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Windkraftanlagen

Wie funktionieren Windkraftanlagen?

Windkraftanlagen produzieren Strom aus Windenergie. Die Umwandlung erfolgt direkt, indem die Rotoren durch den Wind in Drehung versetzt werden. Die so entstandene Bewegungsenergie wird von einem Generator  zu elektrischem Strom umgewandelt. Die Windstärke – gemessen in Beaufort (Skala von 0 (Windstille) bis 12 (Orkan)) – bestimmt die Ausbeute des aus Windkraft gewonnenen Stroms.

Doch die Stärke des Windes an einem bestimmten Ort kann erheblich schwanken, dementsprechend variabel ist auch die Stromausbeute. Strom aus Windenergie kann daher den Strommix nur ergänzen. Zudem ist die Stromversorgung aus Windenergie aufgrund der Schwankungen auch besonders von Speichertechnologien abhängig.

Vertikale Windkraftanlagen

Neben den „klassischen“ horizontalen Windkraftanlagen gibt es auch sogenannte vertikale Windkraftanlagen. Vertikale Windkraftanlagen (auch Vertikalläufer genannt, im Englischen als „vertical axis wind turbine“ bezeichnet) sind eine Bauart, bei der sich ein Rotor um eine vertikal stehende Achse dreht.

Solche Windmühlen mit vertikaler Achse gehören wegen ihrer einfachen und robusten Bauweise zu den ältesten bekannten Mühlen. Bereits Hochkulturen wie die Perser oder die Chinesen nutzten diese lange vor der heute üblichen Bauform mit horizontaler Achse. So genannte persische Windmühlen wurden bereits im 7. Jahrhundert n.Chr. eingesetzt (siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Persische_Windmuehle)

Funktionsprinzip vertikaler Windkraftanlagen

Widerstandsläufer

Widerstandsläufer nutzen den Strömungswiderstand eines Rotors. Der Staudruck, der durch das Abbremsen des Windes auf der dem Wind zugewandten Fläche des Flügels (=Luv Side) entsteht, drückt den Flügel vom Wind weg (=Lee). Bei vertikaler Achse entsteht eine Drehbewegung, die wiederum per Generator in Strom umgewandelt wird.

Auftriebsläufer

Auftriebsläufer nutzen den Auftriebseffekt einer Tragfläche. Durch Umströmung eines profilierten Flügels entsteht auf der Flügelvorderseite ein Sog (Unterdruck), auf der Rückseite leichter Überdruck. Die Druckdifferenz erzeugt eine Antriebskraft auf den Flügel. Abhängig vom Flügelprofil erreicht diese Kraft ihr Optimum, wenn der Flügel in Bewegung ist.

Hybridformen

Hybridformen kombinieren die Vorteile von Widerstands- und Auftriebsläufern bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten und sind so flexibler einsetzbar. Während sie bei niedriger Windgeschwindigkeit vom geringen Drehmoment eines Widerstandsläufers profitieren, wirkt bei starkem Wind das hohe Drehmoment des Auftriebsläufers. Doch erreichen Hybridrotoren nicht so hohe Leistungen wie klassische Auftriebsläufer.

Typen

Widerstandsläufer

Savonius-Rotoren
Als Widerstandläufer bewegen sich Savonius-Rotoren wie der von LuvSide nie schneller als die gerade vorherrschende Windgeschwindigkeit, da die Rotorfläche quasi vom Wind weggedrückt wird. Savonius-Rotoren haben deshalb den niedrigsten Wirkungsgrad und erzielen entsprechend erheblich niedrigere Stromerträge als andere Konstruktionstypen.

Weitere Widerstandsläufer:

  • Helix-Form
  • Schalen-Rotor
  • Vertikalachs-Windrad mit einzeln drehbaren Flügeln
  • Durchström-Rotor mit zahlreichen Schaufeln am Umfang

Auftriebsläufer

Darrieus-Rotoren
Rotorblätter von Darrieus-Rotoren stehen im Gegensatz zu Widerstandsläufern nicht ganz senkrecht zum Wind sondern leicht diagonal. Der auf das Rotorblatt strömende Wind erzeugt – wie bei einem Flugzeugflügel – Auftrieb. Die Umdrehungsgeschwindigkeit von Darrieus-Rotoren kann dadurch erheblich schneller als die vorherrschende Windgeschwindigkeit sein.

