Aufgabe Vorschlag A - 1 - Windenergie · Abitur Hessen Umwelttechnik LK 2022

1.1 Skizzieren Sie den grundlegenden Aufbau einer WKA und beschriften Sie zehn wesentliche Bestandteile.

Lösung: Zehn wesentliche Bestandteile einer Windkraftanlage: Rotorblatt, Rotornabe, Blattverstellung, Getriebe, Bremse, Messinstrumente, Generator, Gondel, Windrichtungsnachführung, Turm, Aufstieg, Netzanschluss, Fundament.

1.2 Erläutern Sie fünf Standortkriterien bei der technischen Planung eines Windparks.

Lösung: Fünf Standortkriterien, z. B.: - Erschließung des Standorts (Transport und Logistik für sehr große Bauteile). - Notwendige Abstände zu Ortschaften (Schall- und Immissionsschutz). - Topographie des Geländes (Berg- oder Tallage, Rauigkeit, Windverhältnisse). - Ausreichender Windertrag (nachgewiesen durch vorhergehende Messungen von Windgeschwindigkeit und Windrichtung über einen längeren Zeitraum). - Mindestabstände zwischen den Windrädern (Vermeidung von Nachlaufdellen / Abschattung).

1.3 Nennen Sie fünf Probleme, die die Windenergieerzeugung mit sich bringt, und stellen Sie Lösungsmöglichkeiten dar.

Lösung: Fünf Probleme und Lösungsmöglichkeiten, z. B.: 1. Verspargelung / Landschaftsverbrauch: Regionalplanung, Höchstgrenzen, weniger und dafür größere Anlagen, Offshore-Ausbau. 2. Negative Auswirkungen auf Vögel und Fledermäuse: Standortwahl außerhalb von Vogelschutzgebieten, Abschaltung beim Vogelzug. 3. Geräuschentwicklung / Schall: Ausreichende Abstände zu Wohngebieten, schalloptimiertes Design der Rotorblattspitzen. 4. Schattenwurf / Disco-Effekt: Softwaregestützte Standortplanung, Abschaltung bei tieferstehender Sonne. 5. Große Entfernungen zwischen Erzeugung und Verbrauchern: Ausbau von HGÜ-Leitungen, höhere Anlagen im Süden. 6. Fluktuierende Einspeisung / wechselndes Windangebot: Windprognosen, Regelleistung durch Speicher oder Backup-Kraftwerke.

1.4 Vergleichen Sie vereinzelt aufgestellte Windkraftanlagen mit räumlich konzentrierter Aufstellung in einem Windpark hinsichtlich drei verschiedener Aspekte.

Lösung: Vergleich hinsichtlich dreier Aspekte, z. B.: - Räumliche Erschließung und Infrastruktur: Vereinzelt höhere Kosten pro WKA für Wege- und Netzanschluss; konzentriert geringere Gesamtkosten durch Bündelung der Infrastruktur. - Landschaftsverbrauch und -wirkung: Vereinzelt weniger lokaler Eingriff, aber Zersiedelung vieler Gebiete; konzentriert stärkere Verspargelung einer Region, aber Schonung anderer Flächen. - Energieerzeugung und Aerodynamik: Vereinzelt keine gegenseitige Beeinflussung (kein Windschatten); konzentriert Abschattungseffekte zwischen den Anlagen im Park, dafür konzentrierte Netzeinspeisung.

1.6 Berechnen Sie die Anzahl der Haushalte, die durch die vier Windkraftanlagen theoretisch mit Strom versorgt werden können.

Lösung: $10\,000$

1.6 Beurteilen Sie das Gesamtkonzept des Pilotprojekts Naturstromspeicher Gaildorf.

Lösung: Beurteilung des Gesamtkonzepts, z. B.: - Positive Aspekte: - Speicherung überschüssiger Windenergie in unmittelbarer Nähe der WKA (minimale Übertragungsverluste). - Entfall eines großen Eingriffs für ein herkömmliches Oberbecken durch Integration der Speicher in die Turmfundamente. - Bereitstellung von Regelleistung und Glättung von Schwankungen bei fluktuierendem Wind. - Kritische / begrenzende Aspekte: - Sehr hohe Investitionskosten für die Pilottechnologie. - Speicherkapazität reicht bei längeren Windflauten nicht für längerfristige Versorgung aus. - Bei $12\,000$ Einwohnern deckt die Kapazität rechnerisch zwar viele Haushalte ab, aber die volatile Erzeugung erfordert dennoch externe Netzanbindung.

1.7 Diskutieren Sie die Sinnhaftigkeit einer solchen Nutzung der Windenergie am Bahrain World Trade Center.

Lösung: Diskussion zur gebäudeintegrierten Nutzung: - Positive Aspekte: - Direkte Erzeugung am Verbraucher ohne weite Transportwege. - Aerodynamische Gebäudeform (Trichterwirkung) leitet und beschleunigt den Wind optimal zu den Rotoren. - Negative / kritische Aspekte: - Schallemissionen und Vibrationen direkt am Gebäude führen zu Belästigungen der Nutzer. - Periodischer Schattenwurf (Disco-Effekt) beeinträchtigt Arbeitsplätze im Gebäude und in Nachbargebäuden. - Fehlende Windnachführung senkt den Jahresertrag bei wechselnden Windrichtungen deutlich. - Niedrige Nabenhöhe der unteren Rotoren im Bereich geringer Windgeschwindigkeiten. - Sehr hoher baulicher Aufwand und geringe Rotordurchmesser im Vergleich zu modernen Großanlagen; Nachrüstung bestehender Gebäude kaum möglich. Fazit: Aus wirtschaftlicher und technischer Sicht sind herkömmliche freistehende WKA wesentlich effizienter, das Konzept hat primär architektonischen bzw. Prestigewert.