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Hintergrund

Eine Windturbine ist eine Maschine, die die kinetische Energie des Windes in mechanische Rotationsenergie umwandelt, die dann zur Verrichtung von Arbeit genutzt wird. Bei fortschrittlicheren Modellen wird die Rotationsenergie mit Hilfe eines Generators in Elektrizität, die vielseitigste Form von Energie, umgewandelt.

Seit Tausenden von Jahren haben die Menschen Windmühlen benutzt, um Wasser zu pumpen oder Getreide zu mahlen. Jahrhundert wurden hohe, schlanke, mehrflügelige Windturbinen, die ganz aus Metall bestanden, in amerikanischen Häusern und auf Ranches eingesetzt, um Wasser in das Sanitärsystem des Hauses oder in die Tränke für das Vieh zu pumpen. Nach dem Ersten Weltkrieg wurde mit der Entwicklung von Windturbinen begonnen, die Strom erzeugen konnten. Marcellus Jacobs erfand 1927 einen Prototyp, der ein Radio und ein paar Lampen mit Strom versorgen konnte, aber sonst wenig. Als später die Nachfrage nach Elektrizität stieg, wurden die kleinen, unzureichenden Windturbinen von Jacobs nicht mehr verwendet.

Die erste große Windturbine, die in den Vereinigten Staaten gebaut wurde, wurde 1934 von Palmer Cosslett Putnam erdacht und 1941 fertiggestellt. Die Maschine war riesig. Der Turm war 36,6 Yards (33,5 Meter) hoch, und die beiden Flügel aus rostfreiem Stahl hatten einen Durchmesser von 58 Yards (53 Meter). Putnams Windturbine konnte 1.250 Kilowatt Strom erzeugen, genug, um den Bedarf einer Kleinstadt zu decken. Sie wurde jedoch 1945 wegen eines mechanischen Defekts aufgegeben.

Mit dem Ölembargo der 1970er Jahre begannen die Vereinigten Staaten erneut, die Möglichkeit der Erzeugung billigen Stroms aus Windturbinen zu prüfen. Im Jahr 1975 wurde der Prototyp Mod-O in Betrieb genommen. Dabei handelte es sich um eine 100-Kilowatt-Turbine mit zwei 19-Meter-Flügeln (21 Yards). Es folgten weitere Prototypen (Mod-OA, Mod-1, Mod-2 usw.), jeder größer und leistungsstärker als der vorherige. Derzeit strebt das Energieministerium der Vereinigten Staaten eine Leistung von über 3.200 Kilowatt pro Maschine an.

Es gibt viele verschiedene Modelle von Windturbinen, das auffälligste ist der vertikalachsige Darrieus, der die Form eines Schneebesen hat. Das von den kommerziellen Herstellern am meisten unterstützte Modell ist jedoch eine horizontal ausgerichtete Turbine mit einer Leistung von etwa 100 Kilowatt und drei Flügeln, die nicht länger als 30 Meter sind. Windturbinen mit drei Flügeln drehen sich gleichmäßiger und lassen sich leichter ausbalancieren als solche mit zwei Flügeln. Während größere Windturbinen mehr Energie erzeugen, sind die kleineren Modelle weniger anfällig für größere mechanische Ausfälle und daher wirtschaftlicher in der Wartung.

Überall in den Vereinigten Staaten sind Windparks entstanden, vor allem in Kalifornien. Bei Windparks handelt es sich um riesige Anordnungen von Windturbinen in Gebieten mit günstiger Windausbeute. Die große Anzahl miteinander verbundener Windturbinen ist notwendig, um genügend Strom für den Bedarf einer großen Bevölkerung zu erzeugen. Derzeit produzieren 17.000 Windturbinen in Windparks, die mehreren Windenergieunternehmen gehören, jährlich 3,7 Milliarden Kilowattstunden Strom, genug, um den Energiebedarf von 500.000 Haushalten zu decken.

Rohstoffe

Eine Windkraftanlage besteht aus drei grundlegenden Teilen: dem Turm, der Gondel und den Rotorblättern. Der Turm ist entweder ein Stahlgitterturm, ähnlich wie ein Strommast, oder ein Stahlrohrturm mit einer innenliegenden Leiter zur Gondel.

Der erste Schritt beim Bau einer Windkraftanlage ist das Aufstellen des Turms. Obwohl die Stahlteile des Turms in einer Fabrik hergestellt werden, werden sie in der Regel auf der Baustelle zusammengesetzt. Die Teile werden vor der Errichtung miteinander verschraubt, und der Turm wird bis zur Aufstellung horizontal gehalten. Ein Kran hebt den Turm in seine Position, alle Schrauben werden angezogen, und nach der Fertigstellung wird die Stabilität geprüft.
Als Nächstes wird die Gondel aus Fiberglas installiert. Ihr Innenleben – Hauptantriebswelle, Getriebe sowie Blattverstell- und Giersteuerung – wird in einem Werk zusammengebaut und auf einem Grundrahmen montiert. Die Gondel wird dann um die Ausrüstung herum verschraubt. Auf der Baustelle wird die Gondel auf den fertigen Turm gehoben und verschraubt.