Weitere Auftriebsläufer:

  • Helix-Form
  • O-Form („Schneebesen“)

Energieeffizienz

Energieeffizienz

Der theoretische Wirkungsgrad von Windkraftanlagen ist abhängig von der Fähigkeit der Rotoren, Bewegungsenergie des Windes in Leistungsausbeute umzuwandeln. Dieser sogenannte Leistungsbeiwert (oder spezifische Leistungsausbeute) liegt bei maximal bei 59 %. Doch aufgrund von Verlusten in Getriebe und Generator ist der effektive Wirkungsgrad niedriger.
Der Leistungsbeiwert von vertikalen Windkraftanlagen ist deutlich niedriger als bei horizontalen Anlagen. Horizontalläufer erreichen nach dem aktuellen Stand der Technik einen Leistungsbeiwert von etwa 50 Prozent, Vertikalläufer maximal 40 Prozent. Horizontalläufer sind also deutlich effizienter.

Stromzähler

Stromzähler – Strom sparen

Der entscheidende Wert für die Wirtschaftlichkeit einer Windkraftanlage ist jedoch nicht nur deren Leistungsbeiwert, sondern die Gesamtkosten für die Erzeugung einer Kilowattstunde Strom durch Windenergie. Wenn diese so genannten Stromgestehungskosten günstiger sind als der Strompreis des Energieversorgers, spart man Stromkosten.

Die Stromgestehungskosten liegen bei vertikalen Windturbinen meist erheblich höher als bei Horizonalläufern. Nicht umsonst hat sich diese Bauart bei den großen Multimegawatt-Windrädern etabliert.

Vorteile - Nachteile

Vorteile

Nachteile

Da Vertikalläufer den Wind im Gegensatz zu horizontalen Anlagen gewöhnlich aus allen Himmelsrichtungen aufnehmen können (360 Grad), ist keine Windnachführung über eine Windfahne und ein Nachführungssystem nötig.Entscheidender Nachteil vertikaler Windkraftanlagen sind ihre geringen Wirkungsgrade und damit Stromerträge, insbesondere bei Widerstandsläufern. Horizontale Anlagen produzieren bedeutend mehr Strom.
Vertikalläufer sind besser geeignet für Standorte mit starken Luft-Verwirbelungen (z.B. Städte), da sie gegenüber Schräganströmungen, häufigen Windrichtungswechseln und Windturbulenzen unempfindlicher sind.Vertikale Windkraftanlagen sind in Deutschland noch kaum etabliert, das liegt auch an der geringen Marktreife vieler Produkte. Auch gibt es in Deutschland noch kein Zertifizierungsverfahren für Anlagen.
Vertikale Windkraftanlagen haben durch ihren einfachen und robusten Aufbau nur einen geringen Wartungsaufwand, auch weil sich wartungsintensive Komponenten wie der Generator meist in Bodennähe befinden.Vertikalläufer haben meist ein höheres Gewicht als Horizontalläufer.
Vertikale Windkraftanlagen haben geringere Lärmemissionen, sind also leiser als Horizontalläufer, was sie für urbane Gegenden begünstigt.Vertikale Anlagen unterliegen bauartbedingt häufig hohen Schwingungen und Belastungen durch aerodynamische Unwuchten (fluktuierende Flügel, pulsierendes Drehmoment, Mastresonanzen). Das führt zu einer erhöhten Materialbeanspruchung und dadurch unter Umständen zu früherem Verschleiß.
Vertikalläufer haben im Gegensatz zu horizontalen Anlagen keinen unangenehmen Schattenwurf und arbeiten mit niedrigeren Drehzahlen, was insgesamt ein für Beobachter ruhigeres Gesamterscheinungsbild zur Folge hatDurch das starke Resonanzverhalten des Masts aufgrund der Schwingungen kommen bei vertikalen Windkraftanlagen nur begrenzte Masthöhen in Betracht. Doch während in Bodennähe geringe Windgeschwindigkeiten herrschen, gelangen horizontale Windkraftanlagen mit höheren Masten auch in höhere Luftschichten.
Die Bedrohung für Vögel oder Fledermäuse, die von vertikalen Windkraftanlagen ausgeht, ist geringer als jene von horizontalen AnlagenDie Investitionskosten für Vertikalläufer liegen meist über jenen für horizontale Anlagen.
Die Rotorflächen vertikaler Windkraftanlagen eignen sich gut als Werbeträger für Logos, z. B. im gewerblichen BereichDa manche Auftriebsläufer nicht aus eigener Kraft anlaufen, ist ein Hilfsmotor als Anlaufhilfe erforderlich
Vertikale Windkraftanlagen können zum Schutz vor Sturm nicht aus dem Wind gedreht werden

