Regenerative Energieversorgung

Übergreifend

Regenerative Energieversorgung

  • Was sind die Quellen für erneuerbare Energien?
  • Wie nutzen wir die Sonnenenergie?
  • Woher kommen Wind- und Wasserkraft?
  • Wie sieht die Energiegewinnung der Zukunft aus?

Geschichte der Wasserkraft

Obwohl die Erfindung des Rades schon mehr als 5000 Jahre zurückliegt, wird die Nutzung der Energie des Wassers mit Hilfe von Wasserrädern erst seit etwa 3500 Jahren betrieben (Wasserrad zum Schöpfen von Wasser in Mesopotamien). Ein Grund für die vergleichsweise späte Einführung dieser Technik ist u.a. in den billigen Arbeitskräften zu suchen, die in dieser Zeit zur Verfügung standen (Sklaven). Selbst noch im Mittelalter wurden große Hebemaschinen nur mit Menschenkraft betrieben (vgl. Bild: Tretrad, in dem Menschen - ähnlich wie Hamster im Laufrad - ihr Eigengewicht zum Heben einsetzen mussten).

Zunächst wurden die Wasserräder nur als Schöpfräder (vgl. Abbildung) zum Bewässern in der Landwirtschaft eingesetzt. Dann fanden sie Einzug in Getreidemühlen, bei denen die Rotation des Wasserrades in eine Rotation des Mahlsteins umgesetzt werden konnte.

Erst als es gelang die Rotationsbewegung in eine Hin- und Herbewegung umzuwandeln setzten sich die Wasserräder (ab dem 8. Jahrhundert) als häufigsten Antriebsmaschine durch. Bei einer Hammerschmiede dreht das Wasserrad eine Welle mit Nocken (früher als "Daumen" bezeichnet), welche über ein Hebelwerk einen schweren Hammer anheben kann. Der Hammer fällt dann durch sein Eigengewicht auf das zu bearbeitende Werkstück.

Während die Wasserräder der Römer eine Leistung von ca. 2 kW erbrachten, hat man im Mittelalter schon Wasserräder mit etwa der dreifachen Leistung herstellen können. Allein in Europa liefen im 18. Jahrhundert ungefähr eine halbe Million Wasserräder. Ob zum Mahlen von Getreide, zum Betreiben großer Hämmer in Schmieden oder nur zum Schöpfen von Wasser, überall wurden sie eingesetzt. Wasserräder konnten natürlich nur an Wasserläufen erbaut werden. Ihr Betrieb war stark davon abhängig, ob gerade genügend Wasser zur Verfügung stand. Erst mit der Einführung der Dampfmaschine im 19. Jahrhundert, die nicht an örtliche Gegebenheiten gebunden waren, verloren sie ihre Bedeutung.

Ab 1825 wurden die ersten Wasserturbinen gebaut. Sie zeichnen sich gegenüber den Wasserrädern durch einen höheren Wirkungsgrad aus und sind zum Betrieb der in diesem Jahrhundert aufkommenden elektrischen Generatoren geeignet. In den modernen Wasserkraftwerken stellen die Turbinen eines der wichtigsten Elemente bei der Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie dar.

Geschichte der Windenergie

Bilder zum Teil aus Strombasiswissen: "Strom aus Wind"

Die Erfindung des Segels

Zu den Zeiten, wo es noch kaum Wege und Straßen gab, wurde für den Transport von Lasten hauptsächlich das Wasser benutzt. Schon seit etwa 4000 Jahren nutzt man den Wind als Antriebsquelle, indem man Segel auf die Schiffe setzte.

Die Bedeutung des Windes als Energiequelle war früher weitaus größer als heute. Bis ins 19. Jahrhundert war die Schifffahrt fast ausschließlich eine Segelschifffahrt. Der antike Fernhandel im Mittelmeer oder entlang der afrikanischen Küste, aber auch die Entdeckung Amerikas wären ohne Windkraft nicht möglich gewesen. Große Seemächte wie z.B. England hätten sich ohne Segelschiffe erst gar nicht etablieren können.


Älteste Abbildung eines Segelbootes auf einer ägyptischen Vase (ca. 3000 v. Chr.)

Die ersten Windmühlen

Es lag nahe die Kraft des Windes auch auf dem Land z.B. zum Mahlen von Getreide oder zum Heben von Wasser auszunutzen. In Persien und Afghanistan wurden die Segel zunächst an Rädern mit vertikaler Achse befestigt erst später ging man zu den horizontalachsigen Windrädern über. Durch die Araber und die Kreuzritter kam die Kenntnis von den Windmühlen nach Europa. Dabei spielten die Klöster bei deren Verbreitung eine entscheidende Rolle. Der Rotor der im 12. Jahrhundert üblichen Mühle bestand aus vier Blättern, die vom Wind frontal angeblasen wurden. Durch die leichte Schrägstellung der Blätter erreichte man eine senkrecht zur Windrichtung wirkende Auftriebskraft, die den Rotor in eine Drehbewegung versetzte. Bei den frühen Windmühlen blieb die Ausrichtung der Rotorfläche starr, stets senkrecht zur Hauptwindrichtung. Wenn der Wind von einer anderen Richtung wehte, so funktionierte die Mühle nicht.

