Windenergie

Windenergie

Alexander Solowjow, Doktor der physikalischen und mathematischen Wissenschaften,
Kirill Degtyarjow,
Forschungslabor für erneuerbare Energiequellen an der Fakultät für Geographie der Moskauer Staatlichen Universität M. V. Lomonosowa
"Wissenschaft und Leben" №7, 2013

Wind bezieht sich auf erneuerbare oder alternative Energiequellen. Seine Vorteile liegen auf der Hand: Der Wind weht immer und überall, er muss nicht "abgebaut" werden. Die Gesamtreserven an Windenergie in der Welt werden auf 170 Billionen kWh oder 170 Tausend Terawattstunden (TWh) pro Jahr geschätzt, was acht Mal höher ist als der gegenwärtige globale Stromverbrauch. Theoretisch könnte die gesamte Energieversorgung der Welt nur auf Kosten der Windenergie bereitgestellt werden. Und wenn Sie sich daran erinnern, dass seine Verwendung die Atmosphäre, die Hydrosphäre und den Boden nicht verschmutzt, dann scheint diese Energiequelle perfekt zu sein. Aber leider hat alles eine Kehrseite, und die Windkraft ist keine Ausnahme.

Foto von Igor Konstantinow.

Die Nutzung der Windenergie ist eine lange Geschichte: Wie alt sind Windmühlen und Segelschiffe? Ja, und die Windkraft begann zu Beginn des letzten Jahrhunderts zu bauen. Es sollte bemerkt werden, dass eine der Führer auf diesem Gebiet in den 1930-1950s die Sowjetunion war.Bereits 1931 wurde auf der Krim in der Nähe von Balaklava eine Windkraftanlage in Betrieb genommen, die bis 1941 betrieben wurde. Während der Kämpfe um Sewastopol wurde es vollständig zerstört. Die tragende Struktur der Windturbine (Mast) wurde von Vladimir Grigorievich Shukhov entworfen. Eine Windturbine mit einem Raddurchmesser von 30 m und einem Generator von 100 kW war zu dieser Zeit die stärkste der Welt. Windräder in Dänemark und Deutschland hatten damals einen Raddurchmesser von bis zu 24 m und ihre Leistung lag nicht über 50-70 kW.

Der Industriewindpark, der 1931 in der Krim gebaut wurde, wurde bei TsAGI entworfen und war zu dieser Zeit der größte der Welt – seine Leistung beträgt 100 kW. Während des Zweiten Weltkriegs wurde es zerstört.

1950-1955 wurden in der UdSSR 9000 Windanlagen pro Jahr gebaut. Während der Entwicklung von Neuland in Kasachstan wurde die erste mehrteilige Windkraftanlage gebaut, die mit einem Dieselmotor mit einer Gesamtleistung von 400 kW arbeitete, der zum Prototyp moderner europäischer Windparks und Wind-Diesel-Systeme wurde. Eine interessante Tatsache ist in der autobiographischen Trilogie des Chukchi-Schriftstellers Yuriy Rytkheu "Schneeschmelze Zeit" gegeben. In seinem Heimatlager Ulak tauchte Ende der 1930er Jahre die elektrische Beleuchtung gerade wegen der Windkraftanlage auf, die die benachbarte Polarstation mit Strom versorgte.

Dennoch begann die aktive Entwicklung der Windenergie in der Welt erst in den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts. Voraussetzungen dafür waren verschärfte Umweltprobleme (Luftverschmutzung durch den Betrieb von Wärmekraftwerken, saurer Regen usw.), verbunden mit steigenden Ölpreisen und dem Wunsch, die Abhängigkeit der westlichen Länder von Kohlenwasserstofflieferungen aus der UdSSR und den Ländern der Dritten Welt zu schwächen. Die Ölkrise von 1973 bis 1974 gab der Windenergie zusätzliche Impulse und brachte die Frage ihrer Entwicklung auf die staatspolitische Ebene.

Nichtsdestotrotz war (und bleibt) die Einstellung gegenüber der Windkraft zweideutig, zusammen mit dem Enthusiasmus gab es Skepsis und Unzufriedenheit, auch in Bezug auf Umweltaspekte. Hier ist ein Beispiel dafür, was die ausländische Presse 1994 darüber schrieb: "Es gibt auch unangenehme paradoxe Situationen, in denen Menschen mit dem Bau von Windanlagen unzufrieden sind und diese oft aus Gründen des Umweltschutzes blockieren – Gruppen von Stationen erzeugen Lärm und visuelle Verschmutzung der Gegend."