Eine Formel, wie Sie die Leistung Ihrer potenziellen Windkraftanlage errechnen können: P = 1/2 A ro cp v³

ro = 1,2041 kg/m³ (Luftdruck in Küstennähe)
A = 2,8 m² (die vom Wind überstrichene Fläche vom Rotor)
Cp = Wirkungsgrad/Leistungsbeiwert der Anlage
V = Windgeschwindigkeit in m/s

Standorte

Bei Kleinwindkraftanlagen ist der Standort gewöhnlich vorgegeben, nämlich meist auf dem Grundstück des Verbrauchers. Doch der konkrete Ort der Aufstellung einer Kleinwindanlage ist für deren ertragreichen Betrieb und damit für deren Wirtschaftlichkeit von zentraler Bedeutung. Im Gegensatz zu Photovoltaikanlagen ist die Standortsuche bei Kleinwindkraftanlagen deutlich anspruchsvoller . So ist nicht nur das (variable) Windpotential in der Region zu berücksichtigen, sondern auch topografische Charakteristika des jeweiligen Geländes, die sich auf das Strömungsverhalten des Windes auswirken (z.B. Bebauungen, Bäume, Hecken, etc.).

Um die Qualität eines potenziellen Standorts für eine Kleinwindkraftanlage möglichst verlässlich einschätzen zu können, müssen folgende Fragen bezüglich des vorherrschenden Windpotentials beantwortet werden:

Windgeschwindigkeit und Windverhältnisse

Natürlich ist die vorherrschende Windgeschwindigkeit am Aufstellungsort die zentrale Einflussgröße für eine erfolgreiche Stromerzeugung und damit der Wirtschaftlichkeit der Anlage.
Dabei ist zu bedenken, dass die Leistung der Kleinwindkraftanlage mit zunehmender Windgeschwindigkeit überproportional ansteigt. So ist die Leistung bei 6 Metern/Sekunde schon dreimal höher als bei 4 Metern/Sekunde. Je höher die Entfernung der Kleinwindanlage vom Boden, desto höher ist die Windgeschwindigkeit und desto geringer sind störende Luftverwirbelungen. Das kann die Wirtschaftlichkeit verbessern, da die Stromerträge signifikant steigen können.

Windverhältnisse nach unterschiedlichen Regionen

In Deutschland dominieren Westwinde. Generell herrschen an den Küsten die höchsten Durchschnittsgeschwindigkeiten, aber auch in vielen Mittelgebirgsregionen und im Voralpenland gibt es ausreichend Standorte in Höhenlagen, die sich für die Installation von Kleinwindkraftanlagen eignen.

Das Deutsche Institut für Bautechnik (DIBt) unterteilt Deutschland zur besseren Standort- und Anlagenauswahl von Windkraftanlagen, entsprechend seiner regionalen Windverhältnisse, in vier Windzonen (DIN 1055-4). Es wird unterschieden nach Windzone I (Schwachwindstandorte), Windzone II (typische Binnenlandstandorte), Windzone III (Küstennahe Standorte) und Windzone IV (Küstenlinie). Anhand dieser Einordnung können die passenden Anlagentypen ausgewählt werden.

