Windrad – Erfindung

Ob Windräder gut aussehen oder nicht, kommt auf den Geschmack an, und oft auch auf die Nähe zur Erfindung. Hilfreich ist es, wenn der erzeugte Strom lokal im Dorf verwendet wird, dann ist das Verständnis größer. Bei Windparkanlagen, die von Investoren finanziert und gebaut werden, ist die optische Toleranz hingegen geringer. Schauen wir uns doch diese Erfindung einmal näher an.

Bearbeitet von Franz

Vorausschicken möchte ich, dass mir bei Gedanken zu dieser Erfindung zuerst die Windräder meiner neunjährigen Tochter im Garten eingefallen sind. Bunt und immer schnell kaputt. Dann aber habe ich mir die Windräder auf der Parndorfer Platte in Erinnerung gerufen und meine Antworten in diese Richtung kanalisiert.

Was ist das für eine Erfindung und woraus besteht sie?

Meine Erfindung ist das Windrad. Das Windrad besteht aus drei, an einer drehbaren Welle montierten Flügel, die den Wind „einfangen“ und dadurch eine Welle oder Rotor in Bewegung setzen.  Eine Windkraftanlage erntet mit ihrem Rotor die Energie des Windes, wandelt sie in elektrische Energie um und speist sie in das Stromnetz ein. Verwendet werden auch die Bezeichnungen Windkraftwerk, manchmal auch Windkraftkonverter, in der Umgangssprache Windrad oder Windmühle.

Eine Windkraftanlage besteht im Wesentlichen aus einem Rotor mit Nabe und Rotorblättern sowie einer Maschinengondel, die den Generator und häufig ein Getriebe beherbergt. Es gibt auch getrieblose Anlagen. Die Gondel ist drehbar auf einem Turm gelagert, dessen Fundament die notwendige Standsicherheit gibt. Dazu kommen die Überwachungs-, Regel- und Steuerungssysteme sowie die Netzanschlusstechnik in der Maschinengondel und im Fuß oder außerhalb des Turmes.

Gibt es ein Beispiel für den Einsatz dieser Erfindung?

Das Windrad dient dazu, durch Nutzung der Windenergie Strom zu erzeugen.

Ende 2012 waren in Österreich 763 Windenergieanlagen mit einer Leistung von 1378 MW am Netz. Ihr Regelarbeitsvermögen beträgt etwa 2,4 TWh/a, dies entspricht etwa 5 % der Stromerzeugung in Österreich oder dem Bedarf von rund 630.000 Durchschnittshaushalten.

2012 war mit zusätzlichen 295,65 MW Windkraftleistung das bisher stärkste Ausbaujahr Österreich. Drei Viertel davon (223 MW) wurden im Burgenland errichtet. Damit wurde im März 2013 im Burgenland erstmals die angepeilte, rechnerische Stromautarkie erreicht.

Für 2013 ist eine weitere Steigerung des Ausbaus der Windkraft geplant. Mehr als 150 Windkraftanlagen mit rund 420 MW Leistung sollen 2013 errichtet werden, davon 73 Anlagen mit rund 220 MW Leistung alleine im Burgenland, weitere 58 Anlagen mit rund 155 MW Leistung in Niederösterreich.

Die Schwerpunkte der österreichischen Windenergienutzung liegen in Niederösterreich und im Burgenland. In Oberzeiring (Steiermark) wurde 2002 Österreichs bisher höchster Windpark 1900 m über dem Meeresspiegel errichtet. Er umfasst derzeit 13 Anlagen mit einer Gesamtleistung von 23 MW.

Was sind die Vorteile dieser Erfindung? 

Der Vorteil liegt darin, mittels Perfektionierung altbekannte Technik (ob im Mühlenbetrieb oder Kinderspielzeug) dazu zu nutzen, Strom zu erzeugen.

Zur Abschätzung des Jahresertrages wird für den Standort der Windkraftanlage die sogenannte mittlere Windgeschwindigkeit angegeben. Sie ist ein Durchschnittswert der über das Jahr auftretenden Windgeschwindigkeiten. Die untere Grenze für den wirtschaftlichen Betrieb einer Anlage liegt, abhängig von der Einspeisevergütung, bei einer mittleren Windgeschwindigkeit von etwa 5–6 m/s auf Nabenhöhe. Dabei sind jedoch noch weitere Faktoren zu berücksichtigen.

Ein Windgutachten auf Basis der Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit für einen Standort dient der optimalen Wahl der Nennwindgeschwindigkeit (meist das 1,4- bis 2-Fache der mittleren Windgeschwindigkeit) bzw. bei gegebenen Anlagendaten der Abschätzung der pro Jahr erzeugten Energie, branchenüblich als Volllaststunden angegeben (Quotient der voraussichtlichen oder tatsächlich erreichten Jahresstrommenge zur installierten Leistung). Über Rechenprogramme im Internet lässt sich der Ertrag bestimmter Anlagen unter zu wählenden Bedingungen näherungsweise bestimmen. Aufschluss über die tatsächlichen Erträge eines Standortes können jedoch nur auf Windmessungen basierende Windgutachten geben. Dabei ist der Turbulenzgrad aufgrund geologischer Gegebenheiten, Vegetation, höherer Bauten oder benachbarter Windkraftanlagen zu berücksichtigen. Die Ertragsminderung durch verminderte Windgeschwindigkeit und Turbulenz hinter anderen Windkraftanlagen wird als Wake- oder Nachlaufverlust bezeichnet.

