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Vorwort
Seid einiger Zeit interessiert mich das Thema alternative Energieform, nicht nur an der Küste oder in anderen Bundesländern nimmt die Windenergie zu sondern auch bei uns in der Region findet man immer mehr Windkraftanlagen. Mich interessiert gerade der Aufbau und die Funktionsweise einer Windkraftanlage. Auch über die Hintergründe sowie Vor- und Nachteile wollte ich mich informieren. Mit dieser Arbeit möchte ich nun auch andere Interessierte einige Informationen liefern.
Bedanken möchte ich mich bei meiner Mutti die mir Bücher zu diesem Thema besorgt hat und meinen Freunden die immer fleißig Informationen zu diesem Thema gesammelt haben und mir bei Not zur Seite gestanden haben.
1. Aktueller Überblick über alternative Energieformen
1.1. Sonnenenergie
An diesem Tag, schickt uns die Sonne 10000-15000mal soviel Energie zur Erde, wie wir heute weltweit verbrauchen. Die Sonne ist Motor allen Geschehens auf unserem Planeten. Die Sonne schickt jedes Jahr 350 Millionen Milliarden Kilowattstunden Strahlungsenergie auf unseren Planeten. Das sind alle acht Minuten soviel Energie, wie die gesamte Menschheit in einem Jahr verbraucht. Alle irdischen Energiequellen verdanken wir der Sonne: die Kohle-, Erdöl-, und Erdgaslager, in denen Sonnenenergie von Jahrmillionen gespeichert ist. Ebenso sorgt die Sonne für die Kreisläufe des Wassers. Der Kernreaktor Sonne unterscheidet sich von irdischen Kernkraftwerken dadurch, dass er unfall- und strahlensicher ist, keine Atommüllbeseitigung erfordert und alle Menschen kostenlos mit Energie versorgt. Die Sonne ist unsere einzige unerschöpfliche Energiequelle. Die größte Gefahr für die Zukunft der Menschheit ist unsere falsche, umweltzerstörende Energiepolitik. Statt Energie umweltfreundlich aus Sonne, Wind, Wasser und Biomasse zu gewinnen, benutzen wir umweltfeindliche Energiequellen. Mit öl, Gas und Kohle schaffen wir uns ein lebensfeindliches Treibhausklima. Die neuen Solarenergien sind unerschöpflich, umwelt- und klimaverträglich und werden immer billiger.
Abb.1
www.solarenergie.de/kreislauf/details
1.1.1.Photovoltaik
Photovoltaik ist eine direkte Nutzung der Sonnenenergie. Mit der Photovoltaik wird Sonnenstrahlung und Licht mit Hilfe von Solarzellen in elektrische Energie umgewandelt. Solarzellen wandeln die Strahlungsenergie der Sonne auf photoelektrischem Weg durch Freisetzen von Elektronen im inneren von Silicium, Galliumarsenid oder Cadmiumtellurid in elektrische Energie um. Es wurde errechnet, dass Solaranlagen mit einem Wirkungsgrad von nur 10% in der Sahara-Wüste auf einer Fläche von 500000 qkm ausreichen würde, um die gesamte Menschheit mit Sonnenenergie zu versorgen. Gegenwärtig werden jährlich weltweit 50MW Solarzellen zur direkten Umwandlung von Sonnenlicht in Strom produziert, insgesamt sind bisher etwa 400 Megawatt hergestellt worden.
1.1.2Solarthermische Kraftwerke
Eine weitere direkte Nutzung der Sonnenenergie ist die der solarthermischen Kraftwerke. Bei solarthermischen Anlagen werden mit Hilfe von Spiegeln Sonnenstahlen gebündelt. Dieses gebündelte Licht, das bei einigen Kraftwerkstypen mehrere Tausend Grad erreichen kann, wird zur Erhitzung von einer Bestimmten Flüssigkeiten genutzt. Die Rinnenkollektoren sind hierbei am weitesten entwickelt und werden seit Jahren in Kalifornien eingesetzt. Die neuen Anlagen dieses Typs haben bereits einen Wirkungs-grad von 16%. Diese Kraftwerkstypen sind weltweit das Vorzeigeprojekt für solare Stromerzeugung.
