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Beratung für Entwicklung

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Wie viele Windenergieanlagen

für

eine Windenergieanlage?

Dienstag, 23. März 2010

Idee, Versuch, Konzept, Design

“Energie aus dem Wind

für

Energie aus dem Wind“

für_Energie_aus_dem_Wind

– Softwareentwicklung

– Konstruktionstechnik

– Versuch

– System–, Prozessanalyse

Inhaber: Holger Neulen, Dipl.–Ing. (FH)

Mit freundlicher Unterstützung des Unternehmens

“Beratung für Entwicklung“

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Beratung für Entwicklung

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Inhaltsverzeichnis

Wie viele Windenergieanlagen für eine Windenergieanlage?!5

Grundlegendes! 5

Energie aus dem Wind! 5

Das Maß für Energie setzt der Bedarf an Leistung! 5

Leistung der Ressource “Wind“! 5

Der Bedarf an Versorgung! 6

Der Bedarf des Nachwuchs‘ …! 6

Stahl zum Bau einer Windenergieanlage! 7

… der Bedarf ist! 8

…nachhaltig!! 8

Zum Pumpspeicherkraftwerk! 8

für_Energie_aus_dem_Wind

Seite


Wie viele Windenergieanlagen

für

eine Windenergieanlage?

Abschätzung eines selbsterhaltenden Kreislaufes – Fortbewegen gegen den Klimawandel

Grundlegendes

Bisher wird Energie aus der Nutzung fossiler Energieträger

bereitgestellt. Deren Ressourcen werden allmählich

“erschöpft“. In der Weiterentwicklung der Bereitstellung

von Energie schreitet die Versorgung mit regenerativen

Ressourcen voran.

Der Vorteil der “unendlich“ scheinenden Nutzbarkeit

ist vor dem Hintergrund der Sicherstellung der Versorgung

mit Energie nachvollziehbar.

… regenerativer Kreislauf

Ein selbsterhaltender Kreislauf muss dem Bedarf an

Energie gerecht werden.

Grundlage des Selbsterhaltens ist, dem menschlichen

Leben nachvollziehbar, das “Nachwachsen“. Aus der

technologischen Weiterentwicklung müssen daher “am

Leben orientiert“ akzeptable, selbstversorgende Systeme

heranwachsen, die zugleich Energie bereitstellen

und für “Nachwuchs“ sorgen können.

Denn – keine technische Anlage ist unbegrenzt nutzbar,

sie muss ebenso regeneriert werden.

Aktuell ist ein Kreislauf im Aufbau, der verschiedene

regenerative Ressourcen nutzt.

Energie aus dem Wind

Die kurzen Prozessketten der Umwandlung von Energie

bis zur Bereitstellung, die diskontinuierliche Verfügbarkeit

der Ressource “Wind“ lassen ein hohes Potential

für die Speicherung von Energie aus dieser Ressource

vermuten.

Zur Speicherung dieser Ressource sollten ebenbürtige

Systeme verwendet werden – schnelle Verfügbarkeit

bei diskontinuierlichem Potential der Ressource.

Dieser Aufgabe scheinen “Wasserspeicherkraftwerke“

gerecht zu werden. Bisher nutzt man sie zur Bereitstellung

von Energie bei hohem Bedarf. Während

der Zeiten geringen Bedarfs wird “überschüssige“ Energie

in diesen Kraftwerken bevorratet.

Mit dieser Eigenschaft kann dem Verhalten der Ressource

Wind für unseren Nutzen entsprochen werden.

Jeweils im Einklang mit den Maßen der Verfügbarkeit

und des Bedarfs von Energie.

Das Maß für Energie setzt der Bedarf

an Leistung

Der Bedarf an Leistung setzt das Maß für Energie pro

Zeitdauer. Ein beabsichtigter Prozess bestimmt das Potential

und die Zeitdauer der Verwendung von Energie.

