Windturbinen für den Hausgebrauch

Windenergie wird von den Menschen schon seit langer Zeit in verschiedenen Formen genutzt. Sie ist eine saubere Energiequelle, die ein großes Potenzial für die Zukunft hat. Sehen Sie, wie Windturbinen Ihr Haus mit Strom versorgen können.

Das Interesse an der Windenergie ist weit verbreitet und ihre Befürworter wachsen seit Jahren.

Bereits um 5.000 v. Chr. nutzten die Menschen die Windenergie, um Boote auf Flüssen anzutreiben und Mühlen zum Mahlen von Getreide zu betreiben. In gewissem Sinne ist die Windenergie in kleinem Maßstab eine Rückbesinnung auf die Vergangenheit, wenn auch nicht unbedingt auf die Art und Weise, an die sich Urgroßvater erinnern würde. Aber wie nutzen wir die Windenergie heute? Gehen wir die Grundlagen durch, aber seien Sie auf eine solide Dosis an Informationen vorbereitet.

Was sind heimische Windturbinen (nicht die industriellen)?
Stellen Sie sich vor, eine der riesigen Turbinen an der Autobahn wäre verkleinert worden. Genau das ist eine Windturbine für den Hausgebrauch. Das sind kleine Turbinen, die Energie für einen einzelnen Haushalt erzeugen und Strom für Geräte, Klimaanlagen, Heizungen und Beleuchtung liefern können. Das ist eine echte Revolution, nicht wahr?

Wie funktionieren Windturbinen?
Windturbinen funktionieren durch die Energie des Windes, der die Flügel dreht, die den Rotor antreiben. Wenn der Rotor an Kraft gewinnt, beginnt er, einen kleinen Generator zu drehen, der genau wie andere Generatoren Energie erzeugt. Das Interessante daran ist, dass Wind eigentlich eine andere Form der Sonnenenergie ist! Wind entsteht, wenn die Sonne unsere Atmosphäre ungleichmäßig erwärmt und auf Unregelmäßigkeiten auf der Erdoberfläche trifft, aber auch durch die Rotation unseres Planeten.

Kann Windenergie ein Haus antreiben?
Auf jeden Fall kann Wind ein Haus mit Strom versorgen. Die meisten Windturbinen in Privathaushalten werden als zusätzliche Energiequelle genutzt, die die Abhängigkeit des Hauses vom Stromnetz verringert und die Stromrechnung senkt. Wind als Energiequelle für Privathaushalte wird oft mit anderen erneuerbaren Energiequellen wie der Solarenergie kombiniert. Diese Kombination funktioniert gut, weil sowohl Solar- als auch Windenergie intermittierende Energiequellen sind, d.h. sie liefern nicht 24 Stunden am Tag eine konstante Menge an Energie.

Auch die Speicherung von Energie ist möglich. Batterien können die von Windturbinen erzeugte Energie speichern und haben eine hohe Ladekapazität. In ähnlicher Weise können Windturbinen überschüssige Energie nutzen, um Luft zu komprimieren. Die Luft wird in Behältern gespeichert und kann bei Bedarf zum Antrieb der Turbine verwendet werden, um erneut Energie zu erzeugen. Die Energiespeicherung kann teuer sein, ist aber eine hervorragende Lösung für die Nutzung von intermittierenden erneuerbaren Energiequellen.

Was ist eine Windturbine?

Windturbinen spielen eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung sauberer und effizienter Energiesysteme.

Eine Windturbine, auch Windgenerator genannt, ist ein Gerät, das die Windkraft zur Stromerzeugung nutzt. Die Gruppierung mehrerer Windturbinen an einem Ort bildet einen Windpark.

