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Wind- und Wasserenergie
In der deutschen Energieversorgung (1977) der Anteil von:
fossiler Energie: 93 %
Kernenergie : 3 %
Wasserkraft : 3 %
Windenergie : ca. 0.5 % Im
Zuge der Industrialisierung muss der Klimawandel (Klimawandel ist eine Veränderung der statistischen Verteilung der Wetterverhältnisse, wenn dieser Wandel über einen längeren Zeitraum andauert) verursacht durch CO2 (Kohlendioxid ist ein farbloses und geruchloses Gas, das für das Leben auf der Erde lebenswichtig ist) und das Bevölkerungswachstum fortschreitet, die erneuerbaren Energien (Erneuerbare Energie ist Energie, die aus erneuerbaren Ressourcen gewonnen wird, die natürlich in einem menschlichen Zeitrahmen wieder aufgefüllt werden, wie Sonnenlicht, Wind, Regen, Gezeiten, Wellen und Erdwärme) stärker ausgebaut werden.
Grundsätzlich kommen alle Arten von Energie von der Sonne . Sonnenstrahlung (Sonneneinstrahlung ist die Leistung pro Flächeneinheit, die von der Sonne in Form von elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich des Messgerätes empfangen wird) hält den natürlichen Wasserkreislauf der Erde aufrecht (Der Wasserkreislauf, auch Wasserkreislauf oder Wasserkreislauf genannt, beschreibt die kontinuierliche Bewegung des Wassers auf, über und unter der Erdoberfläche). Das Wasser verdunstet und fällt als Niederschlag auf die Erde zurück. All diese Energien sind unerschöpflich. Aufgrund der Höhenunter
schiede zwischen den einzelnen Landflächen und dem Meeresspiegel entsteht auf den Kontinenten nutzbare potentielle Energie (in der Physik ist potentielle Energie die Energie, die ein Körper aufgrund seiner Lage zu anderen besitzt, Spannungen in sich selbst, elektrische Ladung und andere Faktoren) der Wassermenge. Die potentielle Wasserenergie (E) hängt in erster Linie von der Fallhöhe und der Wassermenge ab.
Die weltweite Stromerzeugung beträgt fast 20 Millionen Gigawatt (Das Watt ist eine abgeleitete Leistungseinheit im Internationalen Einheitensystem, definiert als 1 Joule pro Sekunde und kann zur Quantifizierung der Energieübertragungsrate verwendet werden) Jahre, von denen ca. 10 % für Wasserenergie verwendet wurden. In Deutschland und der Schweiz werden bereits 80% der potenziellen Wasserkraft in Europa genutzt. Der Anteil, der in Strom umgewandelt wird, beträgt nur 4%. In den letzten 5 Jahren wurde eine jährliche Wachstumsrate von 5,4 % beobachtet. Die Investitionskosten pro kWh für Wasserkraft variieren erheblich und betragen je nach Art und Standort des Kraftwerks 3000-18000 DM. Der Preis ist damit höher als bei fossil befeuerten Wärme- oder Kernkraftwerken (nur Baukosten). Aufgrund der extrem niedrigen Betriebskosten und der langen Lebensdauer ist die Stromerzeugung von Wasserkraftwerken jedoch wirtschaftlich. Die Erzeugungskosten liegen in der Regel zwischen 2 Pf (ältere, abgeschriebene Anlagen) und 18 Pf pro kWh (neue Anlagen). Daraus leitet sich das unterschlächtige Wasserrad ab, bei dem es einen leichten Höhenunterschied zwischen Ein- und Auslauf des Wassers gibt und somit neben der kinetischen Energie auch die Energie des Wassers von der Bergseite genutzt wird. Anders verhält es sich mit dem im Mittelalter entwickelten Wasserrad: Hier fließt das Wasser von oben auf die trogförmigen Schaufeln, so dass das Rad hauptsächlich durch das Gewicht des Wassers angetrieben wird. Eine Mischform mit überwiegender Nutzung der Positionsenergie ist das mittelschwere Wasserrad (Ein Wasserrad ist eine