von Dieter Böhme, Physiker
Können Windräder die Energiewende stemmen? Der geneigte EIKE-Leser weiß: Nein, denn schon die Leistungsdichte ist viel zu gering, um ein nationales Energienetz, das neben 82 Millionen Bürgern auch noch eine der leistungsfähigsten Industrien der Welt versorgen muß, am Laufen zu halten.
Unser Unterstützer, Physiker Dieter Böhme, der auch in Gera zu Gast war, klärt über die technischen und physikalischen Gegebenheiten auf.
Teil 1
Windräder bremsen Wind(1)Hier können Sie die ganze Datei herunterladen. Windräder bremsen Wind_V2
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Warum schweigt Herr Boehme nicht? Was er verbreitet, enthaelt Gutes und Neues, nur ist das Gute nicht neu, und das Neue nicht gut.
Nur ein paar Bemerkungen zu seinem Beitrag:
Die Flussdichte der kinetischen Energie ist ein Vektor:
K = 0,5 ρ v^2 v
Hierin sind ρ die Luftdichte und v der Windvektor. Der Betrag ist dann gegeben durch K = 0,5 ρ v^3. Die physikalische Einheit ist kg/m^3 × m^3/s^3 = N m/(m^2 s) = J/(m^2 s). Da ein Joule nicht nur einem Newtonmeter, sondern auch einer Wattsekunde entspricht, kann man auch schreiben 1 J/(m^2 s) = 1 W/m^2. Eine Verwechslung von Leistung und Energie tritt nur dann auf, wenn man alles durcheinander wirft.
Was durch eine Windmuehle entzogen wird, entspricht der Divergenz der Energieflussdichte, mathematisch ausgedrueckt: ∇•K. Damit ist natuerlich auch eine Dissipation von kinetischer Energie des Windfeldes verbunden, die zur Erhoehung der inneren Energie beitraegt (siehe auch https://digital.physicstoday.org/physicstoday/august_2020/MobilePagedArticle.action?articleId=1605598#articleId1605598).
Das Betz-Joukowsky-Limit,
gilt nur fuer eine ganz bestimmte Konstellation der ungestoerten Stroemungsgeschwindigkeiten vor der Windmuehle (v_∞) und hinter der Windmuehle (v_w), naemlich bei X = 1/3, sonst nicht. Eine Abbremsung der Windgeschwindigkeit infolge der Windmuehle um 2/3 wirkt sich natuerlich auf die lokale Wetterbedingungen aus, insbesondere auf den Energieumsatz an der Grenzflaeche Erde-Atmosphare. Mit Windmuehlen das Klima schuetzen wollen, bedeutet also, den nicht existierenden Teufel mit dem real existierenden Beelzebub auszutreiben.
Man muss grundsaetzlich unterscheiden zwischen dem „wind power potential“ und der durch die Windmuehle entzogene Leistung, wie das das nachfolgende Diagramm fuer 7 verschiedene Windmuehlen unterschiedlicher Nennleistung veranschaulicht:
Die gestrichelte Linie kennzeichnet das „wind power potential“ und die punktierte Linie das Betz-Joukowsky-Limit. Die Nennleistungen sind abhaengig von der Windgeschwindigkeit in Nabenhoehe; typische Werte rangieren zwischen 11 m/s und 13 m/s (ausgenommen die Enercon E-82 E4), wie das nachfolgend dargestellt ist:
Eine Optimierung der Windmuehlen fuer den Bereich zwischen fuer Windgeschwindigkeiten in Nabenhoehe im Bereich 5 – 8 m/s waere vollkommen unsinnig, denn in diesem Bereich treten die groessten Schwankungen der Leistung in Abhaengigkeit von der Windgeschwindigkeit auf. Nicht die Flauten sind das eigentliche Problem, sondern dieser Bereich mit den groessten Schwankungen der Leistung. Netz-Operatoren sprechen von der „pain in the neck“. Alle Leistungskurven beruhen aug der „General Logistic Function“.
Da das „wind power potential“ proportional zu v^3 ist, tendiert die reale Effizienz einer Windmuehle nach Erreichen der Nennleistung bei weiterer Zunahme der Windgeschwindigkeit gegen Null, was das nachfolgende Diagramm veranschaulicht:
Da die sog. „cut-put“-Windgeschwindigkeit bei etwa 25 m/s liegt, spielt dieses Minimum der Effizienz keine Rolle, denn die Windmuehle wird vorher aus der Stroemung genommen.
Alle Diagramme sind der Arbeit von Kramm et al. (2016), „On the Maximum of Wind Power Efficiency“, entnommen.