Eine Windturbine besteht aus mehreren grundlegenden Komponenten:

• Rotor: Er sammelt die Energie des Windes ein, in der Regel mit Hilfe von drei an einer Welle befestigten Flügeln. Wenn der Wind weht, dreht sich der Rotor und nutzt die kinetische Energie des Windes. Die Gondel, die sich oben auf der Turbine befindet, enthält die elektronischen und mechanischen Systeme, die für die Umwandlung der Windenergie in Strom erforderlich sind.
• Generator: Er ist mit dem Rotor verbunden und wandelt die mechanische Energie der Rotation in elektrische Energie um. Der Prozess basiert auf den Prinzipien des Elektromagnetismus und nutzt Magnete und Spulen zur Stromerzeugung.
• Turm: Die Struktur, die den Rotor und den Generator an der Spitze trägt. Die Höhe des Turms ist entscheidend, da die Winde in höheren Lagen stärker und konstanter sind.
• Steuerungs- und Richtungssystem: Eine Windturbine ist in der Regel mit Steuerungssystemen ausgestattet, die die Richtung des Rotors anpassen, um die Windenergiegewinnung zu maximieren und einen effizienten Betrieb sicherzustellen. Diese Systeme sorgen dafür, dass die Windturbine immer optimal auf die Windrichtung ausgerichtet ist.

Wie funktioniert eine Windturbine?

Der Betrieb einer Windturbine kann in mehrere Phasen unterteilt werden, von der Sammlung der Windenergie bis zur Erzeugung von Strom. Hier sind die Phasen des Prozesses:

1. Gewinnung von Windenergie. Der Prozess beginnt, wenn der Wind auf die Rotorblätter der Windturbine trifft. Die aerodynamisch geformten Blätter maximieren die Aufnahme der kinetischen Energie des Windes. Windturbinen sind für den Betrieb innerhalb eines bestimmten Bereichs von Windgeschwindigkeiten ausgelegt.

2. Rotation des Rotors. Der Wind bringt die Rotorblätter dazu, sich um ihre Achse zu drehen. Die Rotationsbewegung wird über eine angeschlossene Welle auf den Generator übertragen.

3. Stromerzeugung. Der Generator ist die Schlüsselkomponente, die die mechanische Energie der Drehbewegung in elektrische Energie umwandelt. In Windkraftanlagen werden synchrone oder asynchrone Generatoren eingesetzt. Bei einem Synchrongenerator sind die Rotordrehzahl und die Frequenz des erzeugten Stroms synchronisiert. Bei einem Asynchrongenerator sind diese Variablen nicht starr synchronisiert, was eine größere Flexibilität im Betrieb ermöglicht.

4. Kontrolle und Steuerung. Die Windturbine verfügt über ein Steuerungssystem, das die Richtung des Rotors anpasst, um die Effizienz zu maximieren. Sensoren überwachen ständig die Windgeschwindigkeit und -richtung, und das Steuerungssystem passt die Ausrichtung des Rotors an, um die Energiegewinnung zu optimieren.

5. Energieumwandlung und -verteilung. Der von einer Windturbine erzeugte Strom, in der Regel in Form von Wechselstrom (AC), wird umgewandelt. Ein Transformator hebt die Spannung an, um sie auf das für das Stromnetz erforderliche Niveau zu bringen. Die Energie wird dann über Kabel von der Windturbine zu einem Umspannwerk übertragen, von wo aus sie in das Stromnetz integriert und verteilt wird.

Arten von Windturbinen.

Die Vielfalt der verfügbaren Windturbinen ermöglicht es, das richtige Modell für die jeweiligen Bedürfnisse auszuwählen. Entscheidende Faktoren sind die Windgeschwindigkeit am Standort, der Zweck der Anlage und wirtschaftliche Aspekte.

Die Technologie der Windgeneratoren wird ständig weiterentwickelt, was zu Verbesserungen bei Effizienz, Leistung und Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Bedingungen führt.

Beispiele für Windturbinen sind:

Horizontalachsige Windturbinen – HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine)

Windturbinen mit horizontaler Achse, die beliebtesten und am weitesten verbreiteten, haben ein Design, bei dem sich ein Rotor mit 3 oder mehr Blättern um eine horizontale Achse senkrecht zur Windrichtung dreht.