Die meisten Türme haben keine Abspannseile, sondern sind aus Stahl gefertigt, der zum Schutz mit einer Zinklegierung beschichtet wurde, einige sind jedoch auch lackiert. Der Turm einer typischen Turbine amerikanischer Bauart ist ungefähr 80 Fuß hoch und wiegt etwa 19.000 Pfund.

Die Gondel ist eine starke, hohle Schale, die das Innenleben der Windturbine enthält. Die Gondel besteht in der Regel aus Glasfaser und enthält die Hauptantriebswelle und das Getriebe. Sie enthält auch die Blattverstellung, ein hydraulisches System, das den Winkel der Blätter steuert, sowie den Gierantrieb, der die Position der Turbine im Verhältnis zum Wind steuert. Der Generator und die elektronische Steuerung gehören zur Standardausrüstung, deren Hauptbestandteile Stahl und Kupfer sind. Eine typische Gondel für eine aktuelle Turbine wiegt etwa 22.000 Pfund.

Die vielfältigste Verwendung von Materialien und das meiste Experimentieren mit neuen Werkstoffen findet bei den Flügeln statt. Obwohl das vorherrschende Material für die Flügel in kommerziellen Windturbinen Glasfaser mit einem hohlen Kern ist, werden auch andere Materialien wie leichte Hölzer und Aluminium verwendet. Holzblätter sind massiv, aber die meisten Blätter bestehen aus einer Haut, die einen Kern umgibt, der entweder hohl oder mit einer leichten Substanz wie Kunststoffschaum, Bienenwaben oder Balsaholz gefüllt ist. Ein typisches Glasfaserblatt ist etwa 15 Meter lang und wiegt ungefähr 2.500 Pfund.

Zu Windkraftanlagen gehört auch eine Versorgungseinheit, die die Windenergie in Strom umwandelt und sich am Fuß des Turms befindet. Verschiedene Kabel verbinden den Versorgungskasten mit der Gondel, während andere die gesamte Turbine mit nahegelegenen Turbinen und mit einem Transformator verbinden.

Der Herstellungsprozess

Bevor der Bau einzelner Windturbinen in Betracht gezogen werden kann, müssen die Hersteller ein geeignetes Gebiet für die Errichtung von Windparks festlegen. Die Winde müssen beständig sein und ihre Geschwindigkeit muss regelmäßig über 15,5 Meilen pro Stunde (25 Kilometer pro Stunde) liegen. Wenn die Winde zu bestimmten Jahreszeiten stärker sind, sollten sie vorzugsweise zu Zeiten des höchsten Stromverbrauchs am stärksten sein. Im kalifornischen Altamont Pass beispielsweise, wo sich der größte Windpark der Welt befindet, erreicht die Windgeschwindigkeit im Sommer ihren Höhepunkt, wenn die Nachfrage hoch ist. In einigen Gebieten Neuenglands, in denen Windparks in Erwägung gezogen werden, sind die Winde im Winter am stärksten, wenn der Bedarf an

Die Gondel ist ein starkes, hohles Gehäuse, das das Innenleben der Windturbine enthält, wie die Hauptantriebswelle und das Getriebe. Sie enthält auch die Blattverstellung, ein hydraulisches System, das den Winkel der Blätter steuert, und den Gierantrieb, der die Position der Turbine im Verhältnis zum Wind steuert. Eine typische Gondel für eine aktuelle Turbine wiegt etwa 22.000 Pfund.

Die Erwärmung erhöht den Stromverbrauch. Windparks funktionieren am besten in offenen Gebieten mit leicht hügeligem Land, das von Bergen umgeben ist. Diese Gebiete werden bevorzugt, weil die Windturbinen auf Bergkämmen platziert werden können und nicht durch Bäume und Gebäude behindert werden, und weil die Berge den Luftstrom konzentrieren und so einen natürlichen Windkanal mit stärkeren, schnelleren Winden schaffen. Windparks müssen auch in der Nähe von Versorgungsleitungen liegen, um die Übertragung des Stroms an das örtliche Kraftwerk zu erleichtern.

Vorbereitung des Standorts

• 1 Überall dort, wo ein Windpark gebaut werden soll, werden die Straßen abgetragen, um Platz für den Transport von Teilen zu schaffen. An jedem Standort einer Windkraftanlage wird das Gelände geebnet und die Fläche für das Fundament geebnet. Dann wird ein Betonfundament in den Boden eingelassen, und anschließend werden die Erdkabel verlegt. Diese Kabel verbinden die Windturbinen untereinander in Reihe und verbinden alle mit der Fernsteuerungszentrale, von der aus der Windpark überwacht und der Strom an das Energieversorgungsunternehmen weitergeleitet wird.

