Was ist ein Windturbinen-Generator?
Ein Windturbinen-Generator ist ein Gerät, das die Kraft des Windes nutzt, um seine Flügel zu drehen und diese Rotationskraft in einem Generator in Strom umzuwandeln.
Im Gegensatz zur thermischen Stromerzeugung nutzen Windturbinen-Generatoren nur natürliche Energie und werden daher als saubere Stromerzeuger geschätzt. Sie müssen auf großen Flächen mit viel Wind installiert werden. Es gibt auch Offshore-Windturbinen, die auf dem Meer installiert werden und somit mehr Platz als an Land und eine stabilere Stromerzeugung als an Land bieten. Diese werden hauptsächlich in Europa und anderswo eingesetzt.
Vorteile der Windenergie
- Diese ist umweltfreundlich, da bei der Stromerzeugung kein Kohlendioxid freigesetzt wird.
- Da die Windkraft als Energie genutzt wird, kann so lange Strom erzeugt werden, wie der Wind weht.
Nachteile der Windenergie
- Bei der Stromerzeugung wird Lärm erzeugt.
- Da der Strom durch Wind erzeugt wird, wird die erzeugte Strommenge leicht durch das Wetter und andere Faktoren beeinflusst.
Anwendungen von Windturbinen-Generatoren
Rangliste der Windenergieerzeugung nach Ländern in der Welt
Die Windenergie ist heute eine weltweit verbreitete Methode der Stromerzeugung. Die Länder mit den meisten Windturbinen-Generatoren sind, von oben nach unten, China, die USA, Deutschland, Indien und Spanien.
Funktionsweise von Windturbinen-Generatoren
In diesem Abschnitt werden die Funktionsweise und die Prinzipien der Windkraft erläutert. Windturbinen fangen die Kraft des Windes zunächst mit großen Schaufeln, den so genannten Flügeln, ein, die den Wind, der hauptsächlich von vorne kommt, in Rotationskraft umwandeln. Die Flügel beginnen sich dann zu drehen und sind mit einem zentralen Getriebe verbunden, das mit Hilfe von Zahnrädern die Rotationskraft auf die vom Generator benötigte Leistung verstärkt. Die vom Getriebe übertragene Rotationskraft wird dann vom Generator umgewandelt und an das Umspannwerk weitergeleitet.
Es gibt zwei Arten von Windturbinen, je nach Ausrichtung der Flügel: die mit horizontaler Achse und jene mit vertikaler Achse. Der Typ mit horizontaler Achse ist eine Windturbine, deren Flügel senkrecht zum Boden stehen, während der Typ mit vertikaler Achse parallel zum Boden rotiert. Der Typ mit horizontaler Achse wird im Allgemeinen mit der Windenergieerzeugung in Verbindung gebracht, aber der Typ mit vertikaler Achse zeichnet sich im Vergleich zum Typ mit horizontaler Achse durch seinen niedrigen Geräuschpegel aus. Aufgrund ihrer geringen Leistung werden sie jedoch in kleinen Gebieten wie Parks eingesetzt.
Größe der Windturbinen
Windturbinen werden von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) definiert als Mikrowindturbinen für Produkte mit einer Leistung von weniger als 1 kW, kleine Windturbinen für 1-50 kW und große Windturbinen für 50 kW oder mehr.
1. Kleine Windturbinen
Als Kleinwindturbinen gelten Anlagen mit einer Windangriffsfläche von 200 m2 oder weniger und einem Propellerdurchmesser von 16 m oder weniger.
2. Große Windturbinen mit einer Nennleistung von 600 kW
Bei Großwindanlagen mit einer Nennleistung von 600 kW beträgt die Höhe des Turms in der Regel 40-50 m und der Propellerdurchmesser 45-50 m. Als grober Richtwert gilt, dass 40 m einem 10-stöckigen Bürogebäude entsprechen.
3. Große Windturbinen von 1000 kW bis 2000 kW
Bei großen Windkraftanlagen mit einer Nennleistung von 1000 kW bis 2000 kW beträgt die Höhe des Turms 60-80 m und der Durchmesser des Propellers 60-90 m. Als grober Anhaltspunkt gilt: 60 m entsprechen einem 15-stöckigen Bürogebäude.
Standort von Windturbinen
Windturbinen lassen sich grob in Onshore- und Offshore-Standorte unterteilen.
1. Onshore-Windturbinen
Onshore-Windturbinen können auf großen Landflächen installiert werden, auf denen die Windgeschwindigkeiten über einem bestimmten Niveau (in der Regel 6 m/Jahr oder höher) stabil sind.