Die Flügel sind an einer Nabe befestigt, die mit einem Getriebe und einem Generator verbunden ist. Die Hauptfunktion des Getriebes besteht darin, die Geschwindigkeit des Rotors zu erhöhen, um Strom zu erzeugen.

Der Turm hebt den Rotor auf eine größere Höhe, um stärkere Winde auszunutzen. Dank dieser Konstruktion kann die kinetische Energie des Windes effizient in Strom umgewandelt werden, was zur Erzeugung von nachhaltiger Windenergie beiträgt.

Windturbinen mit vertikaler Achse – VAWT (Vertical Axis Wind Turbine)

Windturbinen mit vertikaler Achse haben ein innovatives Design, bei dem sich der Rotor um eine vertikale Achse dreht und die Blätter spiral- oder eiförmig sind. Dieses Design macht sie kompakt und vielseitig.

Dank ihrer vereinfachten Struktur und ihrer Fähigkeit, sich an wechselnde Windverhältnisse anzupassen, sind sie die ideale Wahl in Gebieten mit begrenztem Platzangebot, wie zum Beispiel in städtischen Umgebungen und dicht besiedelten Gebieten.

Obwohl sich diese Turbinen noch in der Entwicklungsphase befinden, zeigen sie ein vielversprechendes Potenzial bei der Lösung spezifischer Probleme und könnten eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung der Windtechnologie spielen.

Typen von Windturbinen mit vertikaler Achse.

Es gibt viele einfache Entwürfe von kleinen vertikalen Windturbinen, die sich in der Konstruktion unterscheiden. In der Praxis sind Variationen und Kombinationen zu finden; Entwickler sind oft kreativ bei der Gestaltung verschiedener Formen von vertikalen Windturbinen.

Savonius-Rotoren (Darrieus-Rotoren)

 Der Savonius-Rotor ist ein Typ von Windkraftanlagen mit vertikaler Achse, der sich durch eine relativ massive und gedrungene Konstruktion auszeichnet. Savonius-Rotoren sind als Schlepprotoren bekannt, weil die gesamte Oberfläche des Rotors dem Wind Widerstand entgegensetzt und im Wesentlichen vom Wind geschoben wird. Dieser Widerstand begrenzt jedoch die Geschwindigkeit und Leistung des Rotors. Savonius-Rotoren können sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Wind drehen und haben den niedrigsten Wirkungsgrad aller kleinen Windturbinen, d.h. sie produzieren deutlich weniger Strom als andere Designs.

Darrieus-Rotoren

Der Darrieus-Rotor ist eine Art von Windkraftanlage mit vertikaler Achse (VAWT), die für ihre charakteristische ‘Eierschläger’-Form bekannt ist. Er besteht aus gebogenen Blättern, die vertikal um eine zentrale Achse ausgerichtet sind. Darrieus-Rotoren fallen in die Kategorie der schubbasierten Rotoren, was bedeutet, dass sie den aerodynamischen Auftrieb nutzen, um die Flügel zu drehen. Im Gegensatz zu Widerstandsrotoren, bei denen die Flügel direkt in den Wind gerichtet sind, haben auftriebsbasierte Rotoren Flügel, die in den Wind gerichtet sind. Dadurch kann die Luft gleichmäßig über die Blattoberfläche strömen, wodurch ein Druckunterschied entsteht, der die Auftriebskraft erzeugt.

Rotoren, die auf der Auftriebskraft basieren, können sich viel schneller drehen als die Windgeschwindigkeit, was die Leistung und Effizienz der Windturbine erhöht. Die Nennleistung ist ein Maß dafür, wie viel verfügbare Windenergie ein Rotor einfangen kann. Die meisten modernen Windturbinen, sowohl mit vertikaler als auch mit horizontaler Achse, beruhen auf diesem Prinzip.