Beabsichtigte Prozesse bestimmen den Bedarf.

Beispiel:

… ausreichend Leistung

Mit der stärksten Stufe der “großen“ Kochplatte bringt

man 5 Liter Wasser etwa nach 21 min. zum “Kochen“

(Sieden). Innerhalb dieser Zeit wird dem Wasser die

Menge Energie zugeführt, die es braucht, um ins Ko-

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chen zu geraten. (höchste Temperatur, die das Wasser in

gleichzeitig umgebenden Medien annehmen kann, hier

z. B. Luft, Küche, Topf).

…zu geringe Leistung

Mit der schwächsten Stufe der kleinen Kochplatte des

Herdes lassen sich 5 Liter Wasser nicht zum Kochen

bringen! Unabhängig davon, wie lange das Wasser mit der kleinen

Kochplatte bei schwächster Stufe “beheizt“ wird -– das

Wasser wird nicht kochen! Auch wenn die Menge an Energie

der auf der großen Kochplatte zugeführten entspricht –

oder sogar größer wird.

Der Bedarf an Energie je Zeit, das Wasser zum Kochen zu

bringen ist größer als die kleine Platte zur Verfügung stellt.

Soll das Wasser kochen muss die Bereitstellung von Energie

je Zeit vergrößert werden.

Leistung der Ressource “Wind“

Das Maß der (Verfügbarkeit von Energie) Leistung aus

dem Wind (bewegte Luft) bestimmen die physikalischen

Einflüsse:

• Richtung der Bewegung der Luft

Für die Abschätzung wird von der bestmöglichen Nutzung

der Richtung der Bewegung der Luft (Wind) ausgegangen.

• Dichte der Luft

Die Dichte der Luft scheint mit zunehmender Höhe geringer

zu werden, die Geschwindigkeit der Luft variiert. Für einen

ortsfesten Standort wird die Dichte als konstant angenommen.

• Geschwindigkeit der Luft (Windgeschwindigkeit)

Die Geschwindigkeit der Luft bestimmt nach den

vorausgesetzten Annahmen hauptsächlich die

Verfügbarkeit von Leistung aus dem Wind.

Anlage zur Bereitstellung der Leistung

Als technisches Gerät zur Bereitstellung der Leistung

aus dem Wind werden Strömungsmaschinen genutzt.

Im Allgemeinen sind das z. B. Propeller (Schraube,

Rotor) in mechanischer Verbindung mit Generatoren

zur Erzeugung elektrischen Stroms (Elektrizität) – auch

als Windkraftanlagen, Windräder, Windenergieanlagen

(WEA) bezeichnet.

Anhand der Windgeschwindigkeit und den Abmessungen

des Propellers kann das Maß der Bereitstellung

von Leistung aus dem Wind rechnerisch abgeschätzt

werden. 1

!

Mit:! Dichte der Luft:!

! vom Propeller überstrichener Fläche:!

!

Idee, Versuch, Konzept, Design

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– Versuch

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!

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! Windgeschwindigkeit:!

! !

Beiwert:

Bei physikalisch bestmöglicher Nutzung der Energie eines

Luftstromes mit einem Propeller. (aus der Geschwindigkeit

der Luft vor und nach dem Propeller),

Der Verlauf der Leistung in Abhängigkeit der Windge-

schwindigkeit zeigt die große Spanne, innerhalb welcher

die Ressource Wind Leistung zur Verfügung stellen kann.

Der Bedarf an Versorgung

Der Bedarf und die Verfügbarkeit an Leistung müssen

in einem Wechselspiel der Versorgung gerecht werden.

Aus der Verfügbarkeit der Leistung der Ressource in

Zusammenhang mit einer WEA soll der Bedarf und die

Bevorratung sichergestellt sein.

Annahmen für dieses Wechselspiel

• Als übergeordneter Zeitraum für den Bedarf wird

1 Jahr angenommen.

• Es wird ein grundsätzlicher Bedarf an Leistung

angenommen, der ständig gewährleistet sein muss.

