Tauernwind nutzt Windkraft im Tauernwindpark, Windenergie erzeugt Windstrom

Technische Entwicklung

Seit 1990 geht die Entwicklung rasant. Binnen 5 Jahren konnte das Gewicht von Windkraftanlagen und binnen drei Jahren die Schallentwicklung halbiert werden.

Der jährliche Energieertrag pro Anlage hat sich in 15 Jahren verhundertfacht! Wo vor wenigen Jahren noch die 500 kW-Anlage eine Sensation darstellte, ist heute die 1,5 bis 2 MW Klasse Standardgröße.

Der Prototyp einer 4,5 MW-Anlage, die imstande sein wird, 3 000 Haushalte mit Strom zu versorgen, wird noch 2002 in Betrieb gehen.

Versorgungssicherheit

Kein Kraftwerk für sich allein kann eine sichere Energieversorgung garantieren. Sämtliche Kraftwerke wirken deshalb zusammen in einem Gesamtenergienetz.

Nachdem der Wind nicht immer überall gleichmäßig weht, gibt es Schwankungen in der Stromproduktion. Jedoch werden die Generatoren der modernen Windkraftanlagen immer flexibler, so dass Windstärkenschwankungen immer besser ausgeglichen und der Stromoutput immer gleichmäßiger werden.

Genauso wie mit schwankender Stromproduktion muß ein Elektrizitätswerk auch mit Schwankungen im Stromverbrauch umgehen können. Und je mehr Windkraftanlagen am Netz sind, umso besser können kurzfristige Schwankungen einer Anlage durch die Schwankungen anderer Anlagen ausgeglichen werden.

Windkraftanlagen-Typen

Am Markt haben sich mittlerweile die klassischen Horizontalachsen-Windkraftanlagen mit drei Rotorblättern durchgesetzt.

Experimentiert wurde in den Pionierzeiten der Windstromerzeugung mit Vertikalachsen-Anlagen (Nachteile: Windschatten durch den Turm, Verwirbelungen) ebenso wie mit Horizontalachsern mit einem, zwei oder vielen Rotorblättern.

Der Dreiblattrotor ist der Rotor mit der geringsten Blattanzahl, die dynamisch noch einfach beherrschbar ist. Das Trägheitsmoment eines Dreiblattrotors bezüglich des Turms ändert sich während des Umlaufs nicht. Daraus resultieren deutlich geringere schwingungsdynamische Probleme als beim Zweiblatt- oder Einblattrotor. Weitere Argumente für den Dreiblattrotor sind die geringe Geräuschentwicklung aufgrund der geringen Geschwindigkeiten an der Blattspitze und die optische Laufruhe, die zu einer größeren Akzeptanz in der Bevölkerung führt.

Rund 90% der derzeit vorhandenen Windkraftanlagen laufen mit drei Rotorblättern.

Pitch-Regelung = Blattwinkelregelung

Ein elektronischer Regler mißt permanent die Leistungsabgabe der Anlage. Wenn sie zu hoch ist, werden die Rotorblätter leicht aus dem Wind gedreht. Wird der Wind schwächer, werden die Blätter wieder in den Wind gedreht. Sie müssen also um ihre Längsachse drehbar sein.

Dieses System dient nicht nur dem Vermeiden von Schäden bei zu hohen Windgeschwindigkeiten, sondern zur Maximierung der Leistung bei allen Windstärken.

Der Tauernwindpark ist pitchgeregelt.

Stall-Regelung = Regelung durch Strömungsabriss

Die Rotorblätter sind mit einem fix eingestellten Winkel an die Nabe angeschraubt. Die Rotorblattprofile sind in aerodynamischer Hinsicht so ausgelegt, daß sich bei zu starkem Wind an der windabgewandten Seite der Blätter Turbulenzen bilden. Dieser Strömungsabriß läßt die den Rotor treibende Auftriebskraft zusammenbrechen.

Der Vorteil der Stallregelung liegt darin, daß der bewegliche Teil am Rotor und das komplizierte Regelsystem vermieden werden können. Andererseits stellt sie hohe Anforderungen an die Aerodynamik und sind Fragen wie zum Beispiel die der stallerregten Vibrationen, die an der gesamten WKA auftreten, noch nicht geklärt.

Aktive Stallregelung

Die Rotorblätter sind wie bei der Pitch-Regelung verstellbar. Im Unterschied zu dieser aber werden die Blätter bei Erreichen der Nennleistung in die entgegengesetzte Richtung gedreht, sodaß der Anstellwinkel erhöht und der Strömungsabriß verstärkt wird. Damit kann die überschüssige Energie des Windes abgewiesen werden.

Der Vorteil der aktiven Stallregelung besteht darin, daß die Leistungsabgabe genauer geregelt werden kann als bei der passiven Stallregelung. Damit wird der Generator bei Windböen nicht überlastet.

Die Anlage kann bei allen hohen Windgeschwindigkeiten mit Nennleistung betrieben werden, was bei der passiven Stallregelung nicht der Fall ist, weil dort der höhere Strömungsabriß einen stärkeren Leistungsabfall bewirkt.

Die aktive Stallregelung kommt vor allem bei den großen Windkraftanlagen (1 MW und mehr) zur Anwendung.