Da das Leistungsangebot mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit steigt, ist es sinnvoll, die Anlage für eine deutlich höhere als die mittlere Windgeschwindigkeit auszulegen. Ihre Nennleistung, manchmal auch als installierte Leistung bezeichnet, erreicht eine Windkraftanlage bei der Nennwindgeschwindigkeit. Darüber wird die Leistung der Anlage konstant gehalten, um Überlastungen zu vermeiden. Bei sehr großen Windgeschwindigkeiten (Sturm) wird die Anlage ganz abgeschaltet (Details siehe unten im Abschnitt: Regelung und Betriebsführung).
Moderne Schwachwindanlage vom Typ Nordex N117/2400 auf 141-Meter-Hybridturm im Windpark Hohenahr, Hessen

Bei gegebenen Investitionskosten kann die Nennleistung auf Kosten der Rotorfläche erhöht werden oder umgekehrt. Eine Anlage mit höherer Nennleistung nutzt einen größeren Teil des Energieangebotes aus, eine Anlage mit größerem Rotor speist unterhalb der Nennwindgeschwindigkeit mehr Leistung in das Stromnetz ein. Bei Anlagen in Deutschland, wo v. a. Anlagen mit vergleichsweise hohen Nennleistungen zum Einsatz kommen, wurden im Mittel der letzten Jahre zwischen 1400 und 1800 Volllaststunden erreicht, wobei bei neu installierten Windkraftanlagen deutlich bessere Ergebnisse erzielt werden als bei älteren Modellen. In anderen Ländern liegen die Kapazitätsfaktoren z. T. deutlich höher; in den USA kamen Windkraftanlagen 2011 beispielsweise auf einen vergleichsweise hohen Kapazitätsfaktor von 33 %, entsprechend etwa 3000 Volllaststunden. Bei Offshore-Anlagen geht man von ca. 3800 Volllaststunden aus, allerdings gibt es Hinweise, dass 3800 Volllaststunden für viele Offshore-Windparks mit modernen Turbinen möglicherweise zu konservativ gerechnet sind. So übertraf z. B. der Nordsee-Windpark im Jahr 2011 alpha ventus den prognostizierten Ertrag von 220 GWh (entsprechend etwa 3700 Volllaststunden) mit 267 GWh deutlich. Dies entspricht ca. 4.400 Volllaststunden. Im Jahr 2012 wurde dieses Ergebnis mit 4460 Volllaststunden nochmals leicht übertroffen, allerdings ist es laut Betreiber zu früh, den prognostizierten Wert so deutlich zu korrigieren.

Tendenziell ist onshore wie offshore ein Trend zu höheren Kapazitätsfaktoren erkennbar, ausgelöst durch größere Nabenhöhen sowie eine höhere Rotorfläche pro kW installierter Leistung. Auch wurden in jüngster Zeit von mehreren Herstellern Schwachwindanlagen mit besonders großer Rotorfläche (ca. 4,5 – 5 m²/kW) entwickelt, mit denen auch auf windschwächeren Standorten deutlich mehr Volllaststunden als oben angegeben erreicht werden können. Zugleich verstetigt sich die Windstromproduktion; die Stromgestehungskosten sinken und der Ausbaubedarf des Stromnetzes wird geringer. Beispiele für derartige Schwachwindanlagen sind die Nordex N117/2400, die GE 2.5-120 oder die Gamesa G114-2.0. Auch für windhöffigere Standorte ist es sinnvoll, die Rotorfläche pro Nennleistung zu erhöhen, um die Volllaststunden zu vermehren und die Kosten zu senken.

Was sind die Vorteile dieser Erfindung für ein ganzes Land?

Ein Vorteil für das ganze Land ist die nachhaltige umweltfreundliche Erzeugung von Strom. Dies geschieht ohne auf die natürlichen und begrenzten Ressourcen der Erde wie Erdöl, Erdgas zurückgreifen zu müssen. Ein weiterer Vorteil ist die dadurch entstehende weitgehende Unabhängigkeit von externen Energielieferanten. Weiters werden durch die Erzeugung und Aufstellung der Windräder im Land Arbeitsplätze geschaffen und erhalten.

In den EU-Staaten herrscht Umfragen zufolge generell eine hohe Zustimmung zum Ausbau der Erneuerbaren Energien. Eine 2011 in insgesamt 24 Ländern weltweit durchgeführte Umfrage ergab, dass 93 % der Befragten für den Ausbau von Windkraftanlagen befürworteten. Auch in Deutschland herrscht in der Bevölkerung ein weitgehender Konsens, dass den Erneuerbare Energien in einem zukünftigen Energiesystem die tragende Rolle zukommen soll. Die dritte jährliche Forsa-Umfrage zur Akzeptanz der Erneuerbaren Energien in Deutschland wurde 2009 durchgeführt. Sie war repräsentativ und ergab unter anderem:

• die Akzeptanz von Windenergieanlagen ist auch in der eigenen Nachbarschaft hoch
• je mehr Erfahrungen die Bevölkerung bereits mit Windkraftanlagen gesammelt hat, desto höher ist die Akzeptanz für neue Anlagen
• wer erneuerbare Energien bereits aus der eigenen Umgebung kennt, bewertet sie überdurchschnittlich gut: 55 Prozent der Gesamtbevölkerung stehen Windkraftanlagen positiv gegenüber; in der Gruppe, die Windräder in der Nachbarschaft haben, liegt die Zustimmung bei 74 Prozent

Diese Ergebnisse wurden durch weitere Umfragen seitdem im Wesentlichen bestätigt. Allerdings kommt es gerade beim Bau von Windkraftanlagen im Vorfeld angesichts befürchteter Nachteil häufig zu lokalem Widerstand, was häufig als Nimby-Phänomen bezeichnet wird. Dieses Konzept erfährt mittlerweile in der wissenschaftlichen Debatte deutliche Kritik, da eine Reihe von Untersuchungen zu dem Ergebnis kam, dass ein Kernbestandteil dieser These, die sog. „proximity-hypothesis“ nicht zutrifft. Diese geht davon aus, dass der Widerstand umso größer ist, je näher die Anwohner an den Windkraftanlagen wohnen. In der Realität wird jedoch häufig genau das Gegenteil beobachtet, also dass die Unterstützung von Windkraftanlagen mit zunehmender Nähe zunimmt. Daneben legen weitere Studien nahe, dass nach Installation der Anlagen die Unterstützung ansteigt. Weiteren Einfluss auf die Zustimmung hat die Möglichkeit der Beteiligung. Ist eine kommunale Beteiligung an den Anlagen möglich, führt dies zu deutlich höheren Akzeptanzwerten in der Bevölkerung.

