Windkraft in Österreich - Entscheidungskatalog für die Planung und Errichtung von Windenergieanlagen E-Book
Andreas Richter Dipl. Ing. (FH)
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- Herausgeber: GRIN Verlag
- Sprache: Deutsch
Diplomarbeit aus dem Jahr 2002 im Fachbereich Umweltwissenschaften, Note: 3, FH Campus Wien (Technische Projekt und Prozessmanagement), Sprache: Deutsch, Abstract: Ziel der vorliegenden Arbeit ist, das Potential für Windenergieanlagen, zur Gewinnung elektrischer Energie, in Österreich abzuschätzen und standortspezifische Empfehlungen für geeignete Windenergieanlagen - Varianten zu entwickeln. Hierzu werden zunächst einige Grundlagen über die Entstehung und Auswirkung des Windes unter verschiedenen Bedingungen erläutert. Globale Windsysteme und deren Einfluss auf regionale Windsysteme, sowie die Beschaffenheit des Bewuchses und der Bebauung eines Gebietes sind ebenso von Bedeutung für die Auslegung einer WindEnergieAnlage (WEA), wie die Kenntnisse der Windverteilung in den bodennahen Luftschichten. Für die Auswahl eines Windenergie-Standortes sind spezielle Meßmethoden für eine effiziente Windmessung einzusetzen. Diese Messungen ermöglichen eine effiziente Abschätzung der zu erwartenden Energieerträge und sind daher für die Planung und Errichtung einer Windenergieanlage notwendig. Neben der theoretischen Berechnung der Energie aus dem Wind, werden noch allgemeine Aspekte zur Standortwahl dokumentiert, wobei der Schallschutz besonders betrachtet wird. Der Stand der Technik soll einen ausführlichen Überblick über die in Österreich zur Zeit installierten Windenergieanlagen geben und auf die aktuellen Anlagenkonzepte eingehen. In Ergänzung dazu, werden Windmessdaten automatischer Wetterstationen mit den anlagenspezifischen Winddaten der Windenergieanlagen verglichen und resultierend daraus potentielle Gebiete für die Windenergienutzung gesucht. Eine Betrachtung von drei typischen Anlagenkonzepten, soll zu einer Empfehlung für den Einsatz verschiedener Windanlagen führen. Eine Potentialabschätzung der Energieerträge und eine darauf basierende Investitionsrechnung soll einen Überblick über die wirtschaftlichen Aspekte der Windenergie-Nutzung geben.
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Veröffentlichungsjahr: 2002
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DIPLOMARBEIT
Windkraft in Österreich - Entscheidungskatalog für die
Planung und Errichtung von Windenergieanlagen
Technisches Projekt- und Prozessmanagement
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Danksagung
An dieser Stelle möchte ich mich bei Hrn. Dr. Heinz Schmidt, Studiengangsleiter, für die kompetente Unterstützung und für die analytische Aufbereitung der Diplomarbeits-vorgaben bedanken. Weiters gilt mein Dank Hrn. Prof. Dipl.Ing. Emil Kleinbichler und Hrn. Prof. Dipl.Ing. Johannes Dorfner für die Begutachtung dieser Arbeit.
Diese Arbeit widme ich meiner Gattin Silvia und meinem Sohn Raphael, ohne deren Unterstützung und Verständnis diese Arbeit nicht möglich gewesen wäre.
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Kurzzusammenfassung
Ziel der vorliegenden Arbeit ist, das Potential für Windenergieanlagen, zur Gewinnung elektrischer Energie, in Österreich abzuschätzen und standortspezifische Empfehlungen für geeignete Windenergieanlagen - Varianten zu entwickeln. Hierzu werden zunächst einige Grundlagen über die Entstehung und Auswirkung des Windes unter verschiedenen Bedingungen erläutert. Globale Windsysteme und deren Einfluss auf regionale Windsysteme, sowie die Beschaffenheit des Bewuchses und der Bebauung eines Gebietes sind ebenso von Bedeutung für die Auslegung einerWindEnergieAnlage(WEA), wie die Kenntnisse der Windverteilung in den bodennahen Luftschichten. Für die Auswahl eines Windenergie-Standortes sind spezielle Meßmethoden für eine effiziente Windmessung einzusetzen. Diese Messungen ermöglichen eine effiziente Abschätzung der zu erwartenden Energieerträge und sind daher für die Planung und Errichtung einer Windenergieanlage notwendig. Neben der theoretischen Berechnung der Energie aus dem Wind, werden noch allgemeine Aspekte zur Standortwahl dokumentiert, wobei der Schallschutz besonders betrachtet wird. Der Stand der Technik soll einen ausführlichen Überblick über die in Österreich zur Zeit installierten Windenergieanlagen geben und auf die aktuellen Anlagenkonzepte eingehen. In Ergänzung dazu, werden Windmessdaten automatischer Wetterstationen mit den anlagenspezifischen Winddaten der Windenergieanlagen verglichen und resultierend daraus potentielle Gebiete für die Windenergienutzung gesucht. Eine Betrachtung von drei typischen Anlagenkonzepten, soll zu einer Empfehlung für den Einsatz verschiedener Windanlagen führen. Eine Potentialabschätzung der Energieerträge und eine darauf basierende
Investitionsrechnung soll einen Überblick über die wirtschaftlichen Aspekte der Windenergie-Nutzung geben.
