer eins bei der Nutzung der Windenergie. Am stärksten entwickelt und genutzt wird die Windenergie in Deutschland, Dänemark und Spanien.
Die Entwicklung der Windenergietechnologie hat viele Länder dazu veranlasst, von einzelnen Windrädern zu Windparks mit Hunderten von Windturbinen überzugehen, die in geringem Abstand zueinander aufgestellt werden.
Und nicht selten pachtet der Staat Land von Landwirten für die Errichtung von Windkraftanlagen und zahlt den Landbesitzern sehr hohe Summen. Die Regierung verpachtet das Land oft langfristig an Landwirte und zahlt den Landbesitzern dafür sehr hohe Summen.
Eva Moroz