Maschine zur Umwandlung der Energie von fließendem oder fallendem Wasser in nützliche Energieformen, oft in einer Wassermühle). Voraussetzung für die Nutzung der Wasserkraft zur Stromerzeugung ist, dass eine ausreichende Menge und Fallhöhe des Wassers vorhanden ist und eine Wasserturbine aufgrund eines Gefälles mit einer effektiven Strömungsgeschwindigkeit angetrieben werden kann. Kraftwerke wurden dort gebaut, wo Dämme für den Hochwasserschutz gebaut werden mussten, um genügend Wassertiefe für die Schifffahrt zu schaffen oder Wasser für die Trinkwasserversorgung zu speichern. Geeignete Einsatzorte für Wasserturbinen (Eine Wasserturbine ist eine rotierende Maschine, die kinetische Energie und potentielle Energie des Wassers in mechanische Arbeit umwandelt) Typen sind: hohe Köpfe mit geringen Wassermengen im Hochgebirge, mittlere Köpfe (Der Kopf- oder Schädelindex ist das Verhältnis der maximalen Breite des Kopfes eines Organismus multipliziert mit 100 geteilt durch seine maximale Länge) und Wassermengen an den Dämmen und niedrigen Köpfen, aber große Wassermengen an den Flüssen der Mittelgebirge und der Niederungen. Basierend auf diesen Erkenntnissen haben sich heute drei Turbinentypen etabliert, die von der Fallhöhe und der Wassermenge abhängen, um die maximale Energiemenge aus dem Wasser zu holen: die Kaplanturbine (Die Kaplanturbine ist eine Propeller-Wasserturbine mit verstellbaren Schaufeln), die Francisturbine und die Peltonturbine. Dieser Turbinentyp ähnelt einem Schiffspropeller. Der einströmende Wasserstrom wird vom Leitwerk so gelenkt, dass er auf 3-6 drehbare Schaufeln des Laufrades parallel zur vertikal angeordneten Welle trifft. Die Schaufeln des Turbinenrades sind verstellbar. Dadurch kann die Turbinenleistung an die schwankende Flusswasserversorgung angepasst werden. Diese Turbine wird hauptsächlich bei Förderhöhen von 2-60 m eingesetzt. Sie ist auf eine Leistung von 125 MW ausgelegt und arbeitet mit einem maximalen Wirkungsgrad von 95%. Die Francisturbine wurde 1849 von James B. Francis erfunden (James Bicheno Francis war ein britisch-amerikanischer Bauingenieur, der die Francisturbine erfand). Bei der Francisturbine (Die Francisturbine ist eine Art Wasserturbine, die von James B. Francis in Lowell, Massachusetts, entwickelt wurde), wird das Wasser durch ein feststehendes Leitrad mit verstellbaren Schaufeln auf die gegenläufigen gekrümmten Schaufeln des Laufrades geleitet, und da das Wasser vor dem Eintritt in die Turbine unter höherem Druck steht als nach dem Austritt, spricht man von einer Überdruckturbine. Dieser Turbinentyp wird in Laufwasserkraftwerken, vor allem aber in Speicher- und Pumpspeicherkraftwerken bis 700 m Höhe eingesetzt, wo er Leistungen von bis zu 750 MW bei einem Wirkungsgrad von bis zu 90 % erreichen kann. Die Peltonturbine wurde 1889 von dem Amerikaner Lester A. Pelton erfunden. Diese Turbine, bei der das Wasser aus der Stopfbuchse tangential auf das Laufrad trifft, das mit bis zu 40 Tassen ausgestattet ist. Bei diesem Turbinentyp können Förderhöhen zwischen 100-2000 m eingesetzt werden.
Damit werden Leistungen von bis zu 500 MW und ein Wirkungsgrad (typisch für ein Hochgebirgsspeicherwerk) von ca. 90 % erreicht.
Da neben der Förderhöhe und dem Wasservolumen noch weitere Faktoren die Wahl der Turbinen beeinflussen, überschneiden sich die Einsatzgebiete der verschiedenen Turbinentypen.
Das Laufwasserkraftwerk zeichnet sich durch eine geringe Fallhöhe und einen konstanten Wasserdurchsatz aus.