(Grundbedarf)

• Die nutzbare Leistung während des Zeitraumes

ist durch die Verfügbarkeit von Leistung aus der

Windgeschwindigkeit der Ressource festgelegt.

• Wird die Ressource dem Bedarf an Leistung nicht

gerecht, muss der Vorrat Leistung bis zum Erfüllen

des Grundbedarfs ergänzen.

für die Bevorratung:

• Das Maß für die Zeitdauer der Versorgung aus

der Bevorratung ist über ein Jahr verteilt (120

Tage).

• Orientiert am Aufkommen der Ressource wird

angenommen, dass sie maximal an zehn aufeinander

folgenden Tagen im Monat nicht verfügbar ist.

Eine “Bevorratung“ für 120 aufeinander folgende Tage

erscheint als nicht möglich.

• Der Vorrat (Speicher) ist zu Beginn “gefüllt“.

• Im Verlauf des betrachteten Zeitraums muss der

Vorrat (Speicher) mittels Leistung während der

Verfügbarkeit der Ressource gefüllt werden.

… Verfügbarkeit der Ressource.

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1. Diagramm:! Leistung aus dem Wind PW beispielhaft

bei den Windgeschwindigkeiten 6 oder 8 m/s

Seite! 6! von!8

! für_Energie_aus_dem_Wind

• Orientiert am Aufkommen der Ressource wird die

Zeitdauer der Verfügbarkeit auf 20 Tage im Monat

(240 Tage im Jahr) geschätzt:

Für die Verfügbarkeit von Leistung aus der Ressource werden

folgende physikalische Größen angenommen:

• Windgeschwindigkeit, 6 m/s

• Durchmesser des Propellers der WEA, 100m

Ausgehend vom Propeller kann nach dem Leistungsfluss

Propeller, Welle (0,98), Getriebe (0,9), Welle (0,98), Generator

(0,9) dem Bedarf der Versorgung 500kW Leistung

bereitgestellt werden.

Dies entspricht etwa einer WEA, die maximal 2,5 MW

(Megawatt) Leistung aus der Ressource zur Verfügung

stellen kann. Die durchschnittlich bereitstellbare Leistung

aus der Ressource ist dann bei 6 m/s Windgeschwindigkeit

etwa 500 kW (Kilowatt).

Verfügbarkeit sichert Versorgung des Bedarfs

und der Bevorratung.

Die Verfügbarkeit muss also Leistung für Vorrat (Vorratsleistung)

erbringen, wie auch aktuellen Bedarf (Bedarfsleistung)

sicherstellen.

Für den Zweck “Energie aus dem Wind für Energie aus

dem Wind“ muss zunächst der Bedarf des “Nachwuchs“

gesichert werden.

Es wird angenommen, dass Prozesse mit kontinuierlichem

Bedarf an Leistung zur Sicherstellung des

“Nachwuchs“ erforderlich sind.

Maß für den Bedarf

Die kontinuierlichen Prozesse müssen aus dem Vorrat

über zehn aufeinander folgende Tage gewährleistet

werden. Das “Leben“ aus dem Vorrat bestimmt daher

den Bedarf, der aus der Verfügbarkeit von Leistung

zum “Selbsterhalt“ bereitgestellt werden muss.

Das bedeutet:

! bei durchschnittlichem Aufkommen der Ressource

“Wind“ mit 6 m/s kann mit einer WEA von 2,5

MW maximaler Leistung der Bedarf von 260 kW Leistung

sicher zur Verfügung gestellt werden. Diese Leistung

wird hier als “sWEA“ (selbsterhaltend WEA) bezeichnet.

Größe des Vorratsspeichers zur Sicherstellung des Bedarfs

von 260 kW für 10 Tage 50 m Höhenunterschied.

7300 m 3 Wasser (Aq).

