Abb. 1 Auf dem Meer sind die Bedingungen für einen Windpark besonders günstig
Windenergie wird weithin als Energieträger angesehen, der Erdöl und Kohle bei der Erzeugung elektrischen Stroms ersetzen kann. Die Anlagen in dem Bild sind Windkrafträder mit Flügeln, die durch den Wind im Kreis gedreht werden. Diese Drehungen werden auf Generatoren übertragen, die elektrischen Strom erzeugen.
a)
Die folgenden Abbildungen zeigen für vier verschiedene Orte die durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten im Laufe eines Jahres. Welche der Abbildungen zeigt den geeignetsten Ort, um eine Windkraftanlage zu errichten?
Joachim Herz Stiftung
Abb. 2 An welchem Ort steht die Windkraftanlage am besten?
b)
Je stärker der Wind weht, desto schneller drehen sich die Flügel der Windkrafträder und desto mehr elektrischer Strom wird erzeugt. Dennoch gibt es in der Praxis keinen einfachen Zusammenhang zwischen Windgeschwindigkeit und elektrischem Strom. Im folgenden werden die Betriebsbedingungen von Windkraftwerken in der Praxis dargestellt:
Die Flügel beginnen sich zu drehen, wenn die Windgeschwindigkeit \(V_1\) erreicht.
Aus Sicherheitsgründen drehen sich die Flügel nicht schneller, wenn die Windgeschwindigkeit höher als \(V_2\) ist.
Der elektrische Strom erreicht seine höchste Stärke (\(\rm{W}\)), wenn die Windgeschwindigkeit \(V_2\) ist.
Die Flügel hören auf, sich zu drehen, wenn die Windgeschwindigkeit \(V_3\) erreicht.
Welche der folgenden Abbildungen stellt den Zusammenhang zwischen Windgeschwindigkeit und erzeugtem elektrischen Strom unter diesen Betriebsbedingungen am besten dar?
Joachim Herz Stiftung
Abb. 3 Welcher Betriebsmodus ist am günstigsten für die Energieausbeute?
c)
Je höher die Lage der Windkraftanlage über dem Meeresspiegel ist, desto langsamer drehen sich die Flügel der Windkrafträder bei der gleichen Windgeschwindigkeit.
Welcher der folgenden Gründe erklärt am besten, warum sich die Flügel der Windkrafträder an höher gelegenen Orten bei der gleichen Windgeschwindigkeit langsamer drehen?
A)
Die Luft verliert mit zunehmender Höhe an Dichte.
B)
Die Temperatur ist mit zunehmender Höhe niedriger.
C)
Die Schwerkraft wird mit zunehmender Höhe geringer.
D)
Es regnet mit zunehmender Höhe öfter.
d)
Beschreibe einen besonderen Vorteil und einen besonderen Nachteil der Erzeugung elektrischen Stroms mit Hilfe von Windenergie im Vergleich zur Stromerzeugung mit Hilfe fossiler Brennstoffe wie Kohle oder Öl.
Erläuterung (war nicht verlangt): Die relativ hohe, zeitlich nicht zu stark schwankende Windgeschwindigkeit in C stellt eine optimale Voraussetzung für die Gewinnung von Windenergie dar.
b)
Richtige Antwort: B
Erläuterung (war nicht verlangt):
Für \(v < v_1\) drehen sich die Flügel noch nicht. Es wird noch kein elektrischer Strom erzeugt. Damit scheiden A und D aus. C scheidet aus, da für \(v > v_2\) der Strom nicht kleiner wird, sondern größer werden müsste. Wegen der Bedingung 3 ist der Strom jedoch auf den Höchstwert \(W\) begrenzt. Daher ergibt sich ein Plateau wie in Bild B.
c)
Richtige Antwort: A
Erläuterung (war nicht verlangt):
B)
Die Temperatur der Luft ist nicht für den Energieübergang von der Luft auf den Rotor maßgebend.
C)
Die Abnahme der Schwerkraft mit der Höhe ist in Höhen die unter 1000 m liegen vernachlässigbar.
D)
Die Aussage D stimmt nicht.
d)
Mögliche Antworten für einen Vorteil
Setzt kein Kohlendioxid (CO2) frei.
Verbraucht keine fossilen Brennstoffe.
Die Ressource Wind wird nicht aufgebraucht.
Nach Errichtung des Windkraftwerkes sind die Kosten zur Stromerzeugung gering.
Keine Abfallprodukte und/oder keine giftigen Substanzen werden ausgestoßen.
Verwenden von Naturkräften oder sauberer Energie.
Umweltfreundlich und hält für eine sehr lange Zeit.
Mögliche Antworten für einen Nachteil:
Erzeugung auf Bestellung ist nicht möglich (weil die Windgeschwindigkeit nicht kontrolliert werden kann).
Gute Stellen für Windkrafträder sind begrenzt.
Das Windkraftrad könnte durch zu starken Wind beschädigt werden.
Die Strommenge, die durch jedes Windkraftrad erzeugt wird, ist relativ gering.
In manchen Fällen tritt Lärmbelästigung auf.
Elektromagnetische Wellen (z.B. TV-Wellen) können in manchen Fällen beeinträchtig werden.