Aufstellen des Turms

• 2 Obwohl die Stahlteile des Turms in einer Fabrik hergestellt werden, werden sie normalerweise vor Ort zusammengebaut. Die Teile werden vor dem Aufstellen miteinander verschraubt, und der Turm wird bis zum Aufstellen waagerecht gehalten. Ein Kran hebt den Turm in die richtige Position, alle Schrauben werden angezogen, und nach der Fertigstellung wird die Stabilität geprüft.

Gondel

• 3 Die Gondel aus Glasfaser wird wie der Turm in einer Fabrik hergestellt. Anders als der Turm wird sie jedoch ebenfalls in der Fabrik zusammengebaut. Ihr Innenleben – Hauptantriebswelle, Getriebe, Blattverstellung und Giersteuerung – wird zusammengebaut und dann auf einen Grundrahmen montiert. Die Gondel wird dann verschraubt
  

  Der Stromkasten für jede Windturbine und das elektrische Kommunikationssystem für den Windpark werden gleichzeitig mit der Platzierung der Gondel und der Blätter installiert. Die Kabel verlaufen von der Gondel zum Versorgungskasten und vom Versorgungskasten zur Fernsteuerungszentrale.

  um die Anlage herum. Auf der Baustelle wird die Gondel auf den fertigen Turm gehoben und verschraubt.

Rotierende Blätter

• 4 Aluminiumblätter werden durch Zusammenschrauben von Aluminiumblechen hergestellt, während Holzblätter zu einem aerodynamischen Propeller geschnitzt werden, dessen Querschnitt dem eines Flugzeugflügels ähnelt.
• 5 Die weitaus meisten Blätter werden jedoch aus Glasfasern hergestellt. Die Herstellung von Fiberglas ist ein aufwändiges Verfahren. Zunächst wird eine Form hergestellt, die wie eine Muschelschale in zwei Hälften geteilt ist, aber die Form eines Flügels hat. Anschließend wird eine Glasfaser-Harz-Mischung auf die Innenflächen der Form aufgetragen, die dann geschlossen wird. Die Glasfasermischung muss dann mehrere Stunden lang trocknen; währenddessen sorgt eine luftgefüllte Blase in der Form dafür, dass das Blatt seine Form behält. Nachdem das Glasfasergemisch getrocknet ist, wird die Form geöffnet und die Blase entfernt. Die endgültige Vorbereitung der Klinge umfasst das Reinigen, Schleifen, Versiegeln der beiden Hälften und Lackieren.
• 6 Die Flügel werden normalerweise an die Gondel geschraubt, nachdem diese auf den Turm gesetzt wurde. Da die Montage am Boden leichter zu bewerkstelligen ist, werden bei einem dreiteiligen Blatt gelegentlich zwei Blätter vor dem Aufsetzen auf die Gondel geschraubt und das dritte Blatt nach dem Aufsetzen der Gondel aufgeschraubt.

Installation der Steuersysteme

• 7 Der Versorgungskasten für jede Windturbine und das elektrische Kommunikationssystem für den Windpark werden gleichzeitig mit der Platzierung der Gondel und der Blätter installiert. Die Kabel verlaufen von der Gondel zum Versorgungskasten und vom Versorgungskasten zur Fernsteuerungszentrale.

Qualitätskontrolle

Im Gegensatz zu den meisten Herstellungsverfahren wird bei der Produktion von Windturbinen nur sehr wenig auf die Qualitätskontrolle geachtet. Da die Massenproduktion von Windturbinen relativ neu ist, gibt es noch keine Standards. Sowohl die Regierung als auch die Hersteller bemühen sich in diesem Bereich.

Obwohl man sich darauf verlassen kann, dass Windturbinen im Betrieb zu 90 Prozent funktionieren, gibt es immer noch viele Konstruktionsfehler, insbesondere bei den Flügeln. Risse treten manchmal schon kurz nach der Herstellung auf. Mechanische Ausfälle aufgrund von Ausrichtungs- und Montagefehlern sind keine Seltenheit. Elektrische Sensoren fallen häufig aufgrund von Stromstößen aus. Nichthydraulische Bremsen sind in der Regel zuverlässig, aber hydraulische Bremssysteme verursachen häufig Probleme. Es werden Pläne entwickelt, um diese Schwierigkeiten mit Hilfe der vorhandenen Technologie zu lösen.