Als Kennwert für Einschätzungen der Anzahl von WEA

für Bedarfe von Leistung wird daher verwendet:

250kW/sWEA oder 7300 m 3 Aq/sWEA

Mit 250 kW ist die Bereitstellung der Versorgung auf der

“sicheren Seite“ gegenüber den berechneten 260 kW.

Aq = Wasser

Der Bedarf des Nachwuchs‘ …

Der Bedarf des “Nachwuchs“ ist die Sicherstellung der

Herstellung einer weiteren ebenbürtigen Windenergieanlage.

Es werden nur die Prozesse betrachtet, die einen

intensiven Bedarf an Energie haben, wie z. B. die Herstellung

von Bauteilen aus Stahl.

Der Verfügbare und bereitgestellte Grundbedarf der

Versorgung wird mit 250 kW Leistung/sWEA angenommen.

Daraus lässt sich die erforderliche Anzahl von sWEA

abschätzen, die einen selbsterhaltenden regenerativen

Kreislauf – “Wieviel Windenergieanlagen für eine

Windenergieanlage“ – bilden.

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Stahl zum Bau einer Windenergieanlage

Woher kommt der Stahl?

Rohstahl

Im Zuge eines regenerativen Kreislaufs zur Schonung

von Ressourcen wird die Wiederverwertung von Rohstoffen

angestrebt. Stahl ist für die Wiederverwertung geeignet.

Neben der Erzeugung aus Rohstoffen (Ressourcen)

kann Stahlschrott geschmolzen werden und als Grundlage

für neue Fe-Werkstoffe genutzt werden. Die

Schmelze bildet dann die Grundlage zur Erzeugung

von Stahl für neue Bauteile. Geschmolzen wird der

Stahlschrott mit Hilfe elektrischer Energie (Induktionsofen).

Das sind aktuelle technologische Prozesse. Das

Erstarren der Schmelze liefert den Rohstahl. Er bildet

die Grundlage für die nächste Stufe in der Erzeugung

von Stahl, die Weiterverarbeitung zu Walzstahl.

Stahl, ein sehr gut wiederverwertbarer Werkstoff!

Walzstahl

Die Weiterverarbeitung von Rohstahl zu Walzstahl erfordert

einen hohen Aufwand an Leistung. Verfahrenstechnisch

wird der Bedarf dieser Leistung über Träger

fossiler Energie (meist Gas) sichergestellt.

Dieser Bedarf an Leistung lässt sich aus verfahrenstechnischen

Gründen mit elektrischem Strom bisher

schwierig bereitstellen. Eine erforderliche Leistung wird

jedoch überschlägig angenommen.

In Bezug auf die zu verarbeitenden Masse und den werkstofftechnischen

Hintergründen der Verarbeitung werden

keine großen Abweichungen zu diesen Annahmen erwartet.

Hilfsweise wird ein durchschnittlicher Bedarf an Leistung für

die Weiterverarbeitung (Energiezufuhr/Walzprozess = 1/3)

herangezogen.

Bei einem angenommenen Bedarf an Gas von 2 GJ/t im

Jahresdurchschnitt werden aufgrund der Prozesse des

Walzens 6 GJ/t zur Berücksichtigung einer Leistung

angenommen. So ist Energie von etwa 1500 kWh/t erforderlich.

Stahlerzeugnis

Endbearbeitung von Bauteilen aus Stahl: Spanen, Fügen,

Wärmebehandlung. Aus dem Energiebedarf der

Industrie wird abgeschätzt: 1000 kWh/t

Wieviel Stahl ist notwendig?

Bezogen auf ihre Masse besteht die WEA hauptsächlich

aus Stahl. Der Turm, das Maschinenhaus, der Rotor, das

Getriebe, der Generator – Bauteile, die hauptsächlich

aus Stahl bestehen.

