Strom aus Windenergie
Teil 2: Regelung, Stromerzeugung und Konstruktion des Triebstranges
Die deutschen Windturbinen erzeugten im vergangenen Jahr Energie in einer Höhe von insgesamt 77,5 TWh, rund doppelt soviel wie die Photovoltaikanlagen. Die Windenergie ist die mit Abstand wichtigste regenerative Stromquelle, und der Ausbau geht stetig voran.
Der Asynchrongenerator war bis etwa 1995 vorherrschend, aber als ab 1993 in Deutschland die drehzahlvariablen Windturbinen ohne Getriebe aufkamen, gewann mit ihnen der Synchrongenerator an Bedeutung, denn dieser wird grundsätzlich in getriebelosen Windturbinen eingesetzt.
Etwa seit 15 Jahren herrscht auf dem Markt ein Wettbewerb der Systeme: auf der einen Seite die Anlagen mit Getriebe und doppeltgespeistem Asynchrongenerator, auf der anderen Seite die Anlagen ohne Getriebe mit Synchrongenerator.
Als die Getriebeschäden sich häuften, schien es so, als würden sich die direkt angetriebenen Systeme durchsetzen. Aber es gelang den Getriebeherstellern, den Schäden vorzubeugen und die Lebensdauer zu verlängern. Außerdem stellte sich heraus, dass die Masse der direkt angetriebenen Generatoren mit zunehmender Leistung überproportional anwächst. Obwohl der Direktantrieb des Generators kein Getriebe braucht, entsteht die paradox erscheinende Situation, dass die getriebelosen Anlagen tendenziell teurer sind als die Anlagen mit Getriebe.
Deshalb hat der „traditionelle“ Triebstrang, der aus Hauptwelle, Getriebe und Generator besteht, noch immer die Nase vorn, wenn man die Leistung als Maßstab nimmt. Die zurzeit weltgrößte serienmäßig hergestellte Windturbine (9,5 MW) ist so aufgebaut, während die größte getriebelose Windturbine „nur“ 8 MW leistet.
Beiden Generatorsystemen ist gemeinsam, dass ein Umrichter erforderlich ist, um die Turbinendrehzahl von der Netzfrequenz zu entkoppeln, sodass eine Einspeisung ohne Netzrückwirkungen möglich ist.
Antriebstrang
Der Rotor treibt die zentrale Hauptwelle an, die zusammen mit dem Getriebe und dem Generator den Antriebsstrang bildet. Die Hauptwelle ist nicht horizontal gelagert, sondern verläuft vom Generator zum Rotor hin ansteigend (Bild 4). Dieser kleine Elevationswinkel ist notwendig, um zu verhindern, dass die am Turm vorbeistreichende, durch die Auftriebskräfte nach hinten gebogene Spitze des Rotorblattes den Turm berührt.
Der Antriebsstrang befindet sich im Maschinenhaus (Gondel), das auf dem Turmkopf drehbar gelagert ist. Rotor und Gondel bilden eine Einheit, die durch Azimutmotoren aktiv in den Wind gedreