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Windenergie
Ausarbeitung zum Vortrag
im Rahmen des Hauptseminars Experimentalphysik
Physikalische Grundlagen der Energieumwandlung
an der Universität Duisburg-Essen
Standort Duisburg
WS 2005/2006
Karoline A. Piegdon
Duisburg, im Jan. 2006
1
0. Gliederung
1. Motivation
2. Wind
2.1. Meteorologie
2.2. Windenergie
3. Nutzung der Windenergie
3.1. Geschichtliches
3.2. Vertikalachsen-Anlagen
3.2.1.Der Savonius Rotor
3.2.2.Der Darrieus Rotor
3.3. Horizontalachsen-Anlagen
3.3.1. Das Prinzip des Auftriebsläufers
3.3.2. Das dänische Konzept
3.3.3. Aufbau und Komponenten
3.3.4. Problemstellungen und Lösungsansätze
3.4. Der Flettner-Rotor (Magnus Effekt)
4. Vergleich verschiedener Energieumwandlungen /
Ausblick
5. Literaturverzeichnis
2
1. Motivation
Zur heutigen Zeit besteht selbst in der breiten Öffentlichkeit kein Zweifel mehr
daran, dass der Treibhauseffekt direkt in Zusammenhang steht mit dem Ausstoß
von CO 2 und anderen Treibhausgasen.
Laut einer Studie der DPG [1] aus dem September 2005 hat Deutschland zwar
nur einen Anteil von 3-4% an der weltweiten Treibhausgasemission und kann
demnach kaum einen Beitrag zur Verbesserung des Weltklimas liefern, aber eine
Klimaschutzpolitik in Hinblick auf eine weitere Senkung der CO 2 -Emission, einen
Ausbau der regenerativen Energien und den Ausstieg aus der Atomkraft sollte
auch gesehen werden mit Blick auf den Vorbildcharakter Deutschlands für
andere Nationen.
Ziel Deutschlands war es in den letzten 15 Jahren, die CO 2 -Emission bis 2005
um 25% zu senken, erreicht wurde hingegen nur eine Minderung von circa 9%
[1]. Deshalb sollte es Motivation für die nächsten Jahre sein, trotz des
Atomausstiegs die Reduktion der Treibhausgase weiter voranzutreiben. Eine
wichtige Frage, die sich in diesem Zusammenhang stellt, ist wie man in Zukunft
die Energieversorgung Deutschlands vollbringen soll.
Es bieten sich einige Arten regenerativer Energien an, die genutzt werden
können oder schon genutzt werden. Eine der ältesten Arten, Energie
umzuwandeln und zu nutzen, ist die Windenergie. Deutschland spielt bei der
Energieproduktion aus Windenergie und bei der Herstellung von
Windenergieanlagen (WEA) weltweit eine führende Rolle - nicht zuletzt aus dem
Grunde, dass die CO 2 Produktion durch WEA sich primär auf die Herstellung und
Entsorgung der Anlagen beschränkt, dass sich die Anlagen energetisch
innerhalb weniger Monate amortisieren [2], und dass seit 1975 weltweit nur 22
Tote durch die Nutzung der Windenergie zu beklagen waren [3].
Trotz der genannten Vorteile ist man auch nach langjähriger Forschung weiterhin
vor Probleme gestellt. Es erscheint also sinnvoll, sich – auch in physikalischer
Hinsicht – in Zukunft weiter mit dem Thema der Windenergie zu beschäftigen
und die Entwicklung voranzutreiben.
Die vorliegende Ausarbeitung möchte einen Überblick geben über die
physikalischen Grundlagen der Windenergie, ihrer Nutzung und der Probleme,
die bei der Umwandlung in elektrische Energie auftreten.
2. Wind
2.1. Meteorologie
Die Energie des Windes kommt primär von der Sonne. Etwa 1-2% der Energie,
die auf der Erde ankommt, wird umgewandelt in die kinetische Energie des
Windes [4].
3
Die in die Atmosphäre tretende Strahlung der Sonne regt die Treibhausgase wie
z.B. CO 2 oder Methan, die in der Luft enthalten sind, zu Schwingungen an und
erwärmt so die Atmosphäre. Außerdem erwärmt die Sonnenstrahlung den
Erdboden, der seinerseits die Wärme teilweise in die umgebenden Luftschichten
abstrahlt.
Da die Erwärmung der Luft nicht überall gleichermaßen auftritt, kommt es zu
Druckunterschieden in der Atmosphäre, denn die wärmere Luft steigt wegen
ihrer geringeren Dichte auf, es entsteht also ein Tiefdruckgebiet. In kälteren
Regionen sinkt die Luft wieder herab, es entsteht ein Hochdruckgebiet. Wegen
der Druckunterschiede bewegen sich die Luftmassen in den erdnahen
Luftschichten vom Hoch- zum Tiefdruckgebiet, es entsteht also Wind.