Getriebe

Zur Umwandlung der Bewegungsenergie des Rotors in elektrische Energie mithilfe eines Generators ist eine Drehzahl von rund 1 500 U/min nötig. Bei Rotordrehzahlen von ca.30-50 U/min wird daher ein Umwandlungsgetriebe benötigt. Es unterteilt die Antriebswelle in eine "langsame" und eine "schnelle" Generatorwelle. Der Wirkungsgrad liegt bei 98% pro Getriebestufe, Energieverluste treten infolge der Reibung der Zahnräder in Form von Wärmeabgabe und Schallemissionen auf.

Es werden auch getriebelose Anlagen angeboten (z.B. Enercon). Dabei kommt ein vielpoliger Ringgenerator zum Einsatz, der infolge eines Gleichstromzwischenkreises drehzahlvariabel betrieben werden kann. Damit ist keine Drehzahlübersetzung notwendig und auf das Getriebe kann verzichtet werden.

Betriebsweise von Windkraftanlagen

Direkte Netzkoppelung

Der Rotor muß mit nahezu konstanter Drehzahl arbeiten und eine Leistungsregelung aufweisen. Dem Generator und damit dem Rotor ist die Drehzahl vom Netz vorgegeben. Daher kann der Rotor nicht immer mit den optimalen aerodynamischen Wirkungsgraden arbeiten, außer man regelt den Rotorblatteinstellwinkel mechanisch. Eine andere Möglichkeit bieten polumschaltbare Generatoren. Sie erlauben den Betrieb mit reduzierter Drehzahl und besserer Strömungsanpassung am Rotor bei niedrigen Windgeschwindigkeiten.

Indirekte Netzkoppelung

Der Vorteil der indirekten Netzkoppelung mittels Wechselrichter-System besteht darin, dass der Rotor mit den Windverhältnissen angepaßten Drehzahlen arbeiten kann. Der vom Synchrongenerator erzeugte Strom mit variabler Frequenz und Spannung muß mittels Wechselrichter über einen Gleichstromzwischenkreis auf die geforderte Frequenz und Spannung gebracht werden. Die dadurch entstehenden Oberwellen müssen mit Hilfe eines Filters unterdrückt werden. Wirkungsverluste im Teillastbetrieb und Kosten des Systems aus Synchrongenerator und Wechselrichter stellen Nachteile dieser Lösung dar.

Offshore

Die Gewinnung von Windenergie im Offshore-Bereich bietet eine sehr vielversprechende neue Perspektive, vor allem für Länder mit einer hohen Bevölkerungsdichte. Die Energieproduktion am Meer ist wegen der geringen Rauhigkeit des Geländes und der Konstanz des Windes um ein Vielfaches höher als am Land. Dafür sind aber die Installationskosten auch noch höher, werden aber durch vermehrte Forschung immer weiter reduziert.

Vor allem auf dem Gebiet der Fundamente hat sich in den letzten Jahren einiges getan, so daß es in absehbarer Zeit sogar wirtschaftlich zu werden scheint, Offshore-Anlagen noch bei einer Wassertiefe von bis zu 15m zu installieren.

Das bedeutendste Potenzial für Offshore-Anlagen in Europa hat Großbritannien, der derzeit größte Offshore-Windpark, Middelgrunden, befindet sich vor Kopenhagen (40 MW inst. Leistung, erwartete Produktion pro Jahr: 99 000 MWh, läuft seit Mai 01).

Dänemark plant, bis zum Jahr 2030 eine Gesamtleistung von 4 100 MW offshore installiert zu haben. Das würde 40 bis 50% des dänischen Stromverbrauchs abdecken.

Generator

Der Generator wandelt die mechanische Drehbewegung des Triebstranges in elektrische Energie um. Je nach Lastbereich können diese Wechselstromgeneratoren Wirkungsbereiche zwischen 90 und 98% erreichen. Es gibt zwei Generatortypen, die hauptsächlich zur Anwendung kommen:

Asynchrongenerator:

erlaubt eine einfache Synchronisation mit dem Netz, ist robust und wartungsarm, benötigt Blindstrom zur Errecgung. Er ist weich ans Netz zu koppeln, hat aber einen geringeren Wirkungsgrad als der Synchrongenerator.

Synchrongenerator:

Hat einen hohen Wirkungsgrad, produziert Blindstrom, kann direkt oder über Wechselrichter ans Netz gekoppelt werden. Er braucht aber eine aufwendige Zusatzeinrichtung, um die Netzsynchronisation zu erreichen, da bei direkter Netzkoppelung alle Leistungsschwankungen direkt ans Netz weitergegeben würden.

Regelung

Windkraftanlagen sollen elektrische Energie so billig wie möglich produzieren. Daher werden sie so gebaut, daß bei Windgeschwindigkeiten um 15 m/s der maximale Ertrag erzielt werden kann. Sie mit einem Maximum bei höheren Geschwindigkeiten zu bauen rentiert sich nicht, da so starke Winde recht selten sind. Bei sehr starkem Wind muß die Leistung der Windkraftanlagen reduziert werden, um Schäden an der Anlage zu vermeiden.

Es gibt bei modernen Anlagen drei Methoden der Leistungsregelung:

- Pitch-Regelung
- Stall-Regelung
- Aktive Stallregelung.