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Warum Windkraft? Vorteile von Hybridanlagen

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Kleinwindkraftanlagen – Energie bekommt Flügel

Windangetriebene Selbstversorgung

Kleinwindkraftanlagen erzeugen Energie um einzelne Häuser und Geräte zu versorgen. Mit dem wachsenden Bewusstsein für Strom- und Energieerzeugung aus erneuerbaren Energien, erfreuen sich Windkraftanlagen immer größerer Beliebtheit. Ob Privat, in der Landwirtschaft oder im gewerblichen Bereich, durch die geringe Größe und den einfachen Aufbau ist die Energiegewinnung durch Windkraft zukunftsweisend.

Zu unseren Windkraftanlagen

3 Anlage-Typen und ihre Nutzung

  • Anlagen zur Netzeinspeisung nach EEG (Erneuerbares Energie Gesetz)

    Bei dieser Form der Windenergienutzung kommt es darauf an, einen möglichst hohen Ertrag zu erzielen, da der produzierte Strom direkt in das öffentliche Netz eingeleitet wird. Der An-lagebetreiber ist somit selbstständiger Unternehmer und mit dem örtlichen Energieunter-nehmen vertraglich verbunden.

  • Anlagen zur Hausnetzeinspeisung (Selbstverbrauch)

    Der von der Windkraftanlage erzeugte Strom fließt direkt in das eigene Hausnetz. Dieser wird dann vorrangig verbraucht und nur der Mehrbedarf wird vom Energieversorger eingekauft. Hier kommen meist kleine Windkraftanlagen zum Einsatz, die speziell für Wohngebiete und den privaten Gebrauch geeignet sind.

  • Anlagen zur autarken Versorgung (Inselanlagen)

    Diese Anlagen werden gern genutzt in Gebieten in denen es keinen Feststromanschluss gibt oder als Backup-Systeme, z.B. um bei einem Stromausfall die Versorgung sicherzustellen.

Wie funktioniert eine Windkraftanlage?

Gerade als Neueinsteiger wird man im ersten Moment fast erschlagen von Informationen und Fach-wissen. Getriebe, Rotor, Generator, Übersetzung… ganz schön viel auf einmal? Doch das ist kein Problem! Im Folgenden erklären wir Ihnen die grundlegende Funktionsweisen:

Kleinwindkraftanlagen mit Getriebe

Der Wind setzt den Rotor der Windkraftanlage in Bewegung. Durch die Drehung der Flügel entsteht mechanische Energie, die auf einen Generator übertragen wird. Dieser Generator wandelt die mechanische Energie in elektrische Energie um. Je nach Generatorbauart ist zwischen Rotor und Generator ein Getriebe geschaltet. Durch die Veränderung der Windgeschwindigkeit, ändert sich die Drehzahl der Windkraftanlage und die Stromfrequenz am Generator. Dieser Strom wäre so nicht nutzbar. Doch durch einen nachgeschalteten Frequenzumrichter wird der ungleichmäßige Wechselstrom, erst in Gleichstrom und dann in netzverträglichen Wechselstrom umgewandelt. Der Vorteil ist, dass bei langsameren Drehzahlen durch Übersetzung und Getriebe eine hohe Spannung ermöglicht wird. Nachteilhaft ist der hohe Wartungsaufwand und somit ein kostenintensiverer Unterhalt der Windanlage.

Kleinwindkraftanlagen ohne Getriebe

Auch hier setzt der Wind den Rotor der Windkraftanlage in Bewegung. Die Energie wird direkt als Bewegungsenergie mittels Magneten in Strom umgewandelt und abgeführt. Diese Generatoren gibt es als Innen- und Außenläufer, je nach Anordnung der Magnete. Einfach aufgebaut und ohne großen Wartungsaufwand, ist diese Form der Windkraftanlage im Vorteil. Hinzu kommen eine hohe Drehzahl und hohe Effizienz, trotz kleiner Bauform.