Nach Herstellerangaben 2 in 1000 kg

• Fundament (Stahlarmierung)! 10

• Turm (80 m Höhe)! 172

• Maschinenhaus! 50

• Rotornabe! 26

• Treibstrang (Welle, Getriebe)! 45

• Generator (Anteil Stahl geschätzt)! 6

• Transformator (Anteil Stahl geschätzt)! 5

Gesamt:! 314

Welche Bauteile müssen wie erzeugt werden?

Abhängig vom erforderlichen Zweck, der Funktion, ist

die konstruktive Gestaltung eines Bauteils und davon

copyright © Holger Neulen, Mai 2010

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abhängig die Prozesse deren Herstellung. Im Allgemeinen

gilt: Je weniger Wertschöpfungsprozesse dazu erforderlich

sind, desto wirtschaftlicher und nachhaltiger

ist ein Bauteil herstellbar – der Zweck, die Funktion, die

ein Bauteil erfüllen soll.

Alle Bauteile aus Stahl müssen erschmolzen werden.

Dazu ist viel Leistung notwendig. Funktion und Größe

(Menge an Stahl) eines Bauteils bestimmt dessen Herstellung.

Die größten einzelnen Bauteile einer WEA sind

der Turm, das Maschinenhaus, die Triebwelle, die Nabe

des Rotors.

Turm und Maschinenhaus

Der Turm, wie auch das Maschinenhaus werden aus

einzelnen Teilen hergestellt und miteinander als Einheit

verbunden.

Triebwelle und Rotornabe

Die Triebwelle und der Rotor (Nabe des Propellers)

bestehen meist aus einem Stück Stahl. Hier ist die größte

Menge an Stahl herzustellen, die zur selben Zeit als

Schmelze vorhanden sein muss, um daraus ein Bauteil,

z. B. die Rotor-Nabe zu “gießen“. Nur so entsteht aus

der Schmelze ein Werkstoff, der die erforderlichen Eigenschaften

an allen Stellen des Bauteils sicher erfüllt.

Die Herstellung der Rotornabe “setzt“ den Bedarf

an Leistung

Wie werden die Bauteile erzeugt?

Annahme

Das Erschmelzen und direkte Verarbeiten der erforderlichen

Menge Stahl für das Bauteil aus dem Rohstahl

wird als das wirtschaftlichste angenommen. Es wird

auch bei der “konventionellen“ Herstellung von Stahl

angewendet.

Auch eine “Glocke“ wird z. B. aus einem Guss erzeugt –

von der Schmelze bis zum Abguss.

Rotornabe

Zur Herstellung der Rotornabe muss Energie zum Erschmelzen

von Schrott, Einbringen von Legierungsbestandteilen

und Vermischen für mindestens 26–30 t

Stahl/Gusseisen in einer Menge vorhanden sein.

… Bedarf großer elektrischer Leistung …

Erschmelzen von Stahl gibt den Takt an

Das Erschmelzen von Stahl erfordert große Leistung. Z.

B. ist zum Erschmelzen von etwa 2000 kg Stahl in einem

modernen Induktionsofen 1 MW Leistung erforderlich.

Zum Abschätzen

Für die Herstellung der Rotornabe (26 t) wären etwa 15

MW Leistung erforderlich (60 sWEA).

Alle weiteren Prozesse orientieren sich am “Abguss“.

Aufgrund des Charakters des Nachwachsens sollten

alle Prozesse mit so gering wie möglich erscheinenden

Einsatz umgesetzt werden. Es bietet sich daher an, die

Produktion an der bereitstellbaren Leistung der sWEA

zu orientieren.

… auch Stahl bevorraten

Die Bevorratung von Energie eröffnet auch die Bevorratung

Erschmolzenens (Eisen/Gusseisen/Stahl). Orientiert

an Herstellerangaben 3 sind etwa 1500 kW Leistung

erforderlich, um 40 t Gusseisen “warm“ zu halten. Mit

dem Induktionsofen lässt sich auch die Stahlschmelze

auf Temperatur halten.