Die Gebiete, in denen Winde wehen, die die Bedingungen erfüllen, können anhand der von der NEDO bereitgestellten lokalen Windkarten überprüft werden oder indem ein Simulationsdienstleister beauftragt wird.
Bei der Installation in Japan besteht die Herausforderung nicht nur darin, mit der Umgebung zu harmonieren, sondern auch Taifunen und anderen Wetterbedingungen standzuhalten. Für die Installation einer kleinen Windturbine wird eine Fläche von ca. 130 m2 benötigt, so dass es wichtig ist, die Grundfläche, die Lage zu den Nachbarhäusern, die natürliche Umgebung und die Windverhältnisse zu berücksichtigen.
2. Offshore-Windturbinen
Offshore-Windturbinen sind Windkraftanlagen, die auf dem Meer oder auf Seen gebaut werden, um Windenergie zu erzeugen.
Im Vergleich zu Onshore-Windturbinen erzeugen diese Turbinen mehr Windkraft in einer stabileren Art und Weise und vermeiden Risiken wie Lärm und Menschenopfer. Sie werden nicht nur auf dem Meer, sondern auch in Seen, Fjorden und Häfen installiert.
Der Hauptvorteil der Offshore-Windenergie besteht darin, dass sie die Kraft des Windes nutzen kann, ohne wertvolle Landressourcen zu beanspruchen. Außerdem können Offshore-Windturbinen in Gebieten mit hohen Windgeschwindigkeiten errichtet werden, was bedeutet, dass sie große Mengen an Strom erzeugen können. Da die Forschung und Entwicklung im Bereich der erneuerbaren Energien immer aktiver wird, besteht die große Erwartung, dass diese Art der Stromerzeugung eine Schlüsselrolle in der nächsten Generation der Energieversorgung spielen wird.
Die wachsende Beliebtheit der Offshore-Windenergie ist auf das zunehmende weltweite Interesse an der Dekarbonisierung zurückzuführen.
Zu den erneuerbaren Energien zählen im Allgemeinen Wasserkraft und Sonnenenergie, wobei die erzeugte Energiemenge von der Niederschlagsmenge bzw. der Sonneneinstrahlung (Tageszeit) abhängt. Die Windkraft kann die Schwächen der Solarenergie ausgleichen, da sie auch nachts stabil Strom erzeugen kann.
Allerdings kann die Windkraft in windschwachen Zeiten oder bei Taifunen keinen Strom erzeugen. Deshalb ist es wichtig, sich nicht nur auf eine Stromerzeugungsmethode zu verlassen, sondern sie mit anderen Stromerzeugungsmethoden zu ergänzen. Eine verstärkte Offshore-Stromerzeugung könnte dazu beitragen, fossil befeuerte Kraftwerke überflüssig zu machen und das Ziel zu erreichen, bis 2050 nahezu keine Treibhausgasemissionen mehr zu verursachen.
Der größte Nachteil der Offshore-Windenergie sind ihre hohen Kosten. Die anfänglichen Investitions- und Wartungskosten für Offshore-Windenergie sind viel höher als für Onshore-Windenergie. Ein weiterer Nachteil ist das Potenzial für negative Umweltauswirkungen. Es gibt Bedenken wegen des Lärms, der Beeinträchtigung der Landschaft und der Auswirkungen auf das Meeresleben.
Schwimmende Offshore-Windturbinen
Es gibt zwei Arten von Offshore-Windturbinen: den implantierten Typ, bei dem der Generator am Meeresboden befestigt ist und den schwimmenden Typ, bei dem der Generator auf dem Meeresboden schwimmt.
Der implantierte Typ ist auf flache Gewässer beschränkt, ist aber robust und es können große Generatoren installiert werden. Schwimmende Systeme hingegen sind in Bezug auf die Größe und Effizienz der Generatoren begrenzt, können aber in großer Zahl an jedem beliebigen Ort installiert werden.
In Europa und den USA ist der implantierte Typ am weitesten verbreitet. Andererseits gewinnen schwimmende Windturbinen, die in Bezug auf den Aufstellungsort weniger eingeschränkt sind, in Japan zunehmend an Bedeutung, da sie die von Offshore-Windturbinen in tieferen Gewässern in Küstennähe erzeugte Energiemenge erhöhen können. Die Installation schwimmender Windturbinen birgt viele Herausforderungen hinsichtlich der Kosten und des Energietransports und es sind weitere Forschungen erforderlich.