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Eigene Windmessungen durchführen

Zur Beurteilung der Standortqualität der potenziellen Anlage hinsichtlich der Windverhältnisse sollten in einem zweiten Schritt eigene Windmessungen vorgenommen werden. Dabei muss der Windsensor genau an der Stelle und in der Höhe aufgestellt werden, an der die Anlage zukünftig betrieben werden soll. Die Messung sollten über einen Zeitraum von mindestens einem halben, besser aber einem ganzen Jahr durchgeführt werden. Denn nur die Erfassung aller saisonalen Unterschiede ergibt ein aussagekräftiges Gesamtbild. Fachhändler für Kleinwindkraftanlagen besitzen i.d.R. Leihmessgeräte, mit denen Langzeit-Windmessungen angefertigt werden können.

Emissionen durch Schattenwurf und Geräusche

Neben der Geräuschentwicklung einer Kleinwindkraftanlage kann vor allem deren Schattenwurf als störend angesehen werden. Dies gilt vor allem für horizontale Anlagen, die durch ihre Rotordrehung häufig störende Flickereffekte hervorrufen. Vertikale Anlagen sind dagegen von diesem Problem kaum betroffen, da sie mit niedrigeren Drehzahlen arbeiten, was insgesamt ein für Beobachter ruhigeres Gesamterscheinungsbild zur Folge hat.

Auch in Bezug auf Geräusch-Emissionen sind vertikale Anlagen günstiger. Grundsätzlich gilt es, die gesetzlichen Vorgaben der TA Lärm (Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm) einzuhalten. Hier geben die entsprechenden Angaben des Herstellers einer Kleinwindanlage Aufschluss. Je größer der Abstand der Anrainer zur Anlage, umso geringer fallen die Geräusch-Emissionen aus.

Grundsätzlich sollte man sich frühzeitig mit den Anrainern austauschen und ihnen die eigenen Pläne vorstellen, um möglichen Konflikten vorzubeugen.

Wirtschaftlichkeit

Genehmigung

Die Genehmigungspraxis ist ein wichtiger Faktor für die Verbreitung von Kleinwindanlagen. In Deutschland gibt es auf Bundesebene keine einheitliche Regelung für die Genehmigung von Kleinwindkraftanlagen. Ein Genehmigungsverfahren unterliegt dem Landesbauordnungsrecht, das sich je nach Bundesland unterscheidet. Während Kleinwindanlagen über 10 Meter Höhe in allen Bundesländern genehmigungspflichtig sind, gelten für Anlagen bis 10 m Höhe in manchen Bundesländern Ausnahmen.

Generell ist die Genehmigungslage für die Errichtung einer Kleinwindkraftanlage in Wohngebieten schwieriger als in Gewerbegebieten, Mischgebieten oder im ländlichen Raum. Vor allem in bebauten Siedlungsgebieten haben vertikale Windturbinen in der Regel bessere Erfolgschancen bei der Erlangung einer Baugenehmigung als horizontale Windturbinen (wg. Schall, Optik, etc.).

Im Vorfeld einer kosten- und zeitaufwändigen Detailplanung sollte man das Gespräch mit der jeweiligen Bauaufsichtsbehörde (Landratsamt) suchen, um zu klären, was für eine Antragstellung grundsätzlich zu beachten ist. Das gilt vor allem hinsichtlich der Wahrung öffentlicher Belange:

Die Gesetzeslage für die Genehmigung von Kleinwindkraftanlagen in den einzelnen Bundesländern wird laufend angepasst. Im Rahmen der politischen Steuerung eines Ausbaus von Windkraftanlagen können sich auch die Rahmenbedingungen für Kleinwindanlagen mittelfristig ändern. Zusammenfassend kann man sagen, dass es stark abhängig ist von den Menschen, die sich vor Ort mit dem Thema Windkraftanlage auseinandersetzen. Wenn die zuständige Behörde schon Erfahrungen in der Region hat, wird die Genehmigung jeder weiteren Anlage wesentlich leichter fallen.

