Geschichte der Windenergienutzung
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Die Windenergie ist eine der ältesten vom Menschen genutzten Energieformen. Lange Zeit wurde mit Hilfe von Windmühlen vor allem mechanische Arbeit wie das Mahlen von Getreide und das Pumpen von Wasser durchgeführt. Dieser Artikel beschreibt die Geschichte der Windenergienutzung an Land. Anwendungen wie Segelschifffahrt oder Segelflug finden sich unter Windenergie.
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[Bearbeiten] Mechanische Windenergieanlagen
Die Windenergie wurde bereits in der Kupfersteinzeit bei der Verhüttung von Kupfer verwendet bevor der Blasebalg erfunden wurde. Die ältesten Windmühlen sind aus Persien (zum Getreidemahlen), Tibet (als Gebetsmühlen) und China (zum Wasserpumpen) bekannt. Diese hatten eine vertikale Achse und funktionierten als Widerstandsläufer.
In Europa sind Windmühlen seit dem 12. Jahrhundert bekannt. Sie wurden von Anfang an als Auftriebsläufer mit horizontaler Achse gebaut, was bis heute das grundlegende Prinzip moderner Windenergieanlagen ist. Entstehen konnte diese Technologie durch das zusammentreffen einiger historischer Umstände:
- Im Hochmittelalter hatte sich das Handwerk innerhalb der Zünfte perfektioniert
- Durch den relativen Wohlstand herrschte ein Mangel an billigen Arbeitskräften
- Durch die Christianisierung der nordischen Völker (z. B. Wikinger) verstärkt sich der Austausch zwischen Mitteleuropa und diesen Seefahrenden Völkern
Zur Entwicklung von Windrädern führte dies auf folgende Weise: durch den Mangel an billigen Arbeitskräften zum manuellen Antrieb von Mühlen bestand Bedarf nach einer neuen Technologie. Moderne Windmühlen wurden dann möglich durch die Verbindung der, aus der Segelkunst bekannten, aerodynamischen Kenntnisse der nordischen Völker mit der Handwerkskunst der Mitteleuropäer.
Diese Windmühlen wurden im Laufe der Zeit verbessert und außer zum Mahlen auch zum Dreschen, Wasserpumpen oder -schöpfen und zum Sägen eingesetzt.
Den nächsten großen Schritt gab es erst wieder im 19. Jahrhundert. Die amerikanische Westernmill, die hauptsächlich in Nordamerika zum Wasserpumpen eingesetzt wurde (und wird), kann sich zum ersten mal in der Geschichte automatisch bei Sturm aus dem Wind drehen. Bis dahin musste bei jeder Mühle der Müller immer darauf achten vor einem aufziehenden Sturm die Mühle zu sichern und so vor Schäden zu schützen. Damit und durch die industrielle Produktion der Mühlen war der Weg für einen massenhaften Einsatz frei. Noch immer sind einige dieser Mühlen in ländlichen Gegenden weltweit im Einsatz und sie werden auch noch, meist mit handwerklichen Mitteln vor Ort, als Wasserpumpen produziert.
In derselben Zeit wie die Westernmill entstand allerdings auch die für die mechanische Windenergienutzung fast vernichtende Konkurrenz der Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren.
[Bearbeiten] Stromerzeugende Windenergieanlagen
Windenergieanlagen entwickelten sich aus der Windmühlentechnik heraus, deren Geschichte auf der von Windmühlen beruht. Mit der großtechnischen Nutzung der elektrischen Energie ab 1882 begann die Elektrizität auch für die Bevölkerung ein wichtiges technisches Hilfsmittel zu werden. Die Elektrifizierung der Städte schritt rasch voran, doch die Versorgung der ländlichen Gebiete erforderte einige Voraussetzungen. Es musste erst ein Übertragungsnetz für elektrische Energie geschaffen werden, und die Elektrizitätswerke mussten überhaupt in der Lage sein, im Verbundbetrieb zu laufen. In Deutschland waren in den 1920ern schon fast alle Dörfer an das Verbundnetz angeschlossen, jedoch war die Infrastruktur in vielen anderen Ländern noch nicht so weit fortgeschritten. Zur Verbesserung der Versorgung mit elektrischer Energie gab es in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts verstärkt Versuche, mit Hilfe der Windenergie elektrische Energie zu erzeugen. Da die Windmühlen zu diesem Zeitpunkt noch sehr weit verbreitet waren, gab es mehrfach Gedanken, diese zum Betrieb eines Dynamos umzurüsten.
Charles F. Brush (* 1849; † 1929) baute 1887/88 eine Windenergieanlage auf der Basis der Westernmills , die er zur Versorgung seines Hauses mit elektrischer Energie aus einem Batteriespeicher benutzte.
