Windenergie, auch Windkraft genannt, ist die Möglichkeit, Wind zu nutzen und ihn in Elektrizität umzuwandeln. Der durchschnittliche Windwirkungsgrad von Turbinen liegt zwischen 35 und 45 %.
Erzeugung von Windkraft
Wind wird in der Erdatmosphäre aufgrund unterschiedlicher Erdtemperaturen lokal oder auf regionaler und globaler Ebene erzeugt. Wenn sich die Wärme erwärmt, steigt sie auf und hinterlässt einen Ort mit niedrigem Luftdruck. Luft aus kühleren Regionen mit höherem Luftdruck strömt ein, um den Luftdruck auszugleichen.
Windmühlen und Turbinen nutzen die kinetische Energie oder „Bewegungsenergie“, die Luft oder Wind von einem Ort zum anderen bewegt und in Elektrizität umwandelt. Windkraftanlagen werden an windreichen Orten errichtet, damit der Wind die Rotorblätter bewegen kann. Diese Rotorblätter drehen einen Motor, und Zahnräder erhöhen die Drehung so weit, dass Strom erzeugt wird. Verschiedene Turbinenkonstruktionen eignen sich für unterschiedliche Bedingungen.
Windeffizienz und Windkapazitätsfaktor
Windeffizienz ist nicht dasselbe wie der Windkapazitätsfaktor, der diskutiert wird, wenn man an Energieeffizienz denkt. Wind Watch erklärt den Unterschied zwischen den beiden Phänomenen.
Windeffizienz und ihre Grenzen
Windeffizienz ist die Menge an kinetischer Energie im Wind, die in mechanische Energie und Elektrizität umgewandelt wird. Die von Betz Limit beschriebenen Gesetze der Physik besagen, dass die maximale theoretische Grenze 59,6 % beträgt. Der Wind benötigt die restliche Energie, um an den Rotorblättern vorbeizublasen. Das ist tatsächlich gut. Wenn eine Turbine 100 % der Energie einfangen würde, würde der Wind aufhören zu wehen und die Rotorblätter einer Turbine könnten sich nicht drehen, um Strom zu erzeugen.
Es ist jedoch derzeit keiner Maschine möglich, die gesamten eingeschlossenen 59,6 % der kinetischen Energie von Wind in Strom umzuwandeln. Aufgrund der Art und Weise, wie Generatoren hergestellt und konstruiert werden, gibt es Grenzen, die die Menge an Energie, die letztendlich in Strom umgewandelt wird, weiter verringern. Der Durchschnitt liegt derzeit, wie oben erwähnt, bei 35-45 %. Das Maximum bei Spitzenleistung könnte laut Wind Watch 50 % erreichen. Ein Dokument der australischen Regierung (NSW) stimmt auch darin überein, dass 50 % der maximal erreichbare Windwirkungsgrad ist (S. 3).
Die Energieeffizienz variiert nicht so stark wie der Windkapazitätsfaktor, der in hohem Maße vom Standort und den Wetterbedingungen abhängt.
Windkapazitätsfaktor
Der Windkapazitätsfaktor ist laut Green Tech Media die von einem Generator erzeugte Energiemenge im Vergleich zu dem, was er produzieren könnte, wenn er die ganze Zeit über mit maximaler Kapazität laufen würde. Der Windkapazitätsfaktor variiert tendenziell von Ort zu Ort und zu verschiedenen Jahreszeiten, selbst bei gleichen Turbinen, da er von der Geschwindigkeit des Windes, seiner Dichte und der überstrichenen Fläche abhängt, die von der Größe des Generators abhängt, was auf Open EI hindeutet. Der Windkapazitätsfaktor kann optimiert werden, indem Orte ausgewählt werden, an denen das ganze Jahr oder einen Großteil des Jahres ideale Windbedingungen vorherrschen. Daher ist es wichtig, den Windkapazitätsfaktor und die ihn beeinflussenden Bedingungen zu berücksichtigen, um die Leistungsabgabe zu maximieren.
- Windgeschwindigkeitunter 30 Meilen pro Stunde erzeugt laut Wind Watch wenig Energie. Selbst kleine Geschwindigkeitssteigerungen können laut Open EI zu einer erheblichen Steigerung der erzeugten Leistung führen. Die erzeugte Elektrizität ist der Würfel der Windgeschwindigkeit, erklärt Wind EIS.
- Die Luftdichte ist in kühleren Regionen und auf Meereshöhe höher als in Bergen. Die idealen Orte mit hoher Winddichte sind laut Open EI also Meere mit kälteren Temperaturen. Dies ist ein Grund für den massiven Ausbau der Offshore-Windenergieerzeugung.
- Größere und höhere Turbinen können höher über dem Boden und durch die größere Spannweite ihrer Rotorblätter mehr Wind nutzen. Daher kommt es hier vor allem auf wirtschaftliche Überlegungen an.
Der Kapazitätsfaktor wird durch verbesserte Technologie ständig erhöht. Laut Green Tech Media erreichten im Jahr 2014 gebaute Windkraftanlagen einen Kapazitätsfaktor von 41,2 %, verglichen mit 31,2 % bei zwischen 2004 und 2011 gebauten Windkraftanlagen. Der Kapazitätsfaktor von Wind wird jedoch nicht nur von der Technologie, sondern auch von der Windverfügbarkeit selbst beeinflusst. Daher lag der Kapazitätsfaktor der Turbinen im Jahr 2015 aufgrund der „Winddürre“unter dem Durchschnitt der Vorjahre, erklärt Green Tech Media.