Leistung einer Windkraftanlage

Die sogenannte Nennleistung gibt eine Windkraftanlage bei der Nenngeschwindigkeit ab, die meist zwischen 12 und 16 m/s liegt (Windstärke 6 bis 7 Bft.). Kleinwindkraftanlagen für den Hausgebrauch liegen oft zwischen 300W und 1500W Nennleistung. Doch die Dauerleistung ist entscheidend! Die wird in der Regel mit ca. 22-25 % der Nennleistung erreicht. Unterschiedliche Standorte und unterschiedliche Faktoren bei der Aufstellung, haben auch unter-schiedliche Wirkungen auf den Ertrag einer Windkraftanlage. Wichtig hierbei ist die Anlaufgeschwin-digkeit! Nur weil die Anlage beginnt sich zu drehen, bedeutet das nicht dass Strom produziert wird. Erst bei der Einschaltgeschwindigkeit wird Strom umgesetzt. Viele Windkraftanlagen haben einen magnetischen Haltemoment, vergleichbar mit einem Fahrraddynamo, einen Anlaufwiderstand. Ist der Wind stark genug, kann der Haltemoment überwunden werden und die Anlage läuft an. Es gibt einige Kleinwindkraftanlagen, die diesen Haltemoment nicht besitzen und dadurch klar im Vorteil sind. Also ist es sehr wichtig bei der Produktauswahl schon darauf zu achten, eine Windkraftanlage zu wählen die bei möglichst wenig Wind anläuft. Es gibt viele Tage im Jahr an denen der Wind nicht optimal weht. Umso besser ist es eine Kleinwindkraftanlage zu besitzen, die zumindest etwas Strom produziert statt still zu stehen.

Überlegungen zur Anschaffung einer Kleinwindkraftanlage

Zu erst sollten Sie überlegen wozu die Windkraftanlage dienen soll. Zur Hausnetzeinspeisung oder doch als Inselanlage? Sobald Sie sich entschieden haben, sollten Sie den vorgesehenen Standort prüfen. Ist die Hauptwindrichtung frei von Hindernissen die Verwirbelungen verursachen können? Der Generator sollte groß genug sein um die Windenergie optimal ausnutzen zu können. Sie sollten sich außerdem darüber informieren, wie die durchschnittliche Jahreswindgeschwindigkeit vor Ort ist. Im Internet sollten Sie schnell Hilfe finden. Beim Deutschen Wetterdienst gibt es Windkarten für die jeweilige Region. Desweiteren sollten Sie feststellen, ob der Generator gefahrlos zu Wartungsarbeiten wieder abgebaut bzw. erreicht werden kann.Und zu guter Letzt: Brauchen Sie eine Genehmigung für den Aufbau einer Kleinwindkraftanlage von Nachbarn oder einer Baubehörde? Meist werden vom Bauamt folgende Unterlagen verlangt bzw. folgende Faktoren berücksichtigt:
  • Statisches Gutachten
  • Lärm/Geräuschpegel
  • Vereisung/Eisabwurf
  • Schattenwurf/Lichtreflexe
  • Nähe der Nachbarn
  • Landschaftsgestaltung
Natürlich ist das alles von Region zu Region unterschiedlich, da es keine einheitlichen Regelungen für den Aufbau einer Kleinwindkraftanlage gibt.

Warum Windenergie nutzen?

Ist die Kleinwindkraftanlage ausgesucht, aufgebaut und steht sicher im Wind, steht der „Windernte“ nichts mehr im Weg. Da aber die Windkraftanlagen oft zu klein sind um sich vom Energieversorger unabhängig zu machen, dienen sie als gute Unterstützung des eigenen Energiebedarfs. Dabei sind sie nicht nur positiv für die Umwelt, sondern erfreuen auch Ihren Geldbeutel. Es hilft schon 10-20 % der Energie selbst zu erzeugen und das ohne großen Aufwand. Wenn allein nur die Dauerverbraucher abgedeckt werden können (Netzgeräte, PC, Telefonanlagen, selbst Klingeltrafo und Heizungspumpen), werden Sie eine deutliche Entlastung spüren. Und denken Sie auch an die Umwelt! Ein Kilowatt selbst erzeugter Strom erspart ca. 560 g CO².