Den Darrieus-Rotor gibt es in verschiedenen Untertypen, wie z.B. dem Spiralrotor, dem Scheibenrotor und dem H-Rotor mit geraden Blättern. Diese Turbinen haben in der Regel drei schlanke Rotorblätter, die durch Auftriebskräfte angetrieben werden, um hohe Geschwindigkeiten zu erreichen. Aerodynamische Eigenschaften, einschließlich Winddruck- und Auftriebseffekten, tragen zu ihrem Wirkungsgrad bei, der ein Maximum von etwa 40% erreicht, wobei das physikalische Maximum für Windkraftanlagen bei 59% liegt.

H-Rotory

 Der H-Rotor ist ein gängiger Typ eines Darrieus-Rotors. Bei dieser Konfiguration sind die Turbinenblätter nicht gekrümmt, wie beim klassischen Modell, sondern gerade. Der H-Rotor hat eine größere Angriffsfläche für den Wind, was theoretisch zu einer höheren Leistungsabgabe im Vergleich zu Modellen mit gebogenen Blättern führt.

Schraubenrotoren

Helix-Rotoren sind eine Art von Windturbinen mit vertikaler Achse (VAWT), die die Hubkraft nutzen, um die Blätter zu drehen. Sie haben gebogene Blätter, die sich spiralförmig um eine vertikale Welle drehen. Das spiralförmige Design ermöglicht es dem Rotor, die Energie des Windes aus verschiedenen Richtungen zu nutzen, ohne dass komplexe Mechanismen erforderlich sind, um sich zu drehen und sich zum Wind auszurichten.

Schaufellose Turbinen

Blattlose Windturbinen, auch bekannt als blattlose Windturbinen mit vertikaler Achse, stellen eine Innovation im Vergleich zu herkömmlichen Windturbinen dar.

Anstelle der klassischen Flügel, die sich um eine horizontale Achse drehen, verwenden diese Anlagen eine vertikale Achsenkonfiguration, wodurch die Flügel gänzlich entfallen. Die Windenergienutzung erfolgt über alternative aerodynamische Prinzipien, wie die Verwendung von vertikalen Zylindern oder spiralförmigen Strukturen. Diese Konstruktionen zielen darauf ab, die Effizienz zu verbessern und die optischen und akustischen Auswirkungen herkömmlicher Turbinen zu verringern.

Kleine und Mikro-Windturbinen

Die Bedeutung von Klein- und Mikrowindturbinen ist hervorzuheben, da sie sich aufgrund ihrer Fähigkeit, sich in autarke Systeme zu integrieren, rasch entwickeln.

Diese Technologien, zu denen auch kleine Windturbinen gehören, ermöglichen es den Nutzern, ihre Energiequelle zu wählen und dezentral Strom zu erzeugen und so ihren Energiebedarf teilweise oder ganz zu decken.

Installationen in Wohn- oder Gewerbegebieten ermöglichen die lokale Erzeugung erneuerbarer Energie, verringern die Abhängigkeit von konventionellen Quellen und unterstützen den Übergang zu nachhaltigeren und effizienteren Systemen.

Fortschritte bei der Effizienz und Kostenreduzierung haben kleine und Mikro-Windturbinen zu einer erschwinglicheren Option für diejenigen gemacht, die Energieautarkie und einen geringeren ökologischen Fußabdruck anstreben.

Das Engagement für die Entwicklung der Windenergie positioniert diese nicht nur als eine der wichtigsten Säulen der Energiewende, sondern unterstreicht auch die Bedeutung von Innovation und Diversifizierung in diesem Sektor, um Energielösungen für heute und morgen zu schaffen.

Vorteile der vertikalen Windturbinen.