Dennoch kommt es mancherorts zur Bildung von Bürgerinitiativen. Neben Initiativen, welche die Windenergienutzung generell ablehnen, existieren auch Initiativen, die nur konkrete Anlagen in der näheren Umgebung ablehnen, prinzipiell aber die Windenergienutzung befürworten. Kritikpunkte sind z. B. der Abstand der Anlagen zur Wohnbebauung, eine als nachteilig empfundene Veränderung des Landschaftsbildes sowie die Beeinträchtigung von Tieren wie Vögeln und Fledermäusen.

Einige Bürgerinitiativen geben vor, die Weltgesundheitsorganisation würde einen Mindestabstand von 2000 Metern zu Wohnbebaungen fordern. Auf Anfrage gab die Organisation an, sie habe keine Richtlinie zu Geräuschen von Windturbinen herausgegeben, weshalb eine Empfehlung zu einem derartigen Mindestabstand auch nicht von der WHO stamme. Sie verwies lediglich auf eine Empfehlung des kanadischen Umweltministeriums und auf die allgemein gültigen Lärm-Richtlinien der WHO.

Die Windenergie gehört zu den umweltfreundlichsten, saubersten und sichersten Energieressourcen. Ihre Nutzung wird in der wissenschaftlichen Literatur – auch verglichen mit anderen Regenerativen Energien – zu den umweltschonendsten Energiegewinnungsformen gezählt.

Wie auch andere Erneuerbare Energien ist die Energie des Windes nach menschlichem Ermessen zeitlich unbegrenzt verfügbar und steht somit im Gegensatz zu fossilen Energieträgern und Kernbrennstoffen dauerhaft zur Verfügung. Ebenfalls entsteht bei der Windenergienutzung nahezu keine Umweltbelastung infolge von Schadstoffemissionen, wodurch die Windenergie als wichtiger Baustein der Energiewende sowie einer nachhaltigen und umweltschonenden Wirtschaftsweise angesehen wird. Da sie zugleich weltweit und im Überfluss vorhanden ist und ihre Wandlung vergleichsweise kostengünstig ist, wird davon ausgegangen, dass sie in einem zukünftigen regenerativen Energiesystem zusammen mit der Photovoltaik den Großteil der benötigten Energie bereitstellen wird.

Aufgrund ihres sehr geringen CO2-Ausstoßes von ca. 9[48] bis 18,5g/kWh gilt sie darüber hinaus als wichtiges Mittel im Kampf gegen die Globale Erwärmung. Zudem gibt es bei der Windenergie keine Risiken von großen oder extrem großen Umweltschädigungen wie bei der Kernenergie infolge von schweren Unfällen.

Befürworter der Windenergie versprechen sich von ihrer Nutung zudem mehr Gerechtigkeit, da auf diese Weise insbesondere vor dem Hintergrund steigender Preis für fossile Energieträger auch Staaten ohne Energieressourcen einen höheren Grad der Selbstversorgung bis hin zur Autarkie in der Energieversorgung erreichen könnten.

Moderne Windenergieanlagen besitzen eine kurze energetische Amortisationszeit von nur wenigen Monaten.

Windkraftanlagen weisen nur einen sehr geringen Flächenbedarf auf, da die eigentliche Energiegewinnung in der Höhe stattfindet. Auch verglichen mit anderen Formen der Energieerzeugung weist die Windenergienutzung einen vergleichsweise niedrigen Flächenbedarf auf; man geht von circa 0,4 ha (4.000 m²) pro Windkraftanlage aus. Die Fundamentfläche moderner Anlagen der 3-MW-Klasse liegt bei ca. 350–500 m², die größten derzeit errichteten Windkraftanlagen vom Typ Enercon E-126 liegen bei einer Leistung von 7,6 MW bei einer Fundamentfläche von etwa 600 m². Hinzu kommt bei Verwendung eines Mobilkranes die Kranstellfläche mit einem Flächenverbrauch von circa 0,3 ha, die während des Betriebes der Anlage dauerhaft erhalten bleibt.Kommt zur Errichtung der Anlage ein Turmdrehkran zum Einsatz, reduziert sich der Flächenbedarf für die Montage des Krans und der Windkraftanlage auf rund 0,12 ha. Daneben kann ggf. ein Neu- oder Ausbau der Zuwegung zur Anlage notwendig werden, zudem wird während der Bauphase temporär eine Bedarfsfläche von 0,2–0,3 ha für die Lagerung und evtl. Vormontage von Anlagenteilen benötigt.

Insgesamt betrug der Flächenverbrauch von Windkraftanlagen in Deutschland im Jahr 2011 rund 100 km². Zum Vergleich: In deutschen Braunkohletagebauten wurden ohne Kraftwerke ca. 2.300 km² bewegt und verbraucht; der Anteil der Braunkohle am deutschen Stromverbrauch lag 2012 bei etwa dem Dreifachen der Windstromerzeugung. Geht man von einer Stromproduktion von 6–8 Mio. kWh jährlich und einem Flächenverbrauch von 4.000 m² aus, was typische Werte für eine moderne Binnenlandanlage der 3-MW-Klasse sind, so ergibt sich ein Stromertrag von 1.500–2.000 kWh pro m² Gesamtfläche pro Jahr. Auf Starkwindstandorten liegt der Flächenertrag noch deutlich höher. Damit liegt die Flächenproduktivität (Ertrag pro Fläche) der Windenergienutzung bei etwa dem Tausendfachen von Biogasanlagen.

Was sind die Nachteile dieser Erfindung?

Ein unbestreitbarer Nachteil ist die landschaftsreliefgestaltende Auswirkung, die durch die Aufstellung eines oder mehreren Windräder erzielt wird. Auch sind Nachteile oder Auswirkungen auf Fauna nicht endgültig erforscht.