Vorteile einer Kleinwindkraftanlage:

  • Wind ist kostenlos!
  • Kleinwindkraftanlagen tragen zum Ausbau erneuerbarer Energien bei
  • CO²-freier Strom
  • Teilweise Unabhängigkeit von Stromanbietern

Herausforderungen beim Betrieb einer Kleinwindkraftanlage:

  • der Energieerlös ist standortabhängig
  • Kleinwindkraftanlagen können nicht überall genutzt bzw. aufgestellt werden
  • es keine einheitlichen Regelungen für die Genehmigung einer Kleinwindkraftanlage

Horizontale Kleinwindkraftanlage

Mit einer horizontalen Achse arbeitet sie wie ein Propeller. Diese Windkraftanlage besteht aus einem Rotor und Generator, dem Rahmen, der Azimutlagerung und einer Windfahne. Ein typisches Merkmal ist die Langlebigkeit dieser Anlagen. Sie laufen schon bei Windgeschwindigkeiten von 3 m/s. Mit einem niedrigen Geräuschpegel arbeiten sie effizienter als vertikale Windkraftanlagen, doch müssen sie der Windrichtung nachgeführt werden (Windfahne). Man unterscheidet hier aber in Luv- und Leeläufer:

Luvläufer

Luvläufer sind so ausgelegt, dass der Rotor in Windrichtung vor dem Mast ist. Dadurch ist es nicht immer auszuschließen, dass die Rotorblätter gegen den Mast der Windkraftanlage gedrückt werden. Außerdem muss der Luvläufer mittels einer Windfahne dem Wind nachgeführt werden, da er sich nicht von selbst in Windrichtung stellt. Der Wind trifft frontal auf die Windkraftanlage, wodurch der Mast nicht im Weg steht. Dieser muss jedoch sehr starr sein und viel Abstand zum Rotor haben.

Leeläufer

Leeläufer sind gegenüber Luvläufern so konstruiert, dass sich der Rotor in Windrichtung hinter dem Mast der Windkraftanlage befindet. So können die Rotorblätter bei starkem Wind nicht gegen den Mast gedrücket werden. Der Leeläufer stellt sich selbstständig in Windrichtung. Ein Nachteil des Leeläufers ist der vom Mast verursachte Windschatten, durch ihn entstehen Leistungseinbuße und periodische Schwankungen des Antriebsmoments. Da der Wind von hinten auf die Windkraftanlage trifft, braucht der Rotor nicht viel Abstand zum Mast.

Vertikale Kleinwindkraftanlagen

Eine vertikale Windkraftanlage ist unabhängig von der Windrichtung und muss nicht dem Wind nachgeführt werden. Sie erzeugen auch bei schwachem Wind Energie und müssen bei starkem Wind nicht abgeschaltet werden, deshalb sind sie gut geeignet für Gegenden mit turbulenten Windströmungen. Unter Umständen kann der Wirkungsgrad gering sein, da sie bisher weniger Windausbeute als horizontale Windkraftanlagen erreichen. Auch die Wartung ist relativ aufwendig, doch vertikale Windkraftanlagen können in allen Größen hergestellt werden und haben einen sehr niedrigen Geräuschpegel. Auch hier gibt es Unterschiede in der Art der Rotoren:

Savonius-Rotor

Der Savonius-Rotor ist ein sogenannter Widerstandsläufer, da die Rotorfläche dem Wind einen Widerstand bietet und weggedrückt wird. Er bewegt sich langsam, das heißt maximal so schnell wie die vorherrschende Windgeschwindigkeit. Diese Form der Kleinwindkraftanlage hat also den niedrigsten Wirkungsgrad und somit niedrige Stromerträge. Dafür läuft der Savonius-Rotor schon bei geringem Wind an.

Darrieus-Rotor

Der Darrieus-Rotor ist ein sogenannter Auftriebsläufer, bei dem die Angriffsfläche des Rotors nicht komplett senkrecht zum Wind steht. Bei diesem Rotor erzeugt der Wind einen Auftrieb wie es bei den Tragflügeln eines Flugzeugs der Fall ist. Als Schnellläufer ist er schneller als die vorherrschende Windgeschwindigkeit und sehr gut für hohe Windgeschwindigkeiten geeignet
Unsere vertikalen Klein- und Windkraftanlagen sind so konstruiert, dass sie die Stärken dieser beiden Rotor-Typen vereinen. Eine Kombination aus Savonius- und Darrieus-Rotoren.

Zu guter Letzt

Windenergie ist ebenso wie Sonnenenergie abhängig von den Jahreszeiten. Die höchste Energieausbeute haben Kleinwindkraftanlagen im Winterhalbjahr, für Sonnenenergie bringen die Sommermonate die höchsten Erträge.

Eine Kombination von Kleinwindkraftanlage und Solaranlage bietet daher die beste Wahl für die Selbstversorgung mit CO²-freier Energie.

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Vorteile erneuerbarer Energie in Form von Kleinwindkraftanlagen und Photovoltaik im autarken Inselsystem

Erneuerbare Energien spielen eine entscheidende Rolle im globalen Übergang zu einer nachhaltigeren Energiezukunft. Besonders in ländlichen und abgelegenen Gebieten sowie für private Haushalte gewinnen autonome Energiesysteme immer mehr an Bedeutung. Hierbei zeichnen sich Kleinwindkraftanlagen und Photovoltaikanlagen als sinnvolle Lösungen aus, um die Abhängigkeit von zentralen Energieversorgern zu verringern und die Umwelt zu schonen. Ein autarkes Inselsystem, das aus einer Kombination dieser Technologien besteht, bietet zahlreiche Vorteile, die sowohl ökologische als auch ökonomische Aspekte umfassen.

1. Nachhaltigkeit und Umweltschutz

Ein klarer Vorteil von Kleinwindkraftanlagen und Photovoltaikanlagen liegt in der Nutzung erneuerbarer Energien. Diese Technologien produzieren Strom aus natürlichen, unerschöpflichen Quellen: Wind und Sonne. Im Vergleich zu fossilen Brennstoffen, die Treibhausgase emittieren und die Umwelt belasten, sind sie nahezu CO₂-neutral. Dies trägt erheblich zur Reduzierung der globalen Erwärmung und zur Verringerung der Luftverschmutzung bei. In einem autarken Inselsystem entfallen Emissionen, die mit der Stromproduktion durch fossile Brennstoffe verbunden sind, vollständig, wodurch es einen bedeutenden Beitrag zum Klimaschutz leistet.

2. Unabhängigkeit von externen Energiequellen

Ein autarkes Inselsystem ermöglicht es, die gesamte benötigte Energie selbst zu erzeugen, ohne auf das öffentliche Stromnetz angewiesen zu sein. Diese Unabhängigkeit von großen Energieversorgern bietet sowohl in ländlichen als auch in städtischen Gebieten eine erhebliche Resilienz gegenüber Stromausfällen oder Energiepreisschwankungen. Insbesondere in abgelegenen Regionen, in denen der Ausbau der Infrastruktur für die Stromversorgung teuer oder technisch schwierig ist, stellt ein solches System eine zuverlässige und praktische Lösung dar.

Kleinwindkraftanlagen können in Gebieten mit regelmäßigem Windaufkommen eine konstante Stromquelle bieten, während Photovoltaikanlagen in sonnigen Regionen besonders effektiv sind. In Kombination bieten beide Technologien eine hohe Versorgungssicherheit, da sie sich in ihrer Produktion ergänzen. Während die Sonne tagsüber intensiv scheint, kann der Wind auch nachts oder bei bewölktem Himmel Energie liefern, wodurch die Abhängigkeit von einem einzelnen Energiequellenfaktor verringert wird.

3. Kostenersparnis und Wirtschaftlichkeit

Obwohl die anfänglichen Investitionskosten für die Installation von Kleinwindkraftanlagen und Photovoltaikanlagen relativ hoch sind, amortisieren sich diese Ausgaben in der Regel innerhalb weniger Jahre. Dies gilt insbesondere dann, wenn der erzeugte Strom für den Eigenbedarf genutzt wird, anstatt Strom vom Netz zu beziehen, dessen Preise durch politische und wirtschaftliche Entwicklungen schwanken können.