Der Däne Poul La Cour hat dann, die Verdrängung der Windmühlentechnik durch die Elektrifizierung hatte schon eingesetzt, die Grundlagen der Technik wissenschaftlich erforscht. Er wandte seine Erkenntnisse als einer der ersten Wissenschaftler auf die Wandlung in elektrische Energie an und errichtete 1891 mit Mitteln seiner Regierung eine erste Versuchsanlage. Seinem guten wissenschaftlichen Fundament, seinem systematischen Vorgehen sowie seiner Geschicklichkeit bei der praktischen Umsetzung seiner Entwürfe sind wichtige Entwicklungen für die heutige Windenergieanlagentechnik zu verdanken. Er betrieb erstmalig Windkanalversuche - unter anderem zur Aerodynamik der Flügelform - und kam zum Konzept Schnellläufer, einer Anlage, bei der sich die Flügelspitzen schneller als der Wind bewegen. Eine von ihm konzipierte Anlage wurde von der Firma Lykkegaard als kommerzielles Produkt vermarktet, bis 1908 waren bereits 72 Stück in Dänemark zur Versorgung ländlicher Siedlungen installiert.
Der Bau von Windenergieanlagen bekam durch die Treibstoffverteuerung und -verknappung im ersten Weltkrieg noch einmal Aufwind. Nach dem Krieg wurde Treibstoff günstiger. Die Technik der Windenergieanlagen blieb für lange Zeit eine Nische der technischen Entwicklung.
1920 schuf Albert Betz (* 1885; † 1968), Physiker und damaliger Leiter der Aerodynamischen Versuchsanstalt Göttingen, mit streng wissenschaftlichen Forschungen zur Physik und Aerodynamik des Windrotors weitere Grundlagen für die Entwicklung von Windenergieanlagen. Er formulierte erstmals das Betz'sche Gesetz und zeigte, dass das physikalische Maximum der Ausnutzung der kinetischen Energie des Windes bei 59,3 % liegt. Seine Theorie zur Formgebung der Flügel ist auch heute noch Grundlage für die Auslegung der Anlagen.
Der Savonius-Rotor, ein Widerstandsläufer mit vertikaler Rotationsachse wurde um 1925 vom Schiffsoffizier Sigurd J. Savonius erfunden.
Der Franzose George Darrieus patentierte 1931 in den USA den Darrieus-Rotor, ebenfalls eine Bauform mit vertikaler Achse, jedoch ein Schnellläufer.
Ein weiterer Meilenstein war die 1,25 MW Smith-Putnam-Anlage (2 Flügel, Leeläufer, benannt nach Palmer Cosslett Putnam (*1910 †1986)) in Vermont, USA, 1941. Die Anlage lief mit Unterbrechungen bis 1945, dann brach einer der Flügel. Die für diese Größe notwendigen Materialien beziehungsweise Materialqualitäten waren einfach noch nicht verfügbar.
1957 wurde in Dänemark von Johannes Juul in Gedser eine 200 kW-Windenergieanlage erbaut. Sie hatte drei Flügel, die aus Stabilitätsgründen untereinander abgespannt waren. Die Anlage lief bis 1966, dann wurde sie aus Kostengründen stillgelegt. Sie wurde jedoch nicht abgebaut und erlebte 1977 eine Renaissance, als sie im Rahmen eines Abkommens einer dänischen Institution mit der NASA wieder in Betrieb genommen wurde und mehrere Jahre als Versuchsanlage diente.
Anfang der 1980er Jahre setzte sich aufgrund der großen Nachfrage in den USA das dänische Konzept bei Windenergieanlagen durch. Typisch waren der Asynchronmotor (Kurzschlussläufer), ein oder zwei feste Drehzahlen und drei starre Rotorblätter (Stall-Regelung). Diese Konstruktionsweise hat sich für die 500kW-Klasse weitestgehend durchgesetzt.
[Bearbeiten] Deutsche Versuchsanlagen ab 1978
1978 vom Bundesforschungsministerium beschlossen, stand von 1983 bis 1987 im Kaiser-Wilhelm-Koog bei Marne die Versuchsanlage GROWIAN (Große Windenergie-Anlage). Sie war lange Zeit die größte Anlage der Welt. Ausgerüstet mit einem über 100 Meter durchmessenden Zweiblattrotor, der als Leeläufer auf der windabgewandten Seite des Turmes lief, wurden Erfahrungen mit einer Anlagengröße gesammelt, die kommerziell erst Ende der 1990er Jahren erreicht werden sollte. Hauptsächlich aufgrund seinerzeit noch nicht beherrschbarer Materialprobleme war die Anlage jedoch weitestgehend ein Misserfolg. Sie erreichte nicht einmal einen dauerhaften Testbetrieb.