1.2. Windenergie
Meteorologische Messungen haben ergeben, dass im ständigen wehenden Wind etwa 35mal soviel Energie steckt, wie die Menschheit verbraucht! Da der Wind jedoch ungleichmäßig stark weht und häufig seine Richtung ändert, kann nur ein Bruchteil davon auch praktisch genutzt werden.
Erst seit den 80er Jahren wird die Gewinnung von Strom aus Windkraft wieder versucht. Etwa 2000 MW sind weltweit installiert, davon fast drei Viertel in den USA - insgesamt also nicht mehr als die Kapazität zweier großer Atomkraftwerke. Aber obwohl der Forschungsaufwand minimal war und auch bisher nur kleine Stückzahlen produziert werden, sind die Kosten der Windstromerzeugung an günstigen Standorten mit denen der Atomkraft schon jetzt vergleichbar! 1992 wurde in Schleswig-Holstein bereits 182 000 kWh Strom aus Windkraft \"geerntet\". Diese Windernte hat eine einzigartige Umweltbilanz. Denn:
bei 182000 Kilowattstunden Windernte werden - bei vergleichbarem Steinkohleeinsatz - 165000 Tonnen CO2, 130 Tonnen Schwefeldioxid und 122 Tonnen Stickoxid vermieden. Außerdem fallen 2700 Tonnen Reststoffe, 3600 Tonnen Asche und 31000 Tonnen sonstige Stoffe nicht an.
Damit wird derselbe CO2-Entlastungseffekt erzielt wie von 330000 Bäumen, die ja bekanntlich viel Kohlendioxid-Treibhausgase binden. Doch amtliche Naturschützer führen oft ihren Kampf gegen die Windmühlen mit landschaftsästhetischen Argumenten. Die heutige Windenergieszene wird beherrscht von Anlagen, die 30-50 Meter Bauhöhe und einen Rotordurchmesser von 30 Metern haben. Kleinere Windanlagen, mit denen schon vor Jahrhunderten alles angefangen hat, spielen zur Zeit kaum eine Rolle. Es wird in Zukunft aber wieder viele Energieselbstversorger mit kleinen Windmühlen geben: Rotordurchmesser bis 10 Meter, Masthöhe bis 20 Meter, Generatorleistung von 20-30 Kilowatt. Damit können Millionen Menschen ihren Strom selbst erzeugen. Kombiniert mit Solarzellen, kann die eigene Kleinwindanlage eine intelligente, schadstoffarme und preiswerte Energieerzeugung werden.
Abb.2 Entstehung einer Seebrise Abb.3 Entstehung ablandigen Windes
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1.3. Wasserenergie
Bis jetzt ist die Wasserkraft der größte regenerative Energieproduzent in Deutschland. 20 Milliarden Kilowattstunden Strom werden jährlich produziert. Sie ersparten der Umwelt 20 Millionen Tonnen CO2, neben der Abwärme und anderen Schadstoffen. Wasserkraft liefert etwa 5% der Elektrizität für Deutschland. Welt-weit liefern Wasserkraftanlagen etwa 20% des Stroms. Norwegen, Island oder Ghana produzieren ihren Strom zu fast 100% aus Wasserkraft. In der US-Westküstenstadt Seattle zum Beispiel, in der so energieintensive Unternehmen wie Boeing arbeiten, kostet Strom aus Wasserkraft nur einen Bruchteil des Kilowattstunden - Preises des Atomstroms.
Da der Bau von riesigen Wasserkraftanlagen in der Dritten Welt oft zur Vertreibung von Menschen und zu großen Umweltproblemen führt - wie z.B. in Ägypten, Brasilien, Indien und China - und da er meist einen empfindlichen Eingriff in die Natur bedeutet, ist es sinnvoller, Wasserkraftwerke dezentralisiert zu nutzen.