In diesem Kraftwerkstyp werden in der Regel Kaplanturbienen eingesetzt. Aufgrund der relativ konstanten Wasserversorgung sind Laufwasserkraftwerke für den Betrieb rund um die Uhr geeignet. In Deutschland dienen sie daher neben Braunkohle (Braunkohle ist ein weiches braunes, brennbares Sedimentgestein aus natürlich verdichtetem Torf) und Kernkraftwerken als Basiskraftwerke. Für den Bau dieses Kraftwerkstyps eignen sich Hochseen mit natürlichem Wasserzulauf und Dämmen mit Francis- oder Peltonturbine (das Peltonrad ist eine Impulswasserturbine). Im Gegensatz zu Laufwasserkraftwerken ist die kontinuierliche Nutzung des zugeführten Wassers in Speicherkraftwerken nicht sinnvoll. Es ist besser, die Anlage mit einer hohen Dauerleistung auszustatten, als es aufgrund des Zuflusses angemessen wäre, um dann mehr Wasser aus dem Speicherbecken zu entnehmen und bei steigendem Strombedarf in Strom umzuwandeln. Bei reduziertem Leistungsbedarf wird das einströmende Wasser als potentielle Energie im Speicherbecken gesammelt. Dementsprechend werden Speicherkraftwerke vor allem in der Stromversorgung zur Deckung von Nachfragespitzen eingesetzt. Die zugehörigen Dämme dienen zum Teil auch dem Hochwasserrückhalt, der Regulierung des Abflusses in den nachgelagerten Flüssen zur Sicherung des Transports und der Speicherung für Trinkwasser- und Bewässerungszwecke. Bei der Pumpspeicherung (Pumpspeicherkraftwerk, oder Pumpspeicherkraftwerk, ist eine Form der Wasserkraftspeicherung, die von elektrischen Energiesystemen zum Lastausgleich genutzt wird) Kraftwerke , wird das Wasser in Zeiten geringer Leistungsaufnahme mit Hilfe von elektrischen Pumpen in einen höheren Speicher gepumpt, um Spitzenlasten während des Tages abzudecken. Das ist keine Stromerzeugung, sondern die einzige wirtschaftliche Möglichkeit, Strom in großen Mengen zu speichern, obwohl Pumpspeicherkraftwerke nur einen Wirkungsgrad von 75% erreichen. Diese Kraftwerke erfüllen auch eine wichtige Funktion für eine sichere Stromversorgung, z.B. Reserveversorgung bei Ausfall anderer Kraftwerke , Aufrechterhaltung der Netzfrequenz und Stabilisierung des Netzes.
Sonnenstrahlung (Sonnenlicht ist ein Teil der von der Sonne abgegebenen elektromagnetischen Strahlung, insbesondere infrarotes, sichtbares und ultraviolettes Licht) erwärmt die Luft über dem Boden und Wasser. Diese Erwärmung variiert von Region zu Region, d.h. die Luft steigt in Gebieten mit höherer Einstrahlung höher als in Gebieten mit geringerer Einstrahlung. Die daraus resultierenden Ausgleichsluftströme vom Hochdruck- in den Niederdruckbereich (Ein Niederdruckbereich, Niederdruckbereich oder Depression ist ein Bereich, in dem der atmosphärische Druck niedriger ist als der der umliegenden Standorte) werden als Wind bezeichnet. Wind ist also eine Bewegung von Luftmassen und damit Träger kinetischer Energie (In der Physik ist die kinetische Energie eines Objekts die Energie, die es aufgrund seiner Bewegung besitzt). Großräumige Luftströmungen sowie Passatwinde (Die Passatwinde sind das vorherrschende Muster der östlichen Oberflächenwinde in den Tropen, im unteren Teil der Erdatmosphäre, im unteren Teil der Troposphäre nahe dem Äquator der Erde ) und Monsunwinde werden durch die Rotation der Erde und die Verteilung zwischen Land und Meer beeinflusst. Lokale Winde unterliegen den Auswirkungen von ´Bodenrauhigkeit´, d.h. der unterschiedlichen Beschaffenheit der Landoberfläche. Auch Gebäude beeinflussen das Strömungsverhalten.
Mit diesem theoretischen Potenzial könnte der gesamte weltweite Strombedarf gedeckt werden. Andererseits sind die technischen und wirtschaftlichen Möglichkeiten sehr begrenzt, da die Nutzung der Windenergie nur an Standorten mit einer durchschnittlichen jährlichen Windgeschwindigkeit von 4-5 m/s (Windstärke 3) sinnvoll ist. Das technisch nutzbare Potenzial Deutschlands wird auf rund 12 % des Stromverbrauchs pro Jahr geschätzt.
Das heißt, wenn sich die Windgeschwindigkeit verdoppelt, erhöht sich die Leistung um das Achtfache. Dies gilt auch umgekehrt; wenn die Windgeschwindigkeit um die Hälfte sinkt, wird die Windleistung auf 1/8 des vorherigen Wertes reduziert.
Zur Beurteilung des Standorts einer Windenergieanlage werden stationäre Messsysteme – Windmessmasten und Windfahnen – benötigt, deren Messwerte über einen längeren Zeitraum aufgezeichnet werden können. Im Volksmund wird die Windgeschwindigkeit meist durch die Windstärke mit einfachen Zahlen von 0 (absolute Ruhe) bis 12 (Hurrikan) angegeben, die vom englischen Admiral Beaufort 1806 entwickelt wurde. Er beschrieb ursprünglich die Auswirkungen bestimmter Windverhältnisse auf die Meeresoberfläche. Diese Skala wurde später verfeinert und durch die Wirkung des Windes auf die Landoberfläche ergänzt.