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Abstract
The aim of the following paper is to demonstrate possibilities of using wind energy in Austria in order to produce electric power and to locate profitable sites for such enterprises. For this reason, it was necessary to discuss first the general fundamentals of meteorology and the latest scientific findings and perceptions in this field. On the basis of it, possible variants for installations are discussed. The study of global wind systems and their influence on regional wind conditions, depend on the circumstances of a certain site. In addition, the vegetation and topographical features are of great importance for the decision where to plan a wind power plant. A fundamental knowledge of the distribution of the various winds and the air layers near the ground is compulsory. For an effective choice of a site, special methods of measuring should be applied, which allow to calculate the probable results of energy earnings. These are important factors for the realization of a profitable installation of wind power plants(WEA). Apart from the discussion of these factors and the display of theoretical calculation charts, some general aspects of the choice of proper sites are debated in this paper, including the discussion of the sound emission. A survey of the present state of technical knowledge should give an overview of the already existing wind power plants in Austria. It opens the view for concepts for future facilities. For this purpose, measurement data are compared with meteorological observation data, eventually resulting in the selection of potential sites. A discussion of the three different concepts for wind power plants leads to a recommendation of specific facilities for certain Austrian sites. The consideration of the potential of the power-output and based on this, the calculation of the capital investment, should give an overview of the economic aspects for the use of wind energy.
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1. Einleitung
Der elektrische Energieverbrauch in Österreich stieg innerhalb der letzten Jahre kontinuierlich. Eine Reduktion der Kohlendioxid-Emissionen um 13 % bis 2012, ist nach dem Kyoto -Protokoll, welches auch von Österreich ratifiziert wurde, notwendig. Nach dem Elektrizitäts- und Wirtschaftsorganisationsgesetz (ElWOG) ist Österreich verpflichtet, 4% des aktuellen Stromverbrauches, aus erneuerbaren Energieträgern zu gewinnen. Eine wichtige Rolle dabei, könnte die Gewinnung elektrischer Energie aus dem Wind sein. Abschätzungen des Windenergie-Potentials ergaben, dass bis zu 2% des Stromverbrauches hiermit abgedeckt werden könnten. Die Nutzung der Windenergie ist eine der kostengünstigen Formen der Energiegewinnung. Installationskosten pro kWh liegen in der Größenordnung jener von Wasserkraftwerken. Die Windkraftnutzung hat somit ein hohes wirtschaftliches und ökologisches Potential. Ziel der vorliegenden Arbeit ist, das Potential für Windenergieanlagen, zur Gewinnung elektrischer Energie, in Österreich abzuschätzen und standortspezifische Empfehlungen für geeignete Windenergieanlagen- Varianten zu entwickeln. Hierzu werden zunächst einige Grundlagen über die Entstehung und Auswirkung des Windes unter verschiedenen Bedingungen erläutert.
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2. Entstehung des Windes
2.1 Grundbegriffe
Wind ist bewegte Luft, fungiert als Transportmedium aller Lufteigenschaften und stellt somit eine besondere Form erneuerbarer Energie dar. Alle anderen meteorologischen Elemente sind nur besondere Lufteigenschaften. Der Wind besitzt vektoriellen Charakter und wird von zwei Kenngrößen bestimmt(1):
Windrichtung : gibt die Herkunftsrichtung der Luft an. Zur Bezeichnung werden die Anfangsbuchstaben der englischen Bezeichnungen der 4 Hauptwindrichtungen (N, E, S, W) verwendet. (1)
Windgeschwindigkeit : wird in m/s oder km/h gemessen, wobei auch eine Angabe in Knoten üblich ist. Die Zuordnung der Windgeschwindigkeit zur Windstärke erfolgt in Form einer Tabelle (Tab. 1). Eine übliche Angabe der Windstärke erfolgt auch in Beaufort.