In Deutschland könnten deshalb viele tausend stillgelegte kleine Wasserkraftwerke reaktiviert werden. In Bayern zum Beispiel werden mit der Wasserkraft 18% des Strombedarfs umwelt- und klimafreundlich erzeugt: Wasserkraft bezieht ihre Energie aus dem natürlichen Kreislauf des Wassers, der durch Verdunstung, Regnen und Abfließen entsteht. Dieser Kreislauf wird von der Sonne aufrechterhalten. Wasserkraft ist regenerative Sonnenenergie. Deshalb sollten in Deutschland die vielen tausend kleine stillgelegten Wasserräder in Schwung kommen.
Abb.4 Skizze eines Laufwasserkraftwerks
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1.4. Gezeitenenergie und Wellenenergie
Durch den beträchtlichen Höhenunterschied zwischen Flut und Ebbe an vielen Küsten der Erde entsteht ein enormes energetisches Potential, dass technisch genutzt werden kann. Die Gezeiten erzeugen auch gleichzeitig eine großflächige Meeresströmung, die eine entsprechende Menge kinetischer Energie enthält. Außerdem gibt es noch die Wellenenergie. Bei einem Gezeitenkraftwerk wird während der Flut ein vom Meer abgetrennter Stauraum mit Wasser aufgefüllt. Bei der darauf folgenden Ebbe wird das aufgestaute Wasser für den Betrieb der Turbinen genutzt. Die Turbinen können aber auch beim Füllvorgang arbeiten.
Das größte bisher gebaute Kraftwerk dieser Art steht in Frankreich (240 MW), an der Mündung des Flusses Rance. Der Tidenhub kann hier bis zu 18 m erreichen (s. Bilder unten). Korea hat nun angekündigt, ein neues Tidekraftwerk von 254 MW am Shihwa See zu bauen . Zur Zeit gibt es auch Ansätze um die Meeresströmung für energetische Zwecke zu nutzen. So wird in dem britisch-deutschen Projekt "Seaflow" versucht, die kinetische Energie dieser Strömung mit großen Propellern - die unter Wasser angeordnet werden - umzusetzen. Das neue Strömungskraftwerk soll vor der Küste Cornwalls installiert werden. Für die Nutzung der Wellenenergie werden mehrere Verfahren versucht, sowohl im Küstenbereich als auch auf See. Eine besondere Stellung hat hier der Einsatz der "schwingenden Wassersäule (OWC)", die in einem abgesonderten Raum durch die Meereswellen entsteht. So ein Wellenkraftwerk wurde auf der schottischen Insel Islay gebaut. Die Wells-Turbinen haben die gleiche Drehrichtung, obwohl der erzeugte Luftstrom seine Richtung ändert
1.5.Geothermische Energie
Die Geothermische Energie ist keine Energieform bei der die Sonnen ihre Kraft einsetzt. Die Reserven sind begrenzt und nicht unbedingt erneuerbar. Wenn Druck und Temperatur in einem angezapften Reservoir nach einer Zeit des Wärmeentzugs absinkt, ist es für die Energienutzung erschöpft. Auch diese Form der Energienutzung ist Umweltfreundlicher als die Nutzung der fossilen oder Atomaren Energie, aber dennoch in ihrer ökonomischer Qualität nicht mit der Sonnenenergie vergleichbar. Zum Beispiel kann der Geothermische Dampf toxische Elemente wie etwa Arsen enthalten.
2.Geschichte der Windenergie
Abb.5
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Das Potential der Windkraft wird seit Jahrhunderten genutzt. Im Mittelalter stellte die Windmühle neben der Wassermühle die wichtigste Antriebsmaschine des vorindustriellen Europas dar. Bis Mitte des 19. Jahrhunderts wuchs die wirtschaftliche Bedeutung der Windmühle. Die mechanische Kraft wurde in der Müllerei und in Sägewerken benötigt. Mit der Erfindung und dem steigenden Einsatz der Dampfmaschine verlor die Windmühle an Bedeutung.
Bedingt durch die Energiekrisen der 70er und 80er Jahre des 20. Jahrhunderts begann das Bundesministerium für Forschung und Technologie (BMFT) mit Forschungen im Bereich der Windkraft. Gemeinsam mit den drei großen Energieversorgern HEW (Hamburger ElektrizitätsWerke), RWE (Rheinisch-Westfälisches Elektrizitätswerk) und der Schleswag wagte man 1980 das Growian-Projekt, aus dem 1983 eine 3-MW-Windanlage hervorging, die im Kaiser-Wilhelm-Koog errichtet wurde. Das ca. 44,58 Mio. Euro teuere Projekt endete 1988, als die Anlage aufgrund von 99%igem Stillstand und technischen Problemen demontiert wurde.