Die Wachstumsrate der installierten Kapazität von Windparks.

Ähnliche Ansprüche auf Windkraftanlagen wurden beispielsweise in den Niederlandenwo Windparks der Öffentlichkeit zufolge das traditionelle Aussehen des Territoriums verletzten, und in einem Land mit einer hohen Bevölkerungsdichte gibt es keine Möglichkeit, Tausende von Turbinen zu platzieren.

Seitdem ist die installierte Gesamtleistung von Windkraftanlagen in der Welt um das 60-75-fache gewachsen. Riesige Konstruktionen tauchten auf, Hunderte von Metern hoch. Die Leistung einzelner Windgeneratoren erreicht mehrere Megawatt, Gigawatt-Windparks sind vergleichbar mit den größten Objekten der "traditionellen" Energie – Thermal-, Atom- und Wasserkraft.

Im Jahr 2012 erreichte die installierte Kapazität von Windkraftanlagen weltweit 282 GW, was die Gesamtkapazität aller russischen Kraftwerke übersteigt und mit der Kapazität aller Kernkraftwerke auf dem Planeten vergleichbar ist. Sie liefern jedoch nur etwa 2,4% des weltweiten Stroms, obwohl ihr Anteil in einigen europäischen Ländern, beispielsweise in Dänemark oder Spanien, bei 20% liegt. Das heißt, die Windkraft hat sich im Gesamtsystem der Stromerzeugung in der Welt nicht durchgesetzt. Ja, und alle anderen erneuerbaren unkonventionellen Energiequellen, einschließlich der Energie von Ebbe und Flut, Sonne und Geothermie, machten nur 3,7% aus.

Ausbau der installierten Kapazitäten von Windkraftanlagen in Schlüsselregionen. Quelle: Globaler Windenergie-Rat.

Nach mehreren Jahrzehnten Wachstum, starker Information und finanzieller Unterstützung für erneuerbare Energien könnte das Bild eindrucksvoller gewesen sein. Tatsächlich werden in Europa und den USA Erzeuger von "grüner" Energie auf staatlicher Ebene aufrechterhalten. Insbesondere sollte das Portfolio der Energievertriebsunternehmen einen Pflichtanteil an erneuerbarer Energie haben – nur in diesem Fall ist der Absatz garantiert. Darüber hinaus gibt es in vielen Ländern Steuererleichterungen für Produzenten erneuerbarer Energien. Nach dem rasanten Wachstum der Windkraftanlagen in den letzten anderthalb Jahrzehnten ist es zu einer leichten Verlangsamung gekommen: In den Jahren 2011-2012 war die Inbetriebnahme von installierten Windkraftanlagen die niedrigste in den letzten 16 Jahren.

Dies ist besonders in Europa spürbar. Vielleicht ist eine solche Verlangsamung mit dem Ausbruch der Wirtschaftskrise verbunden, aber ein anderer Grund ist auch möglich – die territorialen "Ressourcen" der Alten Welt stehen kurz vor der Erschöpfung, das heißt, es gibt keinen Platz für den Bau von Windkraftanlagen in Europa. Laut der Agentur Bloomberg Neue EnergiefinanzierungIm Jahr 2012 gingen die Investitionen in erneuerbare Energien in der gesamten Welt um 11% zurück, während sie in asiatischen Ländern weiter zunahmen. Es sollte hinzugefügt werden, dass vor 15 Jahren mehr als die Hälfte aller Windkraftanlagen der Welt in den Vereinigten Staaten waren, dann kam Europa abrupt voran und in den letzten Jahren hat China die Führung übernommen.

Ok ja nicht billig

Windkraftanlagen liegen hinsichtlich der installierten Auslastung deutlich hinter Kernkraftwerken und Wasserkraftwerken zurück. Bei 84% für Kernkraftwerke, 42% für Wasserkraftwerke sind es bei Windkraftanlagen nur 20%, was auf die Art der Energiequelle selbst zurückzuführen ist: Der Wind bläst nicht immer mit ausreichender Kraft. Das heißt, dass Windparks 2-4 mal weniger produktiv sind als herkömmliche Kraftwerke, und um die gleiche Menge an Strom zu erhalten, müssen sie 2-4 mal mehr gebaut werden. Dies sind zusätzliche Flächen und Materialien, was mehr Umweltschäden (was auch immer es ist) in Bezug auf erzeugte Kilowatt Elektrizität bedeutet.