Im einfachsten Falle (keine Erddrehung,
keine Ekliptik, überall der gleiche
Absorptionsgrad des Erdbodens) würde
sich in der Erdatmosphäre eine einzige
Konvektionszelle pro Erdhalbkugel
ausbilden, wie in Abb.1 gezeigt. Da am
Äquator die Intensität der
Sonneneinstrahlung am größten ist,
erwärmt sich dort die Luft am meisten, es
entsteht ein Tiefdruckgebiet (L in Abb.1).
An den Polen ist die Strahlungsintensität
am geringsten, es entstehen
Hochdruckgebiete (H in Abb.1). Die Luft
steigt also am Äquator auf und sinkt an
den Polen wieder herab. In Erdnähe
kommt es so zu Winden von den Polen
zum Äquator, in den höheren
Luftschichten genau umgekehrt.
Bekanntermaßen ist die Situation auf der Erde aber nicht so einfach darstellbar.
Bei der realen Entstehung der Winde gehen noch viele weitere Aspekte mit ein.
Grob lassen sich die unterschiedlichen Winde in zwei Kategorien einteilen: die
globalen und die lokalen.
Zur Entstehung der globalen Winde kommt es - wie eben schon beschrieben –
durch unterschiedliche Sonneneinstrahlung. Beeinflusst werden die globalen
Winde aber zusätzlich durch die Corioliskraft, die durch die Erdrotation entsteht.
Die erwärmte Luft, die am Äquator aufsteigt, wird auf der Nordhalbkugel nach
rechts abgelenkt (auf der Südhalbkugel nach links), bis die Corioliskraft circa
beim dreißigsten Breitengrad ein Weiterfließen der Luft verhindert. In der Realität
bilden sich auf diese Weise drei Konvektionszelle pro Erdhalbkugel, wie es in
Abb.2 gezeigt wird. Weiteren Einfluss auf die globalen Winde nehmen die
jahreszeitlichen Veränderungen der Sonneneinstrahlung, die durch die Ekliptik
der Erde hervorgerufen werden, d.h. durch die Tatsache, dass die Achse der
Erdrotation nicht senkrecht zu der Umlaufbahn um die Sonne steht. Außerdem
verändern die verschiedenen Untergrundbeschaffenheiten auf der Erde die
Zirkulation der Luftschichten. Beispiele dafür sind z.B. Gebirgszüge, die den
Abb.1: Einfachste Konvektionszelle
auf der Erde [5]
4
Abb.1: Einfachste Konvektionszelle auf
der Erde [5]
bodennahen Luftfluss
unterbrechen bzw.
ablenken, oder die
Ozeane,
die
die
Sonneneinstrahlung
anders absorbieren als
die Landmassen. Bei
den zuletzt genannten
Beispielen ist die
Abgrenzung zu den
lokalen Winden recht
schwierig.
Die lokalen Winde
werden hauptsächlich
hervorgerufen
und
beeinflusst
von
morphologischen
Strukturen, von den
unterschiedlichen
Absorptionskoeffizien-
ten der Untergründe,
den verschiedenen Wärmekapazitäten und in Folge der letzten beiden Aspekte
durch die unterschiedlichen Temperaturen. So ist ein Beispiel für einen lokalen
Wind der Seewind, der tagsüber an der Grenze vom Land zum Meer entsteht.
Der Erdboden absorbiert die Sonnenstrahlung schlechter als das Wasser, es
wird mehr Strahlung reflektiert, die die umliegenden Luftschichten erwärmt. Es
kommt zu einem Temperaturgefälle vom Land zum Wasser und dadurch zu
Luftbewegungen vom Wasser zum
Land. In der Nacht dreht sich dieser
Effekt um, denn das Wasser gibt die
am Tage gespeicherte Wärme an die
Luft ab. Andere Beispiele für lokale
Winde sind Berg- und Talwinde, die an
strahlungsintensiven Tagen ungestört
von großräumigen Windströmungen im
Gebirge entstehen, z.B. der Föhn in
den europäischen Alpen.
Abb.2:Reale Konvektionszellen auf der Erde [4]
2.2. Windenergie
Abb.3:Zylinder, durch den die Luft mit
der Geschwindigkeit v strömt
Die im Wind gespeicherte Energie ist
die kinetische Energie der bewegten
Luftmoleküle. Da die Nutzung der
Windenergie heute fast ausschließlich
über sich drehende Rotoren umgesetzt
wird, die naturgemäß eine runde
5

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