Bei der ästhetischen Bewertung von Windkraftanlagen spielen subjektives Empfinden, Gewöhnung und gesellschaftliche Einstellungen, insbesondere Landschaftsideale, eine wichtige Rolle. Die landschaftsästhetische Bewertung von Windenergieanlagen ist äußerst kontrovers: Manche sehen in ihnen eine Bereicherung des Landschaftsbildes, andere eine Beeinträchtigung, insbesondere der Eigenart und Natürlichkeit von Landschaften.[66] Wegen der zumeist hellen, schlank aufragenden Türme der Windkraftanlagen wird (von Kritikern) auch von Verspargelung der Landschaft gesprochen, wegen des technisch-industriellen Charakters von Windkraftanlagen von einer Industrialisierung der Landschaft gesprochen.

Weitere Nachteile sind wie folgt:

• Vogel- und Fledermausschlag
• Landschaftsverbrauch
• Auswirkungen bei Standorten im Meer
• Verwendung von Seltenerdmagneten

Wer kann diese Erfindung betreiben bzw. benützen?

Diese Erfindung ist für alle nutzbar, sofern die natürliche Lage (Klima) und Windströmung der jeweiligen Region es erlaubt.

In Deutschland sind Windkraftanlagen nach § 35 Abs. 1 Nr. 5 Baugesetzbuch (BauGB)als Vorhaben im Außenbereich „privilegiert“. Durch planungsrechtliche Instrumente (Regionalplanung, Flächennutzungsplanung bzw. Bebauungspläne) können Vorrangflächen festgelegt und damit auch andere Flächen von der Windenergienutzung ausgeschlossen werden. Die Genehmigung erfolgt in der Regel als immissionsschutzrechtliche Genehmigung, die gleichzeitig alle anderen erforderlichen Genehmigungen einbezieht.

Die Genehmigung von Windkraftanlagen mit einer Höhe geringer als 50 Meter basiert nicht auf dem Bundes-Immissionsschutzgesetz, sondern auf Landesrecht. In jedem Bundesland gibt es somit unterschiedliche Regelungen für die Baugenehmigung kleiner Windkraftanlagen. Einige Bundesländer sind dazu übergegangen, für Kleinstanlagen bis 10 Meter Höhe auf eine Genehmigungspflicht zu verzichten.

In der Praxis wird oft versucht, politisch auf die Genehmigungsbehörden sowohl pro als auch contra Windenergienutzung Einfluss zu nehmen. Dies ist genauso wenig zulässig wie eine übermäßige Standardisierung der Verfahren durch Windenergieerlasse (siehe z. B. Abstandsregelungen im Windenergieerlass Nordrhein-Westfalen).

Die Preise für Windkraftanlagen unterliegen marktüblichen Schwankungen. Zum einen halten sich die Anbieter eher bedeckt, zum anderen müssen individuelle Rahmenbedingungen berücksichtigt werden. Dazu zählen beispielsweise der Baugrund, die Infrastruktur (Zuwegung zur Baustelle, Entfernung zum Stromnetz), Vorschriften zur Stromqualität und Lärmemission usw. und davon abhängig die verwendete Technik (Art des Fundamentes, Art der Einspeisung, …). Getriebelose Anlagen sind in der Regel in der Installation teurer als herkömmliche Windkraftanlagen mit Getriebe, jedoch zuverlässiger, wartungsärmer und leiser.

In einer Pressemitteilung über die Installation von sieben getriebelosen Enercon E-82 (Zwei-Megawatt-Anlagen) im Sommer 2010 wird ein Investitionsvolumen von insgesamt 25 Millionen Euro für Bau und Anschluss genannt. Rechnerisch bedeutet dies rund 3,5 Millionen Euro pro Anlage und 1800 Euro pro installiertem Kilowatt. Im Windpark Brenntenberg, in dem drei jeweils 3 MW starke, ebenfalls getriebelose E-101 auf 135m-Turm zum Einsatz kommen sollen, wird mit rund 15  Millionen Euro kalkuliert. Dies entspricht 5 Millionen Euro pro Anlage bzw. ca. 1700 Euro pro Kilowatt installierter Leistung.

Für den Windpark Neudorf, der aus drei je 2,5 MW leistenden Nordex N100 auf 140-m-Turm besteht, wurde dagegen mit ca. 8,3 Mio. Euro kalkuliert, was ca. 1100 Euro pro installiertem Kilowatt entspricht. Der weltweite Durchschnittspreis für Windkraftanlagen lag im Februar 2011 bei knapp unter 1 Mio. Euro pro Megawatt. Zwischen 2008 und 2010 gaben die Preise pro MW infolge starken Wettbewerbs um 18 % nach, ein Trend, der sich auch im Jahr 2011 fortsetzte. Ende 2011 lag der Preis pro MW bei 910.000 Euro, Ende 2009 waren es noch 1.210.000 Euro gewesen.

Allerdings lassen die Installationskosten nicht unmittelbar auf die Stromgestehungskosten schließen, da hierfür noch weitere Faktoren wie die vor Ort herrschenden Windbedingungen, der Kapazitätsfaktor der Anlagen, die anfallenden Wartungskosten oder die Nutzungsdauer der Anlagen berücksichtigt werden müssen. So geht z. B. ein größerer Rotor in der Regel mit höheren Installationskosten pro MW einher, womit sich eine derartige Anlage relativ zu einer vergleichbaren Anlage mit kleinerem Rotor verteuert. Zugleich erhöht ein größerer Rotor aber den Kapazitätsfaktor, was wiederum bei gleicher Nennleistung zu einer höheren Stromproduktion führt.

Die Einspeisevergütungen sind in Deutschland im Erneuerbare-Energien-Gesetz festgeschrieben, in zahlreichen Ländern existieren ähnliche Regelungen.

Gibt es Alternativen, falls es diese Erfindungen nicht gäbe?

Eine Alternative wäre es, durch Wasserkraft auf ebenfalls nachhaltiger umweltfreundlicher Basis Strom zu erzeugen.