Um nun herauszufinden, was eine Windmuehle ueberhaupt an Leistung brigen kann, ist die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Windgeschwindigkeit in Nabenhoehe erforderlich, die im Falle von Coldbay, Alaska folgendermassen ausschaut (entnommen aus Kramm et al., 2019, „Near-Surface Wind-Speed Stilling in Alaska during 1984-2016 and Its Impact on the Sustainability of Wind Power“):
Als Fit-Funktion dient die Weibull-Verteilung. Von den Wahrscheinlichkeiten P1, P2 und P3 ist nur P3 wirklich interessant, denn nur dann koennen brauchbare Werte fuer den Kapazitaetsfaktor (= reale Leistung/Nennleistung) erzielt werden.
Die Perioden I – III beziehen sich auf die Zeitspannen 1. Januar 1984 – 31. Dezember 2016, 1. Januar 1984 – 31. Dezember 1994 und 1. Januar 2006 – 31. Dezember 2016. Der Buchstabe k kennzeichnet Coldbay. Den Einfluss der Abnahme der Windgeschwindigkeit („terrestrial stilling“) kann man den Diagrammen fuer die Perioden II und III entnehmen.
Fazit: Die Idee, in Deutschland mit Hilfe von Windmuehlen eine Energiewende herbeizufuehren, um das Klima zu schuetzen, ist wahrscheinlich die duemmste Idee nach der, in Babel einen Turm zu bauen.
Respekt!
Ich Antworte auf den o.g. Kommentar von Dr. Kramm folgendermaßen:
Man kann versuchen, Dinge möglichst auch für Nicht-Ingenieure und Nicht-Naturwissenschaftler nachvollziehbar zu beschreiben. Aber man kann dies natürlich auch aus der Sicht eines Physikers und Meteorlogen, wie Dr. Kramm, komplizierter beschreiben. Man könnte dies dann vorzugsweise in einer Fach-Publikation für Physiker und Meteorlogen tun. Um dann zum gleichen Fazit zu gelangen: „Die Idee, in Deutschland mit Hilfe von Windmuehlen eine Energiewende herbeizufuehren, um das Klima zu schuetzen, ist wahrscheinlich die duemmste Idee nach der, in Babel einen Turm zu bauen.“
Eine Anregung habe ich aber noch. Könnte ein Meteorlogen denn nicht den Einfluss der Energieentnahme auf den Luftdruck und damit auf den Haltedruck für Niederschläge im Lee von Windparks berechnen und dazu einen Artikel schreiben? Vielleicht könnte dies Dr. Kramm übernehmen?
Gibt es gute Nachrichten über zerschretterte Windrädern durch den Sturm?
Unsere hier im Kreis Biedenkopf stehen – trotz immenser Beschwörungen und Verdammungen meinerseits – immer noch; ob die xxxxxx Klimaklempner und Wettermanipulierer mal einen windradzerstörenden Sturm inszenieren könnten? Das könnte etwas mehr Klarheit in xxxxx Entscheider bringen, so zumindest meine Hoffnung 🙂
Fr. Interthal,
vielleicht gefällt Ihnen diese Webseite:
http://turbinesonfire.org/contact/
Herr Pirol, vielen Dank: die gefällt mir supergut 🙂
Lieber Herr Dr. Göhring,
darf man hier jetzt keine Flüche und Verwünschungen mehr sprechen? Darf man jetzt Geisteskranke nicht mehr als Geisteskranke bezeichnen, obwohl die total geisteskrank sind? Muß man jetzt so was wie „Nicht-Menschen mit großflächigen Entvölkerungswünschen in fortwährnder blutiger, meuchelnder Grundstimmung“ sagen? Und wie ist das mit einer bestimmten Farbe, die dem gutgläubigen, oftmals leicht dümmlichen Konsumenten als umwelt- und klimaschonend angepriesen wird, in aber in Wirklichkeit aber blutrot, leicht brennbar oder hochexplosiv sind? Muß man (also ich) jetzt total rumwerkeln und neue, bösartige Wörter kreiieren, um nicht im heiligen Zorn selbst zu verbrennen? Oder gar von den ca. 68 umliegenden nicht sofort tödlichen Schallwaffen, gut getarnt als Energieerzeugungsmaschinen, weggeweht zu werden? 🙂 🙂 🙂
Ich hätte hier noch einen interessanten Beitrag für ein neues Thema (good news) 🙂
https://www.manager-magazin.de/unternehmen/volkswagen-frachtschiff-mit-1100-porsche-an-bord-brennt-im-atlantik-feuer-an-bord-a-376077c1-a471-444b-b9ef-09bc0f64f5ee