Kleinwindkraftanlagen
Finden wir die Antwort auf unsere Energiefragen tatsächlich in der Windenergie? Wie weit sind die Hersteller um auch kleine Anlagen anbieten und betreiben zu können?
Deutschland hat die Fotovoltaik jahrelang gepuscht und zähneknirschend erkennt man jetzt, dass die Strompreise trotzdem nicht sinken, ganz im Gegenteil. Was bietet sich denn noch an, um die ehrgeizigen Ziele für die Energieversorgung der Zukunft zu sichern. Zählt die Kleinwindkraftanlage (KWA) dazu?
Welche Leistungen werden erreicht?
Die mögliche Leistung von KWA´s ist recht einfach darstellbar.
Sie ergibt sich, wie könnte es anders sein, aus der Rotorfläche und der Windgeschwindigkeit.
Formel
P = ½ x ρ x A x v³
P = Leistung in W
ρ = (sprich Rho) spezifische Gewicht des Windes (1,25 kg/m³)
A = Rotorfläche in m²
v = Windgeschwindigkeit in m/s
Die Windgeschwindigkeit geht mit dem Exponent -drei- in die Berechnung ein. Eine Verdoppelung der Geschwindigkeit hat eine Verachtfachung der Leistung zur Folge (2 x 2 x 2 = 8)
Beispiel 1 und (2):
Welche theoretische Leistung ist für eine Rotorfläche von 10 Quadratmeter (entspricht einem Rotordruchmesser von 3,57 Meter) einer Windkraftanlage denkbar bei einer Windgeschwindigkeit von 3 m/s (6 m/s)
bei 3 m/s
P = ½ x 1,25 kg/m³ x 10 m² x (3 m/s)³
P = 168,75 W
bei 6 m/s
P = ½ x 1,25 kg/m³ x 10 m² x (6 m/s)³
P = 1350 W
Eine „magische“ Grenze ergibt sich aufgrund physikalischer Gesetze. Nach dem Betzschen Gesetz lassen sich nur 59,3 % der Windenergie überhaupt in Bewegungsenergie umsetzen. Der Grund liegt in der Tatsache begründet, dass man dem Wind zwar einen Widerstand entgegenstellen kann, dieser Widerstand kann den Wind aber nicht komplett abbremsen. Die angeströmte Luft muss ja nach getaner Arbeit weiter wandern. (Du fängst den Wind niemals ein, der wird ...)
Da dann noch weitere Verluste beispielsweise durch Reibung hinzukommen sinkt die reale Leistungsausbeute weiter.
Beispiel 3
Welche praktische Leistungsausbeute eines Rotors von 10 m² Fläche lässt sich erreichen, unter Berücksichtigung des Betzschen Gesetzes und einem Systemwirkungsgrad von 75 % für eine Windgeschwindigkeit von 6 m/s?
Preal = 1350 W x 0,593 x 0,75
Preal = 600 W
Sie sehen die Leistungsausbeute ist bei mäßigen Windgeschwindigkeiten noch sehr gering. Aber, wie bereits erwähnt, geht die Geschwindigkeit mit der Hochzahl -drei- ein. Wenn es also frischer wird legt auch die KWA nochmals zu.
Welche Typen gibt´s?
Für Kleinanlagen in Sachen Strom aus Wind kommen zwei Typen in Frage, den Vertikal- und Horizontalläufer (siehe Bild). Namensgebend ist die Drehachse. Und entsprechend den Anforderungen sitzt der Generator am Fuß der Station (Vertikalläufer) oder eben an der Mastspitze (Horizontalläufer). Der Aufbau ist wegen der unterschiedlichen Belastungen für den Vertikalläufer nach oben hin sehr schlank gegenüber dem Horizontalläufer der ja den Rotor plus den Generator tragen muss. Es gibt, was die Optik angeht sehr gefällige Anlagen beider Typen aber eben auch solche die eher technisch wirken. Das kann entscheidend sein, wenn die Anlage tatsächlich in der Nähe von Wohngebieten errichtet werden soll. Der Charme einer Kaserne mit Radarstation ist da nicht unbedingt erfreulich. Über die Optik insgesamt lässt sich aber immer streiten. Ein Kohlekraftwerk am Horizont ist ja auch nicht jedermanns Sache.