In den USA versuchte man Ende der 70er Jahre durch ein neues Gesetz, dass Abschreibungsmöglichkeiten von bis zu 25% ermöglichte und die Einspeisung des Stroms in das öffentliche Netz regelte, die Windkraft zu fördern. Dies hatte zur Folge, dass in den darauf folgenden Jahren allein im Bundesstaat Californien ca. 15.000 Windkraftanlagen errichtet wurden.
Während dieses Gesetz in den USA einen wahren Boom auslöste und auch der zweitgrößte Windkraftmarkt Dänemark weiter wuchs, plagten sich deutsche Anlagenerrichter vor allem mit den Behörden um Baugenehmigungen zu bekommen, da Windkraftanlagen im Baugesetz noch nicht vorgesehen waren. Auch die Energieversorger zeigten sich nicht kooperativ bei der Frage, ob man den Strom in ihre Netze speisen könne.
Im Jahre 1991 regelte ein neues Gesetz diese Differenzen. Regenerativ erzeugter Strom wurde mit 90% des Durchschnittserlöses je Kilowattstunde vergütet. Die Baugenehmigung oblag jedoch weiterhin den lokalen Behörden.
Nachdem die ausschließliche Förderung von Großprojekten durch das BMFT nicht den gewünschten Erfolg zeigte, schlug man mit dem 250MW-Programm eine neue Richtung ein. Der Betreiber eine Windkraftanlage konnte entweder durch eine Investitionszulage über 60% der Investitionskosten oder über eine Zulage zur Einspeisevergütung von diesem Programm profitieren. Schleswig-Holsteins Strombedarf konnte durch dieses Programm 1994 bereits zu 4% durch Windenergie gedeckt werden.
2.1.Forschung und Entwicklung
Seitdem Windenergieanlagen in großer Zahl hergestellt werden, ist die staatliche Forschung in Universitäten und Forschungsinstituten verstärkt worden. Ein Beispiel ist die Gründung des Deutschen Windenergie-Institut, DEWI, mit Sitz in Wilhelmshaven im Jahr 1990, wo alle zwei Jahre die Deutsche Windenergie-Konferenz (DEWEK) stattfindet.
Ein Schwerpunkt der Forschung sind Offshore-Windenergieanlagen und deren Einfluss auf die Ökologie vor der Küste. Es wird auch das Zusammenspiel von Windstrom und konventionell erzeugtem Strom untersucht. Ein Aspekt ist dabei die Unstetigkeit der Windleistung, die mit Energiespeichern kompensiert werden könnte. Techniken existieren bereits in Form von Pumpspeicherkraftwerken, elektrochemischen Akkumulatorzellen und Verfahren, die überschüssige Energie in chemische Energieträger (beispielsweise Wasserstoff) umwandeln.
Auf der norwegischen Insel Utsira wurde im August 2004 das erste autarke Stromnetz eingeweiht, das ausschließlich von Windenergie als Primärenergie gespeist wird. In dem auf zwei bis drei Jahre angelegten Versuch, dem ersten in diesem Maßstab, sollen zehn der insgesamt 70 Haushalte ihren Strom von zwei Enercon E-40-Anlagen beziehen. Kurzfristige Stromschwankungen werden durch einen Schwungradspeicher (5 kWh) ausgeglichen. Überschüssige Energie wird in Form von Wasserstoff in einem Druckspeicher mit einer Kapazität von maximal drei Tagen zwischengespeichert. Dieser wird bei Flaute oder Sturm, also dann, wenn die Anlagen nicht ausreichend Energie liefern, über eine 60-kW-Brennstoffzelle wieder in Strom umgesetzt. Ein Generator dient während der Erprobungsphase zur Absicherung gegen Stromausfall. Einer der Hauptinvestoren ist der norwegische (Öl-) Konzern Norsk-Hydro mit seiner Wasserstoffsparte.
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