Auf der Webseite der Bürgerinitiative ‚Windradfreies-Voralpenland.de‘ haben sich findige Leute Gedanken gemacht, mit welchen Alternativen, weniger Investitionen und gutem Willen alle geplanten WEA, zumindest die in sensiblen Landschaften geplanten, ersetzt werden können. Nachstehend eine tabellarische Zusammenstellung aus diesem Ideen-Katalog.

Gibt es Gefahren, die im Einsatz dieser Erfindung für den Einzelnen und die Gesellschaft entstehen können?

Keine sofort erkennbaren, jedoch würde die ausschließliche Nutzung von Windenergie und die Aufstellung der Anlagen wohl einige andere Energielieferanten gefährden und dadurch auch Arbeitsplätze.

Unglücksfälle kommen auch bei Windkraftanlagen vor, doch da sie meist fernab von Siedlungen stehen, kommt es abgesehen von Arbeitsunfällen bei der Montage und Wartung meist nicht zu Personenschäden. Neben Blitzschlägen und defekten Rotorblättern sind Turmberührungen bei extremen Böen Gründe für Unfälle. Dabei kann eine Anlage umstürzen oder Teile der Rotorblätter verlieren. Die Unfälle an Windkraftanlagen sind spektakulär und sehr gering in Relation zur Zahl der Anlagen. In Mitteleuropa wurden bei rund 40.000 installierten Windkraftanlagen bisher ca. 15 Blattabbrüche registriert (Stand Anfang 2014). Der besonders hohe Sicherheitsstandard moderner Windkraftanlagen drückt sich anschaulich in der Höhe der Betriebshaftpflichtversicherung aus, die unter anderem Unfälle und Personenschäden abdeckt. Für eine Windkraftanlage mit zwei bis drei Megawatt Nennleistung (entspricht dem Durchschnitt neu installierter Anlagen) beträgt diese nur 70 bis 90 Euro im Jahr.

Im Jahr 2003 gab es sechs Brände, die hauptsächlich durch Funkenflug wegen mangelhaft hergestellter elektrischer Verbindungen entstanden und weil hydraulische Leitungen brachen und sich das Hydrauliköl anschließend selbst entzündete. Brände können in der Regel durch die Feuerwehr nur im unteren Turmbereich bekämpft werden. Bei einigen der neuen Multimegawatt-Offshore-Anlagen wird inzwischen standardmäßig ein Brandschutzsystem installiert.
Vereistes Rotorblatt einer Windkraftanlage in Norddeutschland. Betroffen ist die Blattvorderkante. Die Anlage wurde durch das Eiserkennungssystem gestoppt.

Die Rotorblätter von Windkraftanlagen können bei entsprechender Witterung Eis ansetzen, das sich bei Tauwetter bei stehender und als Eiswurf bei anlaufender Anlage ablösen kann (nur bei alten Anlagen ohne Eiserkennung). Alle modernen Anlagen verfügen über eine Eiserkennung, beruhend auf Temperatur, Windsensorstatus, Windgeschwindigkeits- und Leistungsdaten, sodass sie bei Vereisung automatisch abschalten. Die Anlagen werden nach Vereisungen ggf. nur vom Windmühlenwart oder vom Servicepersonal vor Ort wieder in Betrieb genommen, wenn die Anlage eisfrei ist. Einige Hersteller bieten auch Rotorblattheizungen an, die Eisbildung verhindern können und somit in entsprechenden Klimazonen zu Mehrerträgen durch geringere Stillstandszeiten führen. Eisabfall ist öfter (Raureif, seltener Eisregen) zu beobachten, es wurden jedoch bisher noch keine Personen- oder Sachschäden dokumentiert. Die Fallweite (Anlage geht bei Vereisung in Trudelstellung) ist meist gering, wobei gilt: umso kompakter die Eisstücke, umso näher bei der Anlage (z. B. nach Eisregen), umso leichter, desto weiter werden sie von eventuellen Windböen getragen – als relevante Entfernung kann die Rotorspitzenhöhe angenommen werden (= ca. 45° Fallwinkel). Bei Eiswetterlage oder Tauwetter sollte man den Aufenthalt unter Windkraftanlagen ebenso wie unter anderen hohen Gebäuden oder Konstruktionen – zum Beispiel Freileitungsmasten – vermeiden. Zumeist wird auch auf Hinweisschildern an den Zugangswegen vor der Gefahr gewarnt. Bei Gewittern dürfen sich wegen erhöhter Blitzschlaggefahr keine Personen in Windkraftanlagen aufhalten, auch die Nähe zu Windkraftanlagen soll gemieden werden.

Weitere Gefahren sind wie folgt:

•  Gesellschaftliche Akzeptanz
• Schattenwurf
• Diskoeffekt
• Hindernis-Befeuerung
• Schall
• Infraschall
• Einfluss auf Radaranlagen
• Immobilienpreise
• Tourismus

Woraus besteht diese Erfindung?

Windräder bestehen aus einem ca. 30-50 m hohen schlanken Betonsteher, der innen begehbar ist. Diese Steher werden an exponierten Stellen in der Landschaft aufgestellt, um Windkraft effizient zu nutzen. An der Spitze des Stehers, der oft in RAL-Farben (Grün, Blau aber auch Weiß) der Umgebung angepasst wird, um die Wirkung auf das Landschaftsbild zu mindern, befindet sich eine Transformatorstation bzw. ein Dynamo, der mittels einer Welle mit dem Windrad verbunden ist und durch die Bewegung des Windrades Strom erzeugt. Trafostation und Windrad können Achse und Winkel verändern, um den Windfluss effizient zu nutzen.

Welche Technologien müssen bekannt sein, damit die Erfindung hergestellt werden kann?