• Sie sind in Wohngebieten praktischer und können sowohl bei böigem als auch bei stetigem Wind Energie erzeugen.
• Sie haben weniger Komponenten als Windturbinen mit horizontaler Achse, d.h. weniger Teile, die verschleißen oder ausfallen können.
• Der Turm muss nicht so stabil sein, da sich das Getriebe und der Generator in Bodennähe befinden. Komponenten zur Steuerung von Neigung und Richtung sind ebenfalls nicht erforderlich.
• Die Turbine muss nicht in die richtige Windrichtung ausgerichtet sein, da sie Wind aus jeder Richtung einfangen kann.
• Sie sind billiger in der Herstellung als Turbinen mit horizontaler Achse, einfacher zu installieren und zu transportieren und können dort installiert werden, wo höhere Strukturen verboten sind.
• Sie arbeiten leiser, was bedeutet, dass sie die Anwohner nicht stören.

Nachteile von vertikalen Windturbinen.

• Sie produzieren weniger Energie als horizontale Turbinen, haben einen geringeren Wirkungsgrad, eine begrenzte Skalierbarkeit, höhere Turbulenzen und höhere Kosten.
• Sie benötigen eine höhere Windgeschwindigkeit, um sich zu drehen, was bedeuten kann, dass sie in windschwachen Gebieten nicht gut funktionieren.
• Sie sind anfälliger für Ermüdung und Stress aufgrund der unterschiedlichen Drehmomente an den Flügeln.
• Sie können ein Risiko für Vögel und Fledermäuse darstellen, die in Bodennähe fliegen.

Effizienz und Wirtschaftlichkeit von vertikalen Windturbinen.

Die Anschaffungskosten für vertikale Windturbinen sind in der Regel ähnlich oder höher als für horizontale Turbinen. Im Segment der kleinen Windturbinen können die Preise und Kosten pro Kilowatt je nach Hersteller und Turbinenmodell erheblich variieren und zwischen 3.000 € und 10.000 € pro installiertem Kilowatt liegen.

Vertikale Windturbinen sind mit Schwierigkeiten in Bezug auf Aerodynamik, Systemregulierung und Sturmschutz konfrontiert. Anders als horizontale Turbinen können vertikale Turbinen zum Schutz vor Stürmen nicht aus dem Wind gedreht werden. Dies macht die Systemregulierung komplizierter und führt zu zusätzlichen Baukosten in Verbindung mit technischen Lösungen.

Wie groß muss eine Windturbine sein, um ein Haus mit Strom zu versorgen?

Die Größe einer Windturbine hängt vom Verwendungszweck ab. Kleine Turbinen erzeugen in der Regel zwischen 20 Watt und 100 Kilowatt Energie. Turbinen mit einer Leistung von 20-500 Watt werden beispielsweise zum Laden von Batterien in Wohnmobilen verwendet, und einige Yachten sind mit Turbinen von 1-10 Kilowatt ausgestattet, die zum Pumpen von Wasser verwendet werden.

Turbinen für den Hausgebrauch erzeugen in der Regel zwischen 400 Watt und 100 Kilowatt Energie, aber das hängt alles vom Strombedarf ab. Ein durchschnittlicher Haushalt verbraucht etwa 877 Kilowattstunden Energie pro Monat. Um einen Großteil dieses Bedarfs zu decken, ist eine Turbine mit einer Leistung zwischen 5 und 15 Kilowatt erforderlich. Der Durchmesser des Rotors hängt von der Geschwindigkeit und der Stabilität des Windes ab, aber für Haushaltsturbinen können die Blätter zwischen 1,2 und 15 Metern lang sein.

Wie effizient sind Windturbinen für Haushalte?

Obwohl die Installation von Windturbinen teuer ist, ist ihr Wirkungsgrad hoch. Der theoretische maximale Wirkungsgrad von Windturbinen liegt bei 59%, der durchschnittliche Wirkungsgrad bei etwa 50%. Im Vergleich dazu haben Sonnenkollektoren einen Wirkungsgrad von etwa 20% und ein durchschnittliches Kohlekraftwerk erreicht einen Wirkungsgrad von etwa 33%.

