Windpark-Glossar
Leistung
Leistung (P) Arbeit bzw. Energie pro Zeiteinheit. Die Gewinnung elektrischer L mittels WKA´s erfordert die Ausbeute der Bewegungsenergie des Windes über die mechanische Energie des Rotorbetriebs und des Antriebs eines Generators, der die elektriesche Energie liefert. Ausbeutbar ist die L des Windes in der Rotorfläche; sie ist (in noch gedachter Abwesenheit eines Rotors) das Produkt aus der Luftdichte (ro), der Rotorkreisfläche (πr2) und der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit (v3). Dabei gilt: Je höher die Luftdichte, desto höher die L, die Luftdichte nimmt indessen mit steigender Temperatur, steigender Meereshöhe der Anlage und sinkendem Luftdruck ab (bei 200 C, auf Meereshöhe und bei normalem atmosphärischen Luftdruck beträgt die Luftdichte 1.204 kg/m3). Das größte Fehlerpotential in dieser Formel birgt die Fehlschätzung der Windgeschwindigkeit, denn sie wirkt sich in dritter Potenz aus: Die Verdoppelung oder Halbierung der Windgeschwindigkeit würde sich mit dem Faktor 8 auswirken. Zur Entnahme von Energie aus diesem Luftstrom und der Umwandlung dieser in mechanische Energie ist dem Luftstrom ein Hindernis in den Weg zu stellen, der Rotor. Der Widerstand, den der Rotor dem Windstrom bietet, hängt von der Ausgestaltung der Rotorblätter nach dem Widerstandsprinzip oder dem Auftriebsprinzip (das heute übliche Wirkprinzip) ab, aber welches Prinzip auch gewählt wird: Verantwortlich dafür, daß dem Windstrom durch den Rotor nur ein Teil seiner Energie entnommen werden kann, sind allgemeine physikalische Gründe. Die Windgeschwindigkeit ist weit vor dem Rotor ungebremst, vor dem Rotor nimmt die Windgeschwindigkeit leicht ab, der Luftdruck steigt stark an und erreicht sein Maximum unmittelbar davor. Unmittelbar hinter dem Rotor fällt der Luftdruck wieder sehr stark. Die Windgeschwindigkeit beträgt hier nur noch etwa zwei Drittel ihres Wertes weit vor dem Rotor. Die Windgeschwindigkeit wird im weiteren Nachlauf des Rotors um ein weiteres Drittel vermindert; die Werte der Distanz weit vor dem Rotor werden annähernd erst wieder in einem Abstand von dem Neunfachen des Rotordurchmessers erreicht (Parkwirkungsgrad). Zur Gewinnung mechanischer Energie ist einerseits die Abbremsung des Luftstroms durch den Rotor erforderlich, andererseits darf die Abbremsung die Windgeschwindigkeit nicht völlig eliminieren. Für dieses Optimierungsproblem lieferte der Physiker Betz folgende Formel: Für das Verhältnis der Windgeschwindigkeiten nach dem Rotor und weit vor dem Rotor von einem Drittel ist der der optimale Leistungsbeiwert (cp) des Rotors gleich 16/27 = 59,26% (Leistungskoeffizient, aerodynamischer Wirkungsgrad). Allein in die Umwandlung kinetischer Energie in mechanische Energie fließen ca. 40% der ursprünglichen Windenergie, die nicht mehr weiter nutzbar sind. Weitere L-Minderungen, die allerdings nicht mehr diese Ausmaße erreichen, ereignen sich bei der Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie auf Grund der Wirkungszusammenhänge im Generator. Von der bei ihm ankommenden Energie können noch maximal 97%, in weniger günstigen Fällen aber auch nur noch 80%, in elektrische Energie umgewandelt werden (ct, Turbinenwirkungsgrad zwischen 0,97 und 0,80). Die oben beschriebenen Einflüsse zusammengenommen, ergibt sich für die L einer WKA folgende Gleichung:
P = cp • ct • π • r2 • ro • v3
Hierin sind:
r: Rotorradius in m,
cp: aerodynamischer Wirkungsgrad des Rotors;
ct: Turbinenwirkungsgrad;
ro: Luftdichte;
v: Windgeschwindigkeit senkrecht zur Rotorebene.
Die L-Minderungen sind hier nicht vollzählig genannt. Rechtliche (z. B. nächtliche Ruhezeiten) oder tatsächliche (z. B. windbedingte Ruhezeiten, Stillstand für Wartung, Instandhaltung und Reparaturen, Leitungswiderstände, Netzverluste usw.) Gründe führen im praktischen Betrieb ebenfalls zu gravierenden L-Einbußen. Im Unterschied zur Ermittlung der Nennleistung wird wird mit dieser Formel eine Anlagenleistung unter Beachtung der gemessenen Windgeschwindigkeit (und nicht Nenngeschwindigkeit); die anlagespezifischen Merkmale wie aerodynqamischer Wirkungsgrad des Rotors und Turbinenwirkungsgrad sind gegenüber der Nennleistungsermittlung unverändert. Da die Nabenhöhe die tatsächlich einwirkende Windgschwindigkeit mit bestimmt, geht sie nicht gesondert in die Formel ein. Es wird unterstellt, daß die durchschnittliche Windgeschwindigkeit dauernd einwirkt, dies entspricht nicht dem praktischen Betrieb. Abweichungen zwischen der Leistung P und dem prognostizierten Windertrag müssen sich daher aus den Annahmen zum Volllastbetrieb ergeben. Der Volllastbetrieb selbst wird zwar auch zusätzlich durch die Windgeschwindigkeit bestimmt, denn die höheren Durchschnittsgeschwindigkeiten lassen auch ein früheres Erreichen der Einschaltgeschwindigkeit erwarten, jeoch auch eine früheres Erreichen der Abschaltgeschwindigkeit. Vorhersagen sind problematisch, daher sollten Erkenntnisse über die von in Betrieb befindlichen Anlagen geleisteten Volllastastunden jedenfalls in die Betrachtungen einbezogen werden, denn der empirische Test sagt mehr als alle Ertragsgutachten.