• Betonerzeugung
• Leichtbauweise (Windräder Flügel, spezialisierte Waldviertler Firma)
• Dynamotechnik
• Stromtechnik
• Leitungsbau
• Landschaftsbau
• Wasserbau
• Fahrzeugtechnik
• Straßenbau
• Kommunikationstechnik
• Hinweistafel-Erzeugung
• Computertechnik
• Wissen um Landschaftsökologie
• Hoch- und Tiefbau xv. Maschinenbau
• Beleuchtungstechnik
• Sicherheitstechnik
• Flugzeugtechnik (Propellerbau)
• Wissen um Aerodynamik

Welche Teilerfindungen mussten bereits gemacht werden, damit die Erfindung betrieben werden kann? Hat sich die Erfindung plötzlich ergeben, oder wurde sie über lange Zeit verbessert und perfektioniert?

Die Erfindung wurde perfektioniert, indem man die Windmühlen ständig verbesserte und schliesslich auf die Nutzung des Windes zur Stromgewinnung kam.

Die ältesten Windmühlen sind aus Persien (zum Getreidemahlen), Tibet (als Gebetsmühlen) und China (zum Wasserpumpen)[1] bekannt. Diese hatten eine vertikale Rotordrehachse und eine horizontale Drehkreisebene. Die persische Windmühle funktionierte als Widerstandsläufer. Die chinesische Windmühle, bei der vertikal stehende Dschunkensegel sich im Drehkreis um ihre Achse dank ihres spezifischen Riggs automatisch selbst zum Wind ausrichten, ist ein Auftriebsläufer.

In Europa sind Windmühlen seit dem 12. Jahrhundert bekannt. Sie wurden von Anfang an als Auftriebsläufer mit horizontal liegender Rotordrehachse gebaut, was bis heute das grundlegende Prinzip moderner Windkraftanlagen ist. Entstehen konnte diese Technologie durch das Zusammentreffen einiger historischer Umstände:

• Im Hochmittelalter hatte sich das Handwerk innerhalb der Zünfte vervollkommnet.
• Der wachsende allgemeine Wohlstand verknappte das Angebot an billigen Arbeitskräften.
• Die Christianisierung der seefahrenden nordischen Völker (z. B. Wikinger) verstärkte den Austausch zwischen ihnen und Mitteleuropa.

Durch Wasserkraft angetriebene Schöpfräder zur Bewässerung („Noria“) sind bereits aus dem 5. Jahrhundert v. Chr. aus Mesopotamien bekannt. Erste Mahlmühlen mit Wasserkraftantrieb sind aus dem 3. Jahrhundert v. Chr. aus China belegt. Auch die alten Ägypter, Perser und später die Griechen und Römer verwendeten Wassermühlen. Bedingung für die Nutzung der Wasserkraft ist die Voraussetzung, dass ein Gewässer mit ausreichendem Gefälle vorhanden ist, das auch in Trockenperioden genügend Wassermenge führt. Da diese Bedingung im Flachland vielerorts nicht erfüllt ist, dort hingegen (oft) der Wind stärker und gleichmäßiger bläst, hat sich in den küstennahen, flachen Regionen die Windmühle als vorherrschender Mühlentyp etabliert, in den bergigeren Regionen die Wassermühle. Die flexible, zeit- und ortsunabhängige Verfügbarkeit der Antriebskraft in beliebiger Menge war das Hauptargument für den Einsatz von Mühlen, die mit Muskelkraft betrieben wurden, etwa von Göpeln.

Hinzu kam die Verbindung der aerodynamischen Kenntnisse der nordischen Völker mit der Handwerkskunst der Mitteleuropäer, die eine Entwicklung der Windmühlentechnik ermöglichte.

Neben den reinen Windmühlen gibt es auch Mühlen, die ihre Antriebskraft aus Wasser und Wind zugleich beziehen. Eine der wenigen heute noch komplett erhaltenen derartigen Mühlen ist die Hüvener Mühle im nördlichen Emsland.

Die Windmühlen wurden im Laufe der Zeit verbessert und außer zum Mahlen auch zum Dreschen, Wasserpumpen oder -schöpfen und zum Sägen sowie Hämmern oder Klopfen (Walken) eingesetzt. Bereits vor der Industrialisierung entstanden so in einigen windbegünstigten Regionen wie z.B. Dänemark, den Niederlanden und Norddeutschland Landschaften, die stark von der gewerblichen Windenergienutzung geprägt wurden.

Auf Basis dieser nach heutigen Maßstäben kleinen Anlagen fand in den 1990er und 2000er Jahren die weitere Entwicklung hin zu den modernen Großturbinen statt. Seither ist Dänemark das Land mit dem größten Windkraftanteil an der Stromerzeugung.

Mit dem Stromeinspeisungsgesetz von 1991 begann der Aufschwung der Windenergie auch in Deutschland; er setzte sich mit dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (in Kraft seit 1. April 2000) fort. Diese politischen Rahmenbedingungen trugen dazu bei, dass deutsche Windkraftanlagenhersteller die Technologie- und Weltmarktführerschaft erlangten. Sie entwickelten und bauten immer größere Anlagen mit drei verstellbaren Rotorblättern und variabler Drehzahl.

Die mittlere Nennleistung der in Deutschland neu installierten Windkraftanlagen betrug 164 kW im Jahr 1990, im Jahr 2000 erstmals über 1 MW, im Jahr 2009 erstmals über 2 MW. Im Jahr 2011 lag sie bei über 2,2 MW, wobei Anlagen mit einer installierten Leistung von 2,1 bis 2,9 MW mit einem Anteil von 54 % dominierten. Ein weiterer Anstieg der durchschnittlichen Nennleistung ist absehbar, u. a. wegen der Einführung der 3-MW-Klasse bei Onshore-Windkraftanlagen und wegen des zunehmenden Baus von Offshore-Windparks, in denen hauptsächlich Großanlagen mit einer Nennleistung zwischen 3,6 und 6 MW errichtet werden.