1988 entstand auf 20 Hektar am ehemaligen Versuchsgelände der erste kommerzielle Windenergiepark Deutschlands mit 30 kleinen Anlagen. Die Windenergiepark Westküste GmbH bietet heute interessierten Besuchern ein Informationszentrum rund um die Geschichte der Windenergie.
Nach dem Fehlschlag GROWIAN wurde die kleinere, nur etwa halb so große Anlage WKA-60 ("GROWIAN 2") entwickelt und 1990 auf Helgoland zum ersten Mal in Betrieb genommen. Wiederum gab es Materialprobleme und da sich die Schäden nach dem dritten Ausfall nicht mehr versichern ließen, blieb es bei lediglich vier Anlagen.
[Bearbeiten] Beginn des Ausbaus der Windenergie
Dänemark, EEG, Stall-Anlagen, Windfarmen USA, beginnende Verbreitung....
Mit dem Stromeinspeisungsgesetz von 1991 wurde ein Aufschwung der Windenergie in Deutschland eingeleitet. Die Stromnetz-Betreiber wurden darin zur Abnahme des erzeugten Stroms zu definierten Preisen verpflichtet. Diese Entwicklung wurde im Jahr 2001 mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) noch einmal verstärkt. In der Folge dieser politischen Entscheidung waren gegen Ende des Jahres 2003 etwa zwei Drittel der europäischen Windenergieanlagen in Deutschland installiert. Parallel dazu wurde eine führende Position der deutschen Wirtschaft in diesem technischen Gebiet des Maschinenbaus erreicht.
[Bearbeiten] Heutige Technik
Mit steigender Anlagengröße wurde auch die Technik weiterentwickelt. Die Leistungsregelung großer Anlagen im Megawatt-Bereich erfolgt durch Drehen der Rotorblätter (Pitchen), bei drehzahlvariablen Betrieb. Diese Anlagentypen haben nicht nur eine höhere Leistungsausbeute, sondern zeichnen sich auch durch geringere Schallemissionen aus, da der lärmintensive Stalleffekt (Strömungsabriss) unterhalb der Nennleistung nicht mehr auftritt. Der Generator ist vom Stromnetz über einen Gleichstromzwischenkreis entkoppelt. Mit diesem Konzept ist auch eine Regelung der Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom im eingespeisten Drehstrom möglich, so dass diese Anlagen das Netz nicht mehr belasten, sondern sogar zur Unterstützung beitragen können.
[Bearbeiten] Offshore
Großes Potential wird der Windenergienutzung auf dem Meer zugeschrieben. Dort weht der Wind beständiger und erheblich stärker als auf dem Festland. Ähnlich der Erdöl- und Erdgasgewinnung auf See werden diese Anlagen Offshore-Anlagen genannt. Bisher sind in Deutschland vier Offshore-Windparks außerhalb der 12-Meilen Zone genehmigt (Stand 08/2004).
Seit Ende 2003 befindet sich in der Nordsee die Forschungsplattform FINO 1, auf der u.a. die Bedingungen für Windenergieanlagen im Meer untersucht werden. In der Ostsee wird zu diesem Zweck die Plattform FINO 2 errichtet.
Am 20. Oktober 2004 hat eine 108 Meter hohe E-112-Offshore-Testanlage von mit 4,5 Megawatt Leistung in der Ems das erste Mal Strom ins öffentliche Netz eingespeist. Mit 4,5 Megawatt Leistung ist sie derzeit einer der größten und leistungsstärksten Anlagentypen (Stand Anf. 2005).
[Bearbeiten] Literatur
- Albert Betz: Windenergie und ihre Ausnutzung durch Windmühlen. Ökobuch, Staufen, unveränderter Nachdruck aus dem Jahre 1926, ISBN 3-922964-11-7.
- Th. v. Kármán: Aerodynamik, Ausgewählte Themen im Lichte der historischen Entwicklung. Interavia-Verlag, Genf 1956.
- Bennert, Werner: Windenergie, 1. Auflage, VEB Verlag Technik, Berlin, 1989, ISBN 3-341-00627-3.
- M. Heymann: Geschichte der Windenergienutzung: 1890-1990. Campus Verlag, Frankfurt 1995 (zugl. Diss. Deutsches Museum München).
- Erich Hau: Windkraftanlagen. 3. Auflage. Springer-Verlag, Berlin 2003, ISBN 3-540-42827-5
(enthält auch einen recht ausführlichen Teil zur Geschichte der Windenergienutzung) - Jan Oelker: Windgesichter. Aufbruch der Windenergie in Deutschland, Sonnenbuchverlag [1] , Dresden 2005, ISBN 3-9809956-2-3.
- Robert Gasch, Jochen Twele: "Windkraftanlagen: Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb" 4. Auflage, Teubner Verlag, ISBN: 3-519-36334-8
[Bearbeiten] Weblinks
Offshore Windenergie