Wie viel können Sie sparen, wenn Sie Ihr Haus mit einer Windturbine betreiben?

Windturbinensysteme können sich innerhalb von 6 bis 20 Jahren amortisieren, mit einer durchschnittlichen Amortisationszeit von 15 Jahren. Sobald die Kosten gedeckt sind, kann eine Windturbinenanlage die Stromrechnung um 50 bis 90% senken.

Gibt es irgendwelche Vorteile, wenn Sie Ihr Haus mit Windenergie betreiben?

Wie in jeder anderen Situation auch, gibt es sowohl Vor- als auch Nachteile. Hier sind die drei wichtigsten Vorteile:

Vorteile der heimischen Windkraftanlagen.

1. Umweltfreundlichkeit.

Windturbinen sind, unabhängig von ihrer Größe, eine Quelle sauberer Energie. Bei der Energieerzeugung mittels einer Turbine werden keine schädlichen Stoffe in die Atmosphäre ausgestoßen. Angesichts der zunehmenden Abhängigkeit der Welt von fossilen Brennstoffen und der wachsenden Klimakrise sind Windturbinen eine grüne Lösung, die die Abhängigkeit von schädlichen Brennstoffen wie Kohle und Öl verringert.

2. Erneuerbarkeit.

Im Gegensatz zu Kohle und Öl ist die Windenergie erneuerbar, d.h. sie wird nie ausgehen. Wind wird so lange erzeugt, wie es Sonnenschein und Drucksysteme in der Atmosphäre gibt. Auch wenn der Wind nicht immer weht, können die Turbinen mit Batterien ausgestattet werden, die die Energie speichern und auch an windstillen Tagen Strom liefern.

3. Finanzielle Verfügbarkeit.

Obwohl die Installation von Windturbinen teuer ist, ist der Wind selbst kostenlos. Im Gegensatz zu Öl (das mit hohen Brennstoffpreisen verbunden ist) müssen Sie für die Nutzung von Wind nicht bezahlen und die Ressourcen sind unerschöpflich. Windturbinen amortisieren sich innerhalb eines angemessenen Zeitraums, und die Anlagen erfordern nur wenig Wartung, was sie zu einer attraktiven Option für Hausbesitzer macht.

Nachteile von Windkraftanlagen für Haushalte.

1. Abhängigkeit von den Wetterbedingungen.

Selbst wenn eine Windkraftanlage mit einer Batterie ausgestattet ist, bedeutet dies nicht, dass immer Energie zur Verfügung steht. Der Wind ist schwankend und schwer vorherzusagen, so dass die Fähigkeit, Windenergie zu nutzen, vom Standort und der Stabilität der Wetterbedingungen abhängt. All dies macht es schwierig zu bestimmen, wie lange es dauern wird, bis sich die Investition in das System amortisiert hat.

2. Lärm.

Windkraftanlagen können Geräusche von 50 bis 60 Dezibel erzeugen. Wenn der Standort weit von den Nachbarn entfernt ist, ist das vielleicht kein Problem, aber in ländlichen Gebieten kann der Lärm die Anwohner stören.

3. Schwierig zu regulieren.

Baugenehmigungen, Bebauungspläne und Höhenbeschränkungen können für Hausbesitzer, die die Installation von Windturbinen planen, ein Hindernis darstellen. Gesetzliche Bestimmungen und örtliche Vorschriften können die Zeit bis zur Genehmigung der Installation verlängern, und in manchen Gegenden kann die Installation von Turbinen sogar ganz verboten sein.

Quellen für Informationen:

https://en.wikipedia.org/wiki/Vertical-axis_wind_turbine

https://www.repsol.com/en/energy-and-the-future/future-of-the-world/wind-turbine/index.cshtml

https://pl.wikipedia.org/wiki/Energia_wiatru

https://pl.wikipedia.org/wiki/Elektrownia_wiatrowa

https://pl.wikipedia.org/wiki/Turbina_wiatrowa