Schmelzen–Bevorraten

Nach dem Verfahren Schmelzen-Bevorraten:

• 2 x 1 MW Schmelzofen (S-Ofen ), 1000kg Fassung

• 1,5 MW Vorrat (V-Ofen)! 30000 kg Fassung

! für_Energie_aus_dem_Wind ! Seite! 7! von! 8


können bei Annahme einer

• 24h/24h Auslastung des S-Ofens

• am Tag 48 Tonnen Stahl (Rohstahl)

erschmolzen und warmgehalten werden.

Nach 7 Tagen sind etwa 320 t Stahl verarbeitet, soviel

wie zum Bau einer ebenbürtigen WEA notwendig ist!

Dazu wären lediglich

2,5 MW/0,25MW/sWEA

• 10 sWEA

notwendig.

Walzstahl

Für die Weiterverarbeitung wird ein ähnlicher Energieaufwand

angenommen, der mit elektrischer Energie

bisher schwierig umsetzbar erscheint, jedoch hier erfasst

wird:

12 sWEA

Stahlerzeugnisse

Zum Pumpspeicherkraftwerk

Angenommene Kennwerte Pumpspeicherkraftwerk

In Pumpspeicherkraftwerken kann aufgewendete Energie

weder vollständig in Bevorratung, noch in Nutzen

umgesetzt werden.

Wasser wird in ein höher gelegenes Becken gepumpt.

Die Pumpen werden von Elektromotoren angetrieben.

Bei Bedarf von Energie wird das Wasser wieder aus

dem Becken ausfließen gelassen und dem fließenden

Fußnoten:

Beratung für Entwicklung

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1 siehe FH-Koblenz/Maschinenbau: Prof. Dr.–Ing. Lenck: Skript Strömungslehre/Formelsammlung/Winräder/

1997

2 Nordex AG, Norderstedt, Windenergieanlage:

N90 2500 (2,5 MW)

3 Otto Junker GmbH, Simmerath, www.otto-junker-group.com

Seite! 8! von!8

Der Bedarf an Leistung für die Herstellung von Stahlerzeugnissen

ist aus dem Verbrauch von Energie der Stahl

erzeugenden Industrie abgeschätzt.

• 6 sWEA

… der Bedarf ist

! für_Energie_aus_dem_Wind

Mit 28 sWEA, 250 kW kontinuierlicher, elektrischer

Leistung, erzeugt aus dem Zusammenspiel

zwischen 28 Windenergieanlagen und einem

Wasserspeicherkraftwerk,

(50 m, Höhenunterschied, 150000 m 3 Wasser Fassungsvermögen.

1/10 des Speicherkraftwerks in Herdecke – das

stellt 150MW elektr. Leistung für 4 Stunden bereit)

kann in 7 Tagen der Stahl für eine Windenergieanlage,

sogar bei Wiederverwertung von Material

hergestellt werden.

Aus 20 Jahren Lebensdauer “einer“ Anlage würden

1000 “Nachwachsen“, die mindestens 250

MW Leistung bereitstellen können, …

Sonntag, 23. Mai 2010 Text: Holger Neulen

…nachhaltig!

Wasser Energie entnommen. Bezieht man den Wirkungsgrad

auf die von der WEA abgegebene Leistung

zum Betrieb eines Motors (0,9), der wiederum eine

Pumpe (0,75) antreibt und beachtet beim Erzeugen der

Elektrizität, dass die Wasserturbine (0,9) Verluste hat,

wie auch der Generator (0,9) beim Erzeugen des Stromes

– erreicht das Pumpspeicherkraftwerk einen Wirkungsgrad

von etwa 0,55 (0,9 * 0,75 * 0,9 * 0,9) bezüglich

der bereitgestellten Vorratsleistung aus der Windenergieanlage.

copyright © Holger Neulen, Mai 2010

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