Laut dem russischen Verband der Windindustrie (RAVI) erreicht die Metallintensität eines modernen 3-MW-Windgenerators 350 Tonnen.Wenn ein TPP von 1 GW eine Fläche in der Größenordnung von mehreren Hektar erfordert, müssen Tausende Hektar für einen Windpark gleicher Kapazität zugeteilt werden. Und obwohl es möglich ist, andere wirtschaftliche Aktivitäten durchzuführen und sogar auf dem Territorium des Windparks zu leben, treten Eigentumsverhältnisse in Kraft – ein Lösegeld oder eine Pacht eines großen Grundstücks ist erforderlich.

Die Kosten für den Bau eines Windparks betragen etwa 1500-2000 Dollar pro 1 kW installierter Kapazität, was vergleichbar ist mit den Kosten für den Bau eines Kernkraftwerks und mehrfach höher als die Investitionskosten für den Bau eines Wärmekraftwerks. Hochleistungsaggregate – mit einer großen Masthöhe und einem großen Blattdurchmesser, die bei starkem Wind und Frost arbeiten, benötigen eine erhöhte Zuverlässigkeit und erfordern daher zusätzliche Bau- und Wartungskosten.

Die Kosten von 1 kW Strom, die in einem Windpark produziert werden, sind in Wirklichkeit auch nicht Null. Die europäische Erfahrung zeigt, dass die Gesamtbetriebskosten 0,6-1 Cent pro 1 kWh und für Maschinen mit einer Lebensdauer über 10 Jahren 1,5-2 Cent pro kWh betragen. Dementsprechend sind es 24-40 und 60-80 Kopeken pro 1 kWh.Zum Vergleich liegen die Kosten für die Erzeugung von 1 kWh bei Wasserkraftwerken und Kernkraftwerken in der Größenordnung von einigen Kopeken und bei Wärmekraftwerken bei dem derzeitigen Preisniveau für Kohlenwasserstoffe bei etwa 1 Rub / kWh.

Was also mit der "Erneuerbarkeit" bestimmter Energiequellen zu tun hat, muss mit einem hohen Maß an Konditionalität sprechen. Schließlich müssen nicht erneuerbare Materialien (insbesondere Metalle) für die Schaffung von Energieanlagen aus diesen Quellen verwendet werden, deren Gewinnung und Verarbeitung nicht immer umweltfreundlich ist.

Offshore-Windpark in Dänemark in der Nähe von Kopenhagen. Die Platzierung von Windgeneratoren im Meer ist eine gute Lösung für das Problem des Platzmangels für den Bau leistungsfähiger Windkraftanlagen. Dank der Meeresbrise arbeiten Windräder zu 97% der Zeit.

Was die Entwicklung der Windenergie im großen Maßstab betrifft, wird sie hauptsächlich durch den oben erwähnten hohen Metallverbrauch, die Komplexität der Auslegung von Windkraftanlagen, den Bedarf an großen Flächen, geringe Produktivität und unzureichende Arbeitsstabilität behindert. Darüber hinaus können solche Anreize für die Entwicklung der Windenergie, wie die Erschöpfung der Kohlenwasserstoffreserven und die anthropogene Klimaerwärmung, gefährdet sein.Es gibt viele Beweise dafür, dass die Kohlenwasserstoffreserven groß sind, und die Rolle des Menschen beim globalen Klimawandel und beim Klimawandel selbst ist umstritten.

Die Höhe einiger Windturbinen erreicht Hunderte von Metern. Auf dem Foto: Installation einer der Windturbinen Bear Mountain (Bärenberg) in der Provinz British Columbia in Kanada. Eine solche Windkraftanlage versorgt 300 Haushalte mit Strom.

Dennoch bleibt der Wind wie andere alternative erneuerbare Energieträger relativ vielversprechend. Es ist wahr, Experten sagen voraus, dass in den kommenden Jahrzehnten die "erste Geige" in der Welt alternative Energie-Sektor anfangen wird, Solar-, nicht Windenergie zu spielen. Die Vorteile der Solarenergie liegen auf der Hand – in Zukunft kompaktere und weniger materialintensive Systeme und die Sonne ist eine relativ stabile und berechenbare Energiequelle.