Zudem wurde der Rotordurchmesser größer. Eine Verdopplung der Rotorblattlänge bewirkt gemäß der Kreisformel eine Vervierfachung der Rotorfläche. Noch bis Ende der 1990er Jahre lag der Durchmesser meist unter 50 Meter, nach etwa 2003 meist zwischen 60 und 90 Meter.[8] Seit 2008 kommen oft auch Windkraftanlagen mit Rotordurchmessern über 90 Metern zum Einsatz, was 2012 bereits der Durchschnittswert der in Deutschland neu installierten Anlagen war. Analog stiegen die durchschnittliche Nabenhöhe und Nennleistung bis zum ersten Halbjahr 2014 auf 113 m bzw. 2,65 MW sowie der Rotordurchmesser auf 97 m, mit deutlichen Unterschieden aufgrund regionaler Windhöffigkeit.

Moderne Schwachwindanlagen haben mittlerweile Rotordurchmesser bis etwa 130 Meter und Nabenhöhen bis zu 150 Meter, wobei die Gesamthöhe der Anlagen bisher 200 m in aller Regel nicht überschreitet. Im Offshore-Bereich sind (Stand 2013) Anlagen mit Rotordurchmessern von über 170 Metern im Testbetrieb. Enercon war zunächst lange der einzige Hersteller mit Direktantrieb; mittlerweile setzen mehrere Hersteller auf ein getriebeloses Design. Im Jahr 2013 betrug der weltweite Marktanteil der getriebelosen Anlagen 28,1 %.

Windkraftanlagen wurde bis etwa 2010 stationär per Dockmontage gefertigt; seitdem setzen Hersteller aus Kostengründen zunehmend auf Serienfertigung im Fließbandverfahren und auf eine Industrialisierung und Standardisierung ihrer Produkte. Parallel dazu setzen sich – wie im Automobilbau seit langem Standard – modulare Plattformstrategien durch, bei denen auf der gleichen technischen Basis Anlagentypen bzw. -varianten für verschiedene Windklassen entwickelt werden; z. B. durch unterschiedliche Rotorgrößen bei weitgehend identischem Triebstrang oder unterschiedlichen Generatorkonzepten bei gleichem Rotordurchmesser.

Nicht alle neu installierten Anlagen stehen an neuen Standorten: Teilweise werden alte Anlagen abgebaut und durch leistungsstärkere ersetzt, was als Repowering bezeichnet wird. Innerhalb von Windparks sinkt dabei in der Regel die Anzahl der Anlagen, während zugleich installierte Leistung und Ertrag deutlich steigen.

Gibt es irgendeine verbesserte Version dieser Erfindung, oder wird es die vielleicht geben? Wie könnte sie aussehen?

Ich kenne die Anwendung der Windenergienutzung auch im Segelbau, im Betrieb von Schiffen mittels Windturbinen.

• Flettner-Rotor

ist ein alternativer aerodynamischer Antrieb in Form eines der Windströmung ausgesetzten, rotierenden Zylinders, der durch den Magnus-Effekt eine Kraft quer zur Anströmung entwickelt. Er ist nach seinem Erfinder Anton Flettner benannt und kommt bisher vor allem im Rotorschiff zur Anwendung.

Ein angeströmter starrer Zylinder würde nur durch den Windwiderstand der projizierten Fläche Kraft erzeugen, und zwar in Strömungsrichtung.

Ein rotierender Zylinder hingegen erzeugt durch den Magnus-Effekt aus Sog- und Staudruckkräften darüber hinaus eine weitaus größere und quer zur Anströmung gerichtete Ablenkungskraft. Ein ausschließlich mit Flettner-Rotoren ausgerüstetes Schiff muss daher ähnlich einem Segelschiff gegen den Wind aufkreuzen und bleibt bei Flaute antriebslos.

Bläst Wind gegen einen rotierenden Zylinder, so wird er beschleunigt, wo Drehsinn des Zylinders und Windrichtung zusammenkommen. Auf der gegenüberliegenden Zylinderseite wird er abgebremst, strömt also langsamer. Dies erzeugt Unterdruck (schnellere Strömung) und Überdruck (verlangsamte Strömung), in Summe also eine quer zur Strömung wirkende Kraft (dynamischer Auftrieb) ähnlich wie an einem stehenden (Flugzeug-)Tragflügel, doch mit weitaus besserem Wirkungsgrad – rund dem Zehnfachen eines Segels oder starren Tragflügels mit gleichem Windwiderstand. Diese (Teil-)Kraft wirkt in die Richtung, in der Strömungsrichtung und Drehrichtung des Körpers gleichsinnig sind, und hängt (wie letztlich die Fahrgeschwindigkeit) von der Anströmungsgeschwindigkeit, der Drehgeschwindigkeit des Rotors und entscheidend auch vom Verhältnis beider zueinander ab. Die Geschwindigkeit der Rotoroberfläche liegt oft etwa beim Drei- bis Vierfachen der Windgeschwindigkeit, um einen sehr effizienten Antrieb zu ermöglichen, was bei Schiffsantrieben bisher im Bereich von grob 100 Umdrehungen pro Minute lag.

Änderung der Drehrichtung des Rotors bewirkt die Umkehrung der dadurch erzeugten Kraftkomponente F1. In jedem Fall aber wirkt eine zweite Kraftkomponente, die aus dem Widerstand entsteht, in Strömungsrichtung: F2. Die Summe (Resultierende R) dieser beiden Teilkräfte wird genutzt.

Die durch die Rotation erzeugten, quer zum Wind wirkenden Antriebskräfte der Rotoren leisten, wie normale Segel, keinen Vortrieb bei Im-Wind-Kursen und, im Gegensatz zu normalen Segeln, auch nicht bei Kursen vor dem Wind. Die Drehzahl des Rotors muss mit der Windgeschwindigkeit gesteigert werden, so dass bei hoher Windenergie auch hohe Antriebsenergie für die Rotoren bereitzustellen ist, jedoch bei geringer Windenergie ein verhältnismäßig größerer Aufwand für das Betreiben der Rotoren anfällt.

Sigurd Savonius forschte daran, die Zylinder mit Windkraft anzutreiben und erfand und entwickelte dabei den Savonius-Rotor. Für den Antrieb wäre auch eine andere Windturbine mit vertikaler Welle geeignet.