Vergleich mit anderen Stromquellen
Die Energieeffizienz von Wind ist besser als die Energieeffizienz von Kohle. Nur 29–37 % der Energie in Kohle werden in Elektrizität umgewandelt und Gas hat fast die gleiche Effizienz wie Wind, da 32–50 % der Energie in Gas in Elektrizität umgewandelt werden kann.
Nach Angaben der U. S. Energy Information Administration (EIA) schnitten fossile Brennstoffe in den USA im Jahr 2016 jedoch hinsichtlich der Kapazitätsfaktoren besser ab als Windkraft.
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Erneuerbare vs. Fabriken Kohlekraftwerke in den USA waren zu 52,7 % ausgelastet.
- Der Kapazitätsfaktor für Gasanlagen lag in den USA bei 56 %.
- Kernkraft hatte laut EIA-Zahlen für nichtfossile Brennstoffe einen Kapazitätsfaktor von 92,5 %.
- Der Kapazitätsfaktor der Wasserkraft betrug 38 %.
- Der Kapazitätsfaktor der Windkraft betrug 34,7 %.
Beim Vergleich der Leistungsabgabe verschiedener Energiequellen ist es besser, nicht nur den Kapazitätsfaktor, sondern auch deren Energieeffizienz zu berücksichtigen. Dies macht die Steigerung der Stromerzeugung aus Wind wettbewerbsfähig und machbar im Vergleich zu fossilen Brennstoffen, die auch mit den von ihnen verursachten Umweltproblemen zu kämpfen haben.
Intermittenz beeinflusst die Windenergieproduktion
Windenergie leidet unter Schwankungen, da Wind nicht immer verfügbar ist und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten wehen kann, was bedeutet, dass die Stromerzeugung in konstantem Maße erfolgt. Energieunterbrechungen sind Phänomene, bei denen Energie aufgrund vieler Faktoren, die der Mensch nicht kontrollieren kann, nicht kontinuierlich verfügbar ist. Daher gibt es Schwankungen im Angebot.
Lösungen für Intermittenz
Da die Stromerzeugung durch Windkraftanlagen von Stunde zu Stunde oder sogar von Sekunde zu Sekunde schwankt, müssen Energieversorger über größere Energiereserven verfügen, um ein konstantes Niveau der Stromversorgung zu erreichen und aufrechtzuerh alten, erklärt der amerikanische Wissenschaftler. Intermittierend bedeutet nicht nur Defizite, sondern auch Phasen von Überschreitungen; Dies bietet dann auch eine mögliche Lösung. Der amerikanische Wissenschaftler erklärt, dass mit zunehmender Anzahl von Windenergiequellen lokale Unterschiede in den Wetter- und Windbedingungen Defizite und Überschüsse ausgleichen können.
Verbesserte Wettervorhersagen und Modellierung erleichtern auch die Berücksichtigung selbst kurzfristiger Änderungen der Windkraft. Ein Quellenmix ist auch notwendig, um tageszeitliche oder saisonale Unterschiede in der Windenergieerzeugung auszugleichen.
Unabhängig von Unterbrechungen haben laut Clean Technica weit verbreitete neue Windparks in den USA tatsächlich dazu beigetragen, die Stromversorgung zu stabilisieren, insbesondere während extremer Wetterbedingungen in Texas.
Kosten
Im Jahr 2017 gab The Independent bekannt, dass die Erzeugung von Energie aus Wind günstiger sei als die aus fossilen Brennstoffen. Die Produktion einer Megawattstunde (MWh) kostete im Jahr 2017 50 US-Dollar. Mit der Verbesserung der Technologie sinken die Kosten weiter, was sie attraktiver macht als herkömmliche umweltschädliche Energiequellen. Die USA hoffen, diese Bewegung durch staatliche Anreize voranzutreiben, um den Anteil der Windkraft zu erhöhen, die laut EIA im Jahr 2016 6 % ihres Stroms lieferte.
Wind EIS stellt fest, dass 80 % der Kosten Kapitalkosten für die Installation der Turbinen sind und 20 % für den Betrieb anfallen. Da jedoch keine Brennstoffkosten anfallen und die über den gesamten Lebenszyklus erzeugte Energie berücksichtigt wird, ist Windenergie wettbewerbsfähig.
Kohlenstofffreie Energie
Windenergie ist eine der effizienteren Alternativen zur Energie aus fossilen Brennstoffen. Es wird prognostiziert, dass bis 2050 139 Länder, die derzeit 99 % der Weltenergie verbrauchen, 100 % erneuerbare Energien nutzen könnten. Laut einem Bericht des Weltforums 2017 könnten Wind- und Solarenergie zusammen bis zu 97 % dieser Energie liefern. Dies kann dazu beitragen, den Anstieg der globalen Erwärmung auf unter 1,5 °C einzudämmen. Ganz gleich, ob es sich um einen Windpark auf einem Hügel oder entlang einer Küste handelt, die Windturbinentechnologie bietet eine weitaus effizientere Möglichkeit, nutzbaren Strom zu erzeugen als nicht erneuerbare herkömmliche Quellen.