Kosten einer Kleinwindkraftanlage

Da die Investitions- und Betriebskosten einer Kleinwindanlage im Vergleich zu PV-Anlagen relativ hoch sind, sollte für einen wirtschaftlichen Betrieb schon ein sehr guter Standort vorausgesetzt werden. Je nach Standort und Anlagengröße weisen Kleinwindkraftanlagen Stromgestehungskosten zwischen 15 und 30 ct/kWh auf.

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Bei den Investitionskosten sind folgende Punkte zu berücksichtigen:

Neben den Investitionskosten können für die Betriebsdauer folgende Posten anfallen:

Marktaussichten von Kleinwindkraftanlagen

Kleinwindenergieanlagen sind ein noch junger Markt, der in Deutschland, Österreich und der Schweiz noch am Anfang steht. Nach dem Report der World Wind Energy Association (WWEA) wurden 2011 weltweit rund 74.000 kleine Windturbinen neu installiert, verglichen zum Vorjahr ein Wachstum von 11 %. Die Anzahl der insgesamt installierten Kleinwindräder stieg auf 730.000 Anlagen. In Deutschland liegt die Anzahl bisher installierter KWE-Anlage zwischen 10.000 und 15.000, die aktuelle Datenlage lässt nur eine Schätzung zu. Marktanalysen des Bundeswirtschaftsministeriums sehen einen Bedarf an Kleinwindenergieanlagen (KWEA) allein in Deutschland von 10.000 Stück/Jahr – mit stark steigender Tendenz.

Staatliche Fördermaßnahmen für Kleinwindkraftanlagen gibt es derzeit nicht. In Deutschland wird ins öffentliche Netz eingespeister Strom aus Windkraftanlagen derzeit mit nur rund 9 Cent pro kWh vergütet. Die Einspeisung lohnt sich aufgrund der nicht kostendeckenden Einspeisetarife in Deutschland nicht. In Ländern wie Italien oder Großbritannien liegen die Einspeisetarife für Kleinwindkraftanlagen dagegen viel höher. Stattdessen kann Wirtschaftlichkeit nur über den Eigenverbrauch des produzierten Windstroms erreicht werden. Wenn dieser günstiger ist als der Strompreis des Energieversorgers, spart man Stromkosten. Aufgrund der steigenden Strompreise wird sich die Wirtschaftlichkeit von Kleinwindkraftanlagen in den kommenden Jahren jedoch kontinuierlich verbessern. Je mehr Windstrom man selbst verbraucht, umso wirtschaftlicher wird die eigene Kleinwindkraftanlage. Bei guten Standortbedingungen können Kleinwindkraftanlagen schon heute in Deutschland wirtschaftlich betrieben werden.

An vielen Standorten wird die Amortisation einer Kleinwindanlage jedoch gerade für private Verbraucher länger auf sich warten lassen, da sie meist einen zu geringen Stromverbrauch (Vier-Personen-Haushalt: 4.000 – 5.500 kWh p.A.) haben und ihre Anlagen in bebautem Gebiet weniger Ertrag bringen. Für Landwirte mit einem hohen Stromverbrauch und einer Anlage in freier Lage wird die Wirtschaftlichkeit ihrer Kleinwindkraftanlage dagegen viel schneller erreicht.

Im Vergleich zu Solarstromanlagen fristen Kleinwindkraftanlagen derzeit noch ein Nischendasein in Deutschland. Erst eine Anpassung des staatlichen Förderrahmens – wie bei Photovoltaikanlagen vor einigen Jahren geschehen – würde zu einer verstärkten Nachfrage führen. Der Photovoltaik-Boom in Deutschland kann als Paradebeispiel für die erfolgreiche Verbreitung einer jungen Energietechnologie gesehen werden.

Der Markt für Kleinwindkraftanlagen wird sich in den nächsten Jahren kontinuierlich weiterentwickeln. Zum einen wird der selbst produzierte Strom aus Windkraft aufgrund des steigenden Strompreises immer wirtschaftlicher. Zum anderen entwickelt sich die Technologie der Kleinwindanlagen weiter und wird Marktreife erlagen. So lassen sich durch Effizienzsteigerung Anlagen auch an Standorten betreiben, die heute noch keine Wirtschaftlichkeit ermöglichen.

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