Technische Unterschiede
Der Vertikalläufer braucht niemals nachgeführt werden, er steht quasi immer im Wind. Trotzdem erreicht er nicht die Wirksamkeit eines Horizontalläufers. Das liegt auch daran, dass beim Vertikalläufer die Strömungsflächen die letztlich durch den Wind nach hinten weggedrückt werden, dann auch wieder gegen den Wind nach vorne bewegt werden müssen. Die Umsetzung der Wind zur Bewegungsenergie erfolgt bei diesem Typ daher nur bis zu 30 %. Die Horizontalläufer bringen es dann schon auf 40 bis 50 %. Beim Horizontalläufer unterscheidet man noch den Luv- und Leeläufer. Der Luvläufer befinden sich die Rotorblätter vor dem Mast, beim Leeläufer entsprechend dahinter. Der Luvläufer muss daher ausgerichtet werden um sich dem Wind zu stellen, der Leeläufer richtet sich selbst aus. Dafür kämpft der Leeläufer ständig mit Erschütterungen. Denn immer, wenn ein Blatt in den Windschatten des Mastes eintaucht wird es kurzzeitig entlastet und im nächsten Moment wieder hart in den Wind gestellt. Die ersten Anlagen dieses Typs mussten in der Vergangenheit sehr schnell wieder außer Betrieb genommen werden.
Standortauswahl
Zur ersten Orientierung sind Windkarten verfügbar, welche die durchschnittliche Windgeschwindigkeiten für Deutschland anzeigen. In der Innenstadt einer windstarken Zone dürfte die Ausbeute trotzdem recht gering sein im Vergleich zu den Außenbezirken. Um also die Investition in eine Kleinwindkraftanlage zu sichern ist es üblich die Windgeschwindigkeiten an einem möglichen Standort über einen repräsentativen Zeitraum zu messen. Für mindestens drei Monate wird dann eine Messstation in zehn Meter Höhe errichtet und zeigt dann das Potenzial des Standortes an. Übrigens ist es nicht unbedingt sinnvoll eine KWA auf einem Hausdach zu errichten Die Verwirbelungen oberhalb des Daches können die Stromernte enorm beeinträchtigen. Beim Standort gilt als Grundsatz, dass die Gesamthöhe der Anlage x 0,5 den Radius der Abstandsfläche zum Nachbargrundstück oder zu einem öffentlichen Grundstück wie Weg oder Straße ergibt. Dann greift aber noch die Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm, kurz TA Lärm. Ähnlich wie beim Betrieb einer Wärmepumpe mit Außenaufstellung sind maximale Schallbelastungen einzuhalten.
Genehmigungsfähigkeit
Um KWA bauen zu können bedarf es einer Genehmigung. Die ist Ländersache und daher 16-mal unterschiedlich geregelt. In NRW sind beispielsweise bauliche Anlagen unter 10m als „Genehmigungsfreie Vorhaben“ eingestuft. Die Hersteller der KWA helfen natürlich im Einzelfall weiter.
Einspeisen oder Verbrauchen?
Für einen Privatmensch, der sich eine solche Anlage auf das Grundstück stellt wird die Wirtschaftlichkeit nicht absolut vordergründig sein. Trotzdem kann die Nutzung des erzeugten Stroms natürlich eine finanzielle Entlastung bringen. Es stellt sich dann fast immer bei eigener Stromerzeugung die Frage nach der Einspeisung oder dem Verbrauch im eigenen Haushalt. Die Vergütung für die Einspeisung beträgt für die ersten 5 Jahre 8,95 Cent pro Kilowattstunde und danach, bis zum 20 Jahr 4,82 ct./kWh. Die Kosten für eine bezogene kWh betragen zurzeit über 27 Ct.
Die abgebildete Anlage vom Typ Windcore erreicht folgende Ergebnisse im Jahr
- 1050 kWh bei durchschnittlicher Windgeschwindigkeit von 5 m/s
- 1860 kWh bei durchschnittlicher Windgeschwindigkeit von 6 m/s
- 2800 kWh bei durchschnittlicher Windgeschwindigkeit von 7 m/s
Vordergründig dürfte es also sein solche Anlagen dort zu bauen, wo die Windbedingungen entsprechend gut sind oder der Prestigegewinn entsprechende Käufer lockt. Man denke nur mal an einen Porsche-Händler mit einer schicken turbinenartigen Windkraftanlage vor der Ausstellungshalle.