Beauforttabelle
Tab. 1: Zuordnung der Windgeschwindigkeit zur Windstärke (4)
Zu den Eigenschaften des Windes gehört, dass er keine gleichmäßige, parallele Luftströmung dargestellt, sondern durch seitliche und vertikale Strömungskomponenten, Pulsationen und durch Wirbel geprägt ist. Diese Eigenschaften nennt man Turbulenzen (Abb. 1). Unregelmäßige Schwankungen (Böigkeit) entstehen durch diese Turbulenzen, wobei in Richtungs- und Geschwindigkeitsböigkeit unterschieden wird. (1)
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Abb. 1: Luftschichtungen bei hoher und niedriger therm. Turbulenz (1)
Die horizontale Komponente diese Luftströme wird als Wind bezeichnet, die vertikalen Luftströme nennt man Auf- oder Abwinde. Im Regelfall kommen die horizontalen Strömungen öfters vor als die vertikalen (1).
2.2 Wie entsteht Wind ?
Wind entsteht durch die Einwirkung der Sonne. Die Sonne gibt an die Erde gewaltige Mengen an Energie ab, in Zahlen ausgedrückt ist das pro Stunde eine Leistung von 100 000 000 000 000 kW. Von dieser Energiemenge werden ca. ein bis zwei Prozent in Windenergie umgesetzt.
Durch die Kugelform der Erde werden die Gebiete um 0 Grad geographischer Breite (Äquator) durch die Sonneneinstrahlung stärker erwärmt als der restliche Teil der Erde. Ein Infrarotbild (Abb. 2) der Erde zeigt die verschiedenen Temperaturen an der Oberfläche der Meere. Die heißen Gebiete sind in Rottönen dargestellt, die kühleren Zonen in Blautönen. Die Luft über den warmen Gebieten erwärmt sich und steigt bis in eine Höhe von 10 km auf. Anschließend breitete sie sich nach Norden und Süden aus.
Abb. 2: Temperaturverteilung auf der Erde (2)
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Durch die Drehbewegung der Erde wird die Luftbewegung abgelenkt (2). Verantwortlich dafür ist die sogenannte Corioliskraft (ablenkende Kraft der Erdrotation - letzten Endes eine Trägheitskraft), die alle Bewegungen (Abb. 3) - also auch den Wind rechtwinklig, zu ihren jeweiligen Bewegungsrichtungen ablenkt.
Auf der Nordhalbkugel wird die Luftströmung nach rechts, und auf der Südhalbkugel nach links abgelenkt (1). Die Corioliskraft ist auch verantwortlich für unterschiedliche Hauptwindrichtungen in verschiedenen geographischen Lagen:
Abb. 3: Globale Windsysteme (5)
Rossby - Zirkulation: entsteht zwischen 30. und 70. nördlichem Breitengrad- damit gelangt warme Luft zu den Polen und kalte Luft zum Äquator - wellenförmiger Verlauf (5) Hadley - Zirkulation: zwischen 30 Grad südlich und 30 Grad nördlicher Breite. Transportiert tropisch warme und feuchte Luftmassen. Nord-Ost und Süd-Ost Passatwinde entstehen durch den Einfluss der Erddrehung(Corioliskraft) (5)
Durch die lokalen Unterschiede der solaren Einstrahlung auf die Erde und durch die Verteilung von Kontinenten und Meeren ergibt sich ein weltweites System von unterschiedlichen Winden (u.a. Passat Winde). Diese Luftbewegungen spielen sich in großen Höhen ab (geostrophischer Wind - ab 1000m (2)) - eine Nutzung dieser Energie ist daher nicht möglich. Allerdings beeinflussen diese Atmosphärenbewegungen auch die Bewegung der Luftmassen in tieferen Lagen, wo eine Nutzung der Windenergie möglich ist.(3)
2.3 Lokale Wind Systeme
Mit zunehmender Nähe zum Boden werden die globalen Windsysteme von den Gegebenheiten an der Erdoberfläche beeinflusst. Die Grenze, ab der die lokalen Effekte überwiegen, wird planetarische Grenzschicht genannt (Abb. 4). Die Höhe der
Grenzschicht variiert je nach Ort, Zeit, Wetterlage, Topographie und Bodenrauhigkeit. (3)
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Abb. 4: Höhenabhängigkeit der Windgeschwindigkeit nach Kaltschmitt (3)
Einfluss der Bodenrauhigkeit
Je mehr Bewuchs ein Gebiet aufweist oder je dichter ein Gebiet bebaut ist, umso mehr wird der Wind gebremst - d. h. je größer die Rauhigkeit des Bodens ist, um so mehr wird die Windgeschwindigkeit beeinflusst(2). Eine Einteilung der Landschaft in vier verschiedene Rauhigkeitsklassen ermöglicht die Windverhältnisse zu bewerten (Tab. 2).