Windkraftanlagen werden regelmäßig gewartet, um Ausfälle zu vermeiden. Alle drei Monate werden sie einer Inspektion unterzogen, und alle sechs Monate steht ein größerer Wartungs-Check an. Dabei werden normalerweise die beweglichen Teile geschmiert und der Ölstand im Getriebe überprüft. Es ist auch möglich, dass ein Arbeiter das elektrische System vor Ort testet und eventuelle Probleme mit dem Generator oder den Anschlüssen feststellt.

Vorteile und Nachteile für die Umwelt

Eine Windkraftanlage, die Strom aus unerschöpflichen Winden erzeugt, verursacht keine Umweltverschmutzung. Im Vergleich dazu erzeugen Kohle, Erdöl und Erdgas ein bis zwei Pfund Kohlendioxid (eine Emission, die zum Treibhauseffekt und zur globalen Erwärmung beiträgt) pro erzeugter Kilowattstunde. Wenn Windenergie für den Strombedarf genutzt wird, verringert sich die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen für diesen Zweck. Die derzeitige jährliche Stromerzeugung durch Windkraftanlagen (3,7 Milliarden Kilowattstunden) entspricht vier Millionen Barrel Öl oder einer Million Tonnen Kohle.

Windkraftanlagen sind nicht völlig frei von ökologischen Nachteilen. Viele Menschen halten sie für unästhetisch, vor allem, wenn riesige Windparks in der Nähe von unberührten Wildnisgebieten gebaut werden. Es wurde dokumentiert, dass Vögel getötet werden, und die surrenden Rotorblätter verursachen eine Menge Lärm. Zu den Bemühungen, diese Auswirkungen zu verringern, gehören die Auswahl von Standorten, die nicht mit Wildnisgebieten oder Vogelzugrouten zusammenfallen, und die Erforschung von Möglichkeiten zur Lärmreduzierung.

Die Zukunft

Die Zukunft kann für Windkraftanlagen nur noch besser werden. Das Potenzial für Windenergie ist noch weitgehend ungenutzt. Das Energieministerium der Vereinigten Staaten schätzt, dass bis 1995 das Zehnfache der gegenwärtig erzeugten Strommenge erreicht werden kann. Bis 2005 ist das Siebzigfache der derzeitigen Produktion möglich. Wenn dies erreicht wird, würden Windturbinen 10 Prozent der Stromerzeugung der Vereinigten Staaten ausmachen.

Derzeit wird geforscht, um das Wissen über die Windressourcen zu erweitern. Dabei werden immer mehr Gebiete auf die Möglichkeit geprüft, Windparks dort zu errichten, wo der Wind zuverlässig und stark ist. Man plant, die Lebensdauer der Anlagen von fünf auf 20 bis 30 Jahre zu erhöhen, den Wirkungsgrad der Rotorblätter zu verbessern, bessere Steuerungen vorzusehen, Antriebsstränge zu entwickeln, die länger halten, und einen besseren Überspannungsschutz und eine bessere Erdung zu ermöglichen. Das Energieministerium der Vereinigten Staaten hat kürzlich einen Zeitplan für die Umsetzung der neuesten Forschungsergebnisse aufgestellt, um Windturbinen mit einem höheren Wirkungsgrad als bisher zu bauen. (Der Wirkungsgrad einer idealen Windturbine beträgt 59,3 Prozent. Das bedeutet, dass 59,3 Prozent der Windenergie aufgefangen werden können. Die derzeit eingesetzten Turbinen haben einen Wirkungsgrad von etwa 30 %.) Das Energieministerium der Vereinigten Staaten hat außerdem drei Unternehmen mit der Erforschung von Möglichkeiten zur Verringerung mechanischer Ausfälle beauftragt. Dieses Projekt begann im Frühjahr 1992 und wird sich bis zum Ende des Jahrhunderts hinziehen.

Windturbinen werden sich in den kommenden Jahren immer mehr durchsetzen. Der größte Hersteller von Windturbinen in der Welt, U.S. Windpower, will bis 1995 von 420 Megawatt Kapazität (4.200 Maschinen) auf 800 Megawatt (8.000 Maschinen) expandieren. Bis zum Jahr 2000 sollen es 2.000 Megawatt (20.000 Anlagen) sein. Auch andere Hersteller von Windturbinen planen eine Erhöhung der Produktionszahlen. Internationale Ausschüsse, die sich aus mehreren Industrieländern zusammensetzen, haben sich gebildet, um das Potenzial von Windturbinen zu diskutieren. Es werden auch Anstrengungen unternommen, um Entwicklungsländer mit kleinen Windturbinen auszustatten, ähnlich denen, die Marcellus Jacobs in den 1920er Jahren gebaut hat. Dänemark, das bereits 70 bis 80 Prozent der Windenergie in Europa erzeugt, entwickelt Pläne zur Ausweitung der Herstellung von Windturbinen. Zur Jahrhundertwende sollen Windturbinen entstehen, die richtig platziert, effizient, langlebig und zahlreich sind.