Aus physikalischen Gründen kann der maximale theoretische Wirkungsgrad einer Windkraftanlage maximal 59 % betragen, da ca. 41 % der Energie im Luftstrom für ihre Bewegung hinter der Windkraftanlage benötigt werden. In der Praxis erreichen Windkraftanlagen jedoch nur Werte von maximal 41%. Nach Abzug aller weiteren Verluste bei der Umwandlung von Windenergie in Strom liegt der durchschnittliche Wirkungsgrad einer Windkraftanlage (eine Windkraftanlage ist ein Gerät, das die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie umwandelt) bei etwa 25-30 %.
Die Nutzung der Windenergie (Windkraft ist die Nutzung der Luftströmung durch Windkraftanlagen zur mechanischen Stromerzeugung) zum Antrieb von Windkraftanlagen und Schleifanlagen, Maschinen und Segelschiffen wird seit der Antike praktiziert. Im 12. Jahrhundert verbreiteten sich Windmühlen in ganz Europa, und zu Beginn des 15. Jahrhunderts wurde die deutsche Ziegenwindmühle gegründet, die ausschließlich zum Mahlen von Getreide verwendet wurde.
Im 18. Jahrhundert wurde die holländische Mütze (eine holländische Mütze oder holländische Mütze ist eine Art Frauenhut, die mit den verschiedenen traditionellen holländischen Frauenkostümen assoziiert wird) Windmühlenspreizung, die technische Verbesserungen gegenüber der Bockwindmühle zeigte, indem eine leichtere, unabhängige Windnachführung mit Hilfe von Seitenrädern möglich wurde. Sie müssen nach dem Windeinfall ausgerichtet werden, wobei die Windrichtungsnachführung die Rotorblätter in die jeweils günstige Position bringt. Ein besonderer Vorteil ist, dass der Anstellwinkel (in der Fluiddynamik ist der Anstellwinkel ) der Winkel zwischen einer Referenzlinie auf einem Körper und dem Vektor, der die Relativbewegung zwischen dem Körper und der Flüssigkeit darstellt, durch die er sich bewegt) der propellerartigen Rotorblätter verändert werden kann, so dass die Leistungsaufnahme des Rotors geregelt werden kann. Hochgeschwindigkeits-Horizontalachssysteme mit zwei- oder dreischneidigen Rotoren haben einen Wirkungsgrad von bis zu 45 %. Einblattrotoren, die höhere Drehzahlen erreichen als Mehrblattrotoren, benötigen höhere Windgeschwindigkeiten und haben sich in Deutschland nicht etabliert.
Im Gegensatz zum Horizontalachsenwandler müssen sie nicht nach dem Wind ausgerichtet werden. Für Darrieus-Rotoren, die hohe Windgeschwindigkeiten erfordern, bilden 2-4 Blätter einen überdimensionalen Zwiebelring (Zwiebelringe sind eine in den USA , Kanada, Großbritannien, Irland , Australien , Neuseeland, Südafrika und einigen Teilen Asiens und Kontinentaleuropas übliche Form der Vorspeise oder Beilage) mit vertikaler Achse. Sie sind nicht verstellbar und benötigen eine Starthilfe. Der Savonius-Rotor, der aus zwei gegeneinander versetzten Zylinderhälften besteht, zeigt ein gutes Startverhalten, hat aber wie der Darrieus-Rotor eine schlechte Leistungsausbeute. Mehrere Anlagen mit diesem Umrichtertyp wurden auch in Deutschland erfolgreich getestet, haben sich aber noch nicht etabliert.
Einfache Windkraftanlagen wurden nach diesem Widerstandsprinzip angetrieben. Auch moderne Windrotoren nutzen das Auftriebsprinzip. Die Rotorblätter sind nach aerodynamischen Gesichtspunkten gestaltet, d.h. die Form der Rotorblätter ähnelt dem Profil eines Flugzeugflügels, dessen Oberseite stärker gewölbt ist als die Unterseite. Die Windströmung erzeugt Auftrieb (in der Wissenschaft ist Auftrieb oder Auftrieb eine Auftriebskraft, die von einer Flüssigkeit ausgeübt wird, die dem Gewicht eines eingetauchten Objekts entgegenwirkt) Kräfte, die das Drehmoment des Rotors erhöhen.
Neben der Solarenergie (Solarenergie ist strahlendes Licht und Wärme von der Sonne , die durch eine Reihe sich ständig weiterentwickelnder Technologien wie Solarthermie, Photovoltaik , Solarthermie, Solararchitektur, Salzschmelzkraftwerke und künstliche Photosynthese genutzt wird) sind Wind- und Wasserkraft die einzigen Energiequellen mit Zukunft. Fossile Brennstoffe sind nur begrenzt verfügbar.