Verbesserungen können wahrscheinlich in der Gestaltung der Flügel, des verwendeten Materials (Leichtbau), in der Wahl des Aufstellungsortes erzielt werden. Eine utopische Vorstellung wäre meinerseits der Betrieb dieser computergesteuerten Windkraftwerke in Größen zwischen Hand und Fabriksgröße schwebend in der Stratosphäre ohne Bodenschluss. Selbst über computergesteuerte Rotoren, die entsprechend Position und Lage finden, durch geringste Windenergien in der Position gehalten. Strom wird mittels Energiepakete (kurze Laserimpulse) in geeigneten Speicher überführt und dort langfristig und jederzeit abrufbar ohne Energieverlust gelagert. Die schwebenden Kraftwerke sind von der Erde nur als kleine Punkte, ähnlich wie Flugzeug sichtbar, jedoch wird gerade an Materialien gearbeitet, die durch Facettenoberflächen die Kraftwerke unsichtbar werden lassen.

Die technische Weiterentwicklung umfasst vor allem Kostenreduktionen durch eine effizientere Serienproduktion und stärkeren Maschineneinsatz, insbesondere bei den noch z. T. in Handarbeit hergestellten Rotorblättern. Bei Rotorblättern ist ein Trend zu immer größeren Flügellängen festzustellen, die den Ertrag pro Anlage steigern und die Stromgestehungskosten senken sollen. Um die Belastungen durch das steigende Eigengewicht niedrig zu halten, wird hierfür u. a. am Einsatz leichterer und stabilerer Materialien wie CfK geforscht, die jedoch andere technische Eigenschaften wie die weiter verbreiteten Blätter auf GFK-Basis haben. Daneben sind neue Profile, teilbare Flügel für leichteren Transport und „intelligente“ Blätter ein Forschungsziel. Daneben werden neue Triebstrang- und Generatorkonzepte entwickelt, auch 10-Megawatt-Generatoren mit Hochtemperatursupraleitern sind in der Entwicklung. Zudem entwickeln viele Hersteller spezielle Schwachwind-Anlagen zur effektiveren Erschließung von Binnenlandstandorten.

Ein weiterer Schwerpunkt der Forschung sind Offshore-Windkraftanlagen, die in Deutschland unter anderem durch die Installation der FINO-Forschungsplattformen begleitet wurde. Untersucht wird z. B. deren Einfluss auf die Ökosysteme vor der Küste. Es gibt vermehrt Überlegungen für Offshore-Windkraftanlagen mit nur zwei Rotorblättern, da ein Aufbau solcher Anlagen auf See sehr viel einfacher wäre. Mit schwimmenden Windkraftanlagen sollen Gewässer von über 50 m Tiefe erschlossen werden, womit sehr viel größere Bereiche der Meere für die Windkraftnutzung erschlossen werden könnten. Mehrere Prototypen existieren bereits, kommerzielle Projekte wurden jedoch noch keine realisiert. Herausforderungen stellen die die Wirtschaftlichkeit infolge der teuren schwimmenden Gründungsstrukturen sowie das komplexe dynamische Verhalten bei Seegang dar.

 Quellenangabe

http://www.windradfreies-dietramszell.de/alternativen-zur-windkraft/

http://de.wikipedia.org/wiki/Windenergie

http://de.wikipedia.org/wiki/Windkraftanlage

http://de.wikipedia.org/wiki/Flettner-Rotor

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Ich habe im Rahmen einer Fernstudienaufgabe Wien Energie folgende weiterführende Fragen zum Thema Windräder gestellt und folgende Antworten erhalten:

• Wieviel Energie erzeugt ein Windrad pro Stunde?
  • Es kann einen durchschnittlichen Wiener Haushalt ein Jahr lang mit Strom versorgen.
  • man könnte 28.500 Liter Wasser kochen
  • 3 Jahre lang Playstation spielen
• Warum ist die Höhe des Windrades entscheidend?
  • Je höher eine Anlage, desto gleichmässiger der Wind.
  • Der Stromertrag steigt je Meter Höhe um einen Prozent.
  • Verdoppelung der Flügellängen führte zu einer Vervierfachung der Stromproduktion
• Ab wann geht ein Windrad in Betrieb
  • Startgeschwindigkeit ist 10 km/h
  • Leistungsmaximum ist bei 40 km/h
• Wieviel kostet ein Windpark im Schnitt in der Errichtung?
  • Am Beispiel:Windpark Steinriegel 2 wird aus 11 Windkraftanlagen mit einer gesamten installierten Leistung von 25,3 Megawatt bestehen.
  • Er ist eine Erweiterung des Windparks Steinriegel 1, der seit 2005 in Betrieb ist.
  • Errichter und Betreiber des gesamten Windparks ist Wien Energie. Die Investitionssumme beläuft sich auf 34,5 Mio. Euro.

Ergänzend dazu verweist mich WIENENERGIE auf eine sehr informative Seite

https://www.wienenergie.at/

 

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Ratespiel: “Ich bin eine Erfindung”. Rate mit Fragen, die ich mit “ja” oder “nein” beantworten kann…

Und so ist dieses Spiel bei Franz verlaufen.

 

FRAGE	INTENTION DER FRAGE (INFORMATIONSGEHALT)
Ist deine Erfindung ein Ding?	Filter Ding/Lebewesen
Ist sie nützlich?	Nützlich im Sinne des täglichen Gebrauchs, ähnlich einer Zahnbürste
Besitzt du sie?	Ist sie tragbar? Ist sie für jedermann zu bekommen?
Kann man sie kaufen?	Bekommt man sie in jedem Supermarkt?
Hast du sie mit?	Sehe ich sie an dir gerade jetzt?
Kostet sie viel?	Kann ich es mir als Normalsterblicher leisten, ist es erschwinglich?
Braucht sie Strom?	Ist zum Betrieb die Steckdose erforderlich?
Macht sie Strom?	Oder ist es die Steckdose?
Braucht sie Wasser, um Strom zu erzeugen?	Externe Hilfe um Strom zu erzeugen?
Ist es ein Windrad?	Wasser wurde ausgeschlossen…; JA