Windmühlen – auf Ökologie?

Umweltschützer machen viele Ansprüche auf Windenergie. Dies sind Geräusche, die durch den Betrieb von Klingen, Infraschallvibrationen und Vibrationen erzeugt werden, die Menschen, Geräte und Tiere negativ beeinflussen. Windmühlen brechen nicht nur die vertrauten, lieblich aussehenden Landschaften, riesige rotierende Klingen beeinflussen die menschliche Psyche. Im Bereich der Windparks hören Tiere und Vögel auf, sich niederzulassen.Mit der Trennung von Rotorblättern und anderen Unfällen in großen Windkraftanlagen sind Risiken verbunden. Wenn viele Windkraftanlagen auf großen Flächen betrieben werden, ist außerdem eine lokale Reduzierung der Kraft und eine Änderung der Konfiguration der Winde möglich. Ein zusätzliches Problem ist die Notwendigkeit, Blades zu recyceln, die ihre Ressourcen aufgebraucht haben.

Der Geräuschpegel von verschiedenen Quellen. Quelle: B. V. Ermolenko, G. V. Ermolenko, M. A. Ryzhenkov, Ökologische Aspekte der Windenergie // Thermal Engineering, 2011, Nr. 11.

Welche dieser Mängel und Risiken imaginär und welche real sind, lässt auf die zwanzigjährige Erfahrung der Nutzung von Windenergie in einem dicht besiedelten Europa schließen. Die Ängste im Zusammenhang mit dem Infraschall und der Arbeit der Flügel werden nicht bestätigt, wie der Lärm und die Sterblichkeit von Vögeln zeigen, die zeigen, dass der Lärm in 350 m Entfernung von der Windstation den Hintergrund nur geringfügig übersteigt. Und die Zahl der Vögel, die bei einer Kollision mit Windmühlen getötet wurden, ist dreieinhalb tausend Mal geringer als beispielsweise das Treffen mit Katzen.

Jährliche Schätzung der Vogelsterblichkeit in Europa. Quelle: Europäische Windenergie-Vereinigung, 2010.

Natürlich gibt es bei solchen Schätzungen eine Nuance: Viel hängt von der Anzahl der Windkraftanlagen ab.Mit der vorhandenen Menge an Schaden ist wirklich minimal, aber was passiert, wenn die Windkraft viel mehr wird?

Beim Vergleich der Anzahl der sterbenden Vögel ist es außerdem erforderlich, die betreffenden Arten zu berücksichtigen. Katzen jagen Passerine, und bei Kollisionen mit Windkraftanlagen in relativ großer Höhe können seltenere und wertvollere Vogelarten sterben. Wir sollten die Verletzung der Migrationsrouten von Vögeln nicht außer Acht lassen.

Dennoch sind die gesamten Umweltschäden durch Windkraft im Vergleich zu den "traditionellen" Methoden der Energieerzeugung deutlich geringer. In Europa der externe negative sozio-ökologische Effekt* pro 1 kWh produzierte Elektrizität wurde auf 0,15 Cent für Windkraft, 1,1 Cent für Gas TPPs und 2,5 Cent für Kohle geschätzt.

Eine Ausnahme ist das Recycling von Rotorblättern aus Verbundwerkstoffen. Tatsache ist, dass die Lebensdauer der Rotorblätter 20-25 Jahre beträgt und die ersten bereits gebauten Rotorblätter kurz vor der Entwicklung einer Ressource stehen. Besonders akut mit diesem Problem wird schon im Jahr 2020 konfrontiert sein, wenn die Gesamtmasse der verbrauchten Klingen in der Welt 50.000 Tonnen betragen wird und bis 2035 auf 200.000 Tonnen anwachsen wird.

Im Moment gibt es zwei Hauptarten der Verwendung von Lamellen aus Fiberglas: mechanisch und thermisch. Bei der ersten Methode werden die Fasern und Granulate mechanisch zermahlen, aus denen das Verbundmaterial der Klingen besteht. Diese werden dann als Rohstoffe für die Herstellung minderwertiger Produkte verwendet. In den meisten Fällen werden die Turbinen, die ihre Ressource entwickelt haben, einer Wärmebehandlung unterzogen, das heißt, sie werden verbrannt. Dies ist eindeutig eine "nicht-ökologische" Entsorgungsmethode, die vor dem Hintergrund der Behauptungen von "sauberer" Windkraft umso absurder erscheint. In diesem Fall beträgt der Aschegehalt der verbrannten Masse (der Anteil an nichtbrennbarem anorganischem Rückstand in der Gesamtmasse des Materials) etwa 60% und die resultierende Asche muss entsorgt werden.

Spezialisten MUCTR sie. DI Mendeleev glaubt, dass die Pyrolyse vielversprechender für die Bearbeitung von Schaufeln ist (Erhitzen ohne Sauerstoff bei 500 ° C). Die resultierenden Substanzen (Pyrolysat) können zur Herstellung von Schaumglas und Glasblöcken verwendet werden, und das bei der Pyrolyse erzeugte Gas kann verbrannt werden, um Elektrizität zu erzeugen.

Russische Perspektiven

Derzeit übersteigt die installierte Gesamtleistung von Windkraftanlagen in Russland nicht mehrere zehn Megawatt,und der Anteil der Windenergie an der gesamten Stromerzeugung ist vernachlässigbar. Gleichzeitig werden mehrere Großprojekte vor allem in den Steppenregionen im Süden des Landes und in den Küstenzonen umgesetzt. Wahrscheinlich wird sich in den kommenden Jahren die Situation mit Windenergie wesentlich ändern.

Große Räume, eine relativ geringe Bevölkerungsdichte und Wirtschaftsobjekte verringern die Umweltrisiken für den Betrieb von Windparks in Russland im Vergleich zu europäischen Ländern erheblich. Gleichzeitig behindern weite Strecken und schlecht ausgebaute Verkehrsinfrastrukturen die Entwicklung der Windenergie und schaffen zusätzliche Schwierigkeiten bei der Instandhaltung von Windrädern und Windparks.

Ein anderer, eher offensichtlicher Grund für die schwache Entwicklung der Windenergie in Russland ist das Vorhandensein großer Kohlenwasserstoffreserven und billigerer Energierohstoffe. Wie bereits erwähnt, hat die Entdeckung und Entwicklung großer Öl- und Gasfelder der UdSSR, die einst zu den weltweit führenden Windenergieunternehmen gehörte, Entwicklungsanreize in diesem Bereich genommen. Die herkömmliche Weisheit, dass wir keine alternative Energie (und insbesondere Windenergie) brauchen, hat jedoch keine Grundlage.Die Öl- und Gasfülle unseres Landes sollte nicht übertrieben werden, und das derzeitige Niveau der Stromversorgung reicht nicht aus für eine vollständige sozioökonomische Entwicklung, die die Suche nach neuen Energiequellen erfordert. Die russischen Verbraucher sind mit den hohen Kosten für den Anschluss an die Stromnetze konfrontiert, und es ist für sie profitabler, lokale erneuerbare Energiequellen, einschließlich der Windenergie, zu nutzen. Darüber hinaus befinden sich mehr als 70% des Territoriums unseres Landes, in dem etwa 20 Millionen Menschen leben, außerhalb des zentralisierten Stromversorgungssystems.

Wir können nicht außer Acht lassen, dass unser Land das weltweit größte Windenergiepotenzial hat – etwa 40 Milliarden kWh Strom pro Jahr. Und das bedeutet, dass der Betrieb von großen und besonders kleinen Windkraftanlagen in den riesigen russischen Räumen effizienter sein könnte. Die Regionen des russischen Nordens, und insbesondere die Ob-Bucht, die Kola-Halbinsel, der größte Teil des Küstenstreifens des Fernen Ostens, gehören nach der Weltklassifikation zu den windigsten Zonen. Die durchschnittliche jährliche Windgeschwindigkeit in Höhenlagen von 50-100 m, für die moderne Windturbinen produziert werden, beträgt 11-12 m / s. Das ist das Doppelte der sogenannten wirtschaftlichen Schwelle der Windkraft, die mit der Amortisation von Windkraftanlagen verbunden ist.


* Zusätzliche direkte und indirekte Kosten, die dem Staat, anderen Wirtschaftssubjekten, Personen aufgrund der Aktivitäten dieses Unternehmens anfallen, wie Wasser- und Luftreinigung, Behandlung usw. Natürlich sind solche Berechnungen wahrscheinlich nicht sehr genau, und es gibt sie auch Raum für Spekulationen in die eine oder andere Richtung.


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