Die Bockwindmühle

Im Mittelalter begann man dann, die ganze Mühle drehbar zu machen, indem man sie auf einen hölzernen Bock oder steinernen Sockel setzte. Der früheste Bericht über eine verstellbare Windmühle in Europa datiert auf dem Jahre 1105. Eine Bockwindmühle konnte nicht sehr groß und stabil gebaut werden, da die Verbindung zwischen Bock und Mühlenhaus bei größerer Windstärke technische Schwierigkeiten bot: Bock und Mühlenhaus konnten dann nur schwer gegeneinander bewegt werden. Der Müller einer Bockmühle, der für einen reibungslosen Betrieb verantwortlich war, musste zugleich ein geschickter Zimmermann sein, um sie stets in Betrieb halten zu können. Bei schwierigen Reparaturen konnte er den Mühlenarzt - diese Bezeichnung war damals allgemein üblich - rufen.

Die Holland-Mühle

Die ersten Ideen, feste Mühlenhäuser zu bauen und nur das Mühlendach mit den Windflügeln drehbar aufzusetzen, stammen schon aus der Zeit um 1500. In Leonardo da Vincis Skizzenbüchern finden sich hiervon angedeutete Vorschläge. Diese Konstruktion setzt sich jedoch erst seit dem 17. Jahrhundert als holländische Windmühle stärker durch. Typisch ist das meist achteckige feste Mühlenhaus und die aufgesetzte flache Haube, die gegenüber dem Haus drehbar war. In der Haube war das Windrad gelagert. Es genügte, den Rotor mittels des aus der Haube herausragenden Mühlenbalkens in die richtige Position zu bringen. Die Bedienung von Mühlenbalken und Flügeln erfolgte in der Regel von einer Galerie aus, die über das Sockelgeschoß der Mühle hinausragte.

Ein großer Fortschritt für den Mühlenbetrieb war die Erfindung des Seitenrades (kleiner Rotor der gegenüber dem großen Rotor um 180° versetzt ist). Wenn der große Rotor frontal vom Wind angeblasen wird, empfängt das Seitenrad kaum Wind, es dreht sich kaum. Kommt aber der Wind von der Seite, so dreht sich das Seitenrad und setzt eine Mechanik in Betrieb, die den großen Rotor so dreht, dass er wieder frontal vom Wind erfasst wird.

Die Windgeschwindigkeit ändert sich häufig, zu starke Winde könnten den Rotor zerstören. Durch Verkleinerung der Rotorflächen kann man dieser Gefahr vorbeugen. Anfang des 18. Jahrhunderts baute man daher Klappenflügel, deren Klappen durch Federdruck in den Wind gehalten wurden bis sie bei einem bestimmten Winddruck nachgaben und so automatisch die Leistungsaufnahme verminderten.

Noch Ende des 19. Jahrhunderts waren in Deutschland ca. 20000 Windmühlen in Betrieb. Sie stellten in geeigneten Gegenden die wichtigste Antriebsquelle dar. In Holland setzte man die Mühlen hauptsächlich zur Entwässerung ein. Die Spannweite der Flügel erreichte bis zu 30m, dabei wurden Leistungen bis zu 35 kW erreicht.

Das Westernrad

Fast ein Symbol des "Wilden Westens" war im 19. Jahrhundert ein Windrad, das vorwiegend zum Pumpen von Wasser auf den Farmen eingesetzt wurde. Es hat eine horizontale Achse und bis zu 30 einfachst gebogene Blechflügel. Der Rotor wird über eine Windfahne der sich ändernden Windrichtung nachgeführt. Die Drehbewegung wird in eine Auf- und Abbewegung einer Pumpkolbenstange umgewandelt. Auf diese Weise ist es möglich Wasser bis aus 35m Tiefe zur Oberfläche zu pumpen.

Die Leistungen der Räder betrug 0,5 - 1 kW. Durch die Vielzahl der Blätter liefen die Anlagen auch bei geringen Windstärken. Allerdings dreht sich der Rotor relativ langsam (Langsamläufer). Die Rotationsgeschwindigkeit der Blattspitzen entsprach ungefähr der Windgeschwindigkeit.

Moderne Schnellläufer

Die oft unberechenbare Windenergie wurde im ausgehenden 19. Jahrhundert durch die Energie von fossilen Trägern (Kohle und insbesondere Erdöl) ersetzt. Erst nach dem ersten Ölpreisschock 1973 setzten weltweit wieder verstärkte Bemühungen um die Förderung und Weiterentwicklung der Windenergie ein. Heute wird sie als eine Möglichkeit zur Reduzierung der Freisetzung des klimaschädlichen Kohlendioxids angesehen. Die modernen "Windkonverter" werden fast ausschließlich zur Erzeugung von elektrischer Energie eingesetzt. Es handelt sich um sogenannte Schnellläufer bei denen Rotationsgeschwindigkeit der Blattspitze etwa 6 bis 12 mal so groß ist wie die aktuelle Windgeschwindigkeit. Ein moderner Windkonverter hat nur wenige aerodynamisch ausgefeilte Rotorblätter.

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