Langfristig sind die Betriebskosten eines solchen Systems gering, da die Hauptkomponenten – Windturbinen und Solarmodule – relativ wartungsarm sind und keine Brennstoffe benötigt werden. Darüber hinaus gibt es in vielen Ländern staatliche Förderprogramme und steuerliche Anreize, die die Anschaffung von Kleinwindkraftanlagen und Photovoltaikanlagen attraktiver machen und die Amortisationszeit verkürzen.

4. Flexibilität und Skalierbarkeit

Ein autarkes Inselsystem aus Kleinwindkraftanlagen und Photovoltaik bietet eine hohe Flexibilität. Die Systemgröße kann an den jeweiligen Bedarf angepasst werden, sodass es sowohl für kleine Haushalte als auch für größere Anwendungen wie landwirtschaftliche Betriebe oder kleine Industriebetriebe geeignet ist. Mit der Zeit können weitere Windräder oder Solarmodule hinzugefügt werden, um die Kapazität zu erhöhen, falls der Energiebedarf steigt.

Darüber hinaus ist ein solches System besonders geeignet für die Nutzung in abgelegenen Gebieten, in denen eine Anbindung an das zentrale Stromnetz entweder wirtschaftlich oder technisch nicht möglich ist. Hier können Photovoltaik und Windkraft als alleinige Energiequelle dienen, ohne dass die Notwendigkeit für teure Netzanschlüsse besteht.

5. Energiespeicherung und Netzstabilität

Ein weiterer wichtiger Vorteil eines autarken Inselsystems ist die Möglichkeit der Speicherung überschüssiger Energie. Solar- und Windenergie sind nicht immer kontinuierlich verfügbar, was bedeutet, dass Stromspeicher (wie Batterien) eine wesentliche Rolle spielen, um bei Bedarf auf gespeicherte Energie zurückzugreifen. Mit modernen Speichertechnologien kann die erzeugte Energie so gespeichert werden, dass sie auch in Zeiten geringer Energieproduktion zur Verfügung steht.

Dies ermöglicht es, das System zu stabilisieren und einen kontinuierlichen Energiefluss zu gewährleisten. In Kombination mit einem intelligenten Energiemanagementsystem kann die Nutzung des gespeicherten Stroms optimiert und eine Überlastung des Systems vermieden werden.

6. Förderung lokaler Wertschöpfung und Arbeitsplätze

Der Einsatz von Kleinwindkraftanlagen und Photovoltaik fördert auch die lokale Wirtschaft. Durch die Installation und Wartung solcher Systeme werden Arbeitsplätze geschaffen, insbesondere in ländlichen oder
strukturschwachen Regionen. Zudem kann der Kauf von Komponenten und die Inanspruchnahme lokaler Handwerksbetriebe zur Wertschöpfung beitragen und die regionale Wirtschaft stärken.

7. Resilienz gegenüber Energiekrisen

Das autarke Inselsystem ist eine wichtige Maßnahme zur Steigerung der Energiesicherheit. In Zeiten globaler Energiekrisen oder bei Naturkatastrophen, die die Energieinfrastruktur beeinträchtigen könnten,bleibt ein autarkes System funktionsfähig. Dies ist besonders wichtig für abgelegene Gemeinden oder Inseln, die andernfalls ohne Stromversorgung dastehen könnten. Das System sorgt für eine größere Unabhängigkeit und verringert die Verwundbarkeit gegenüber externen Energieversorgungsengpässen.

Fazit

Ein autarkes Inselsystem, das Kleinwindkraftanlagen und Photovoltaik kombiniert, bietet eine zukunftsfähige Lösung für die Energieversorgung. Es ermöglicht nicht nur die Reduzierung der Abhängigkeit von externen Energiequellen, sondern trägt auch zur Förderung der Nachhaltigkeit und zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen bei. Die Vorteile reichen von ökologischen Aspekten wie Umweltschutz und Klimafreundlichkeit bis hin zu ökonomischen Vorteilen wie Kostensenkungen und Wertschöpfung durch lokale Arbeitsplätze. Darüber hinaus stärkt es die Energiesicherheit und Resilienz, was besonders in Krisenzeiten von entscheidender Bedeutung ist. Ein solches System stellt eine Schlüsseltechnologie für eine
nachhaltige und unabhängige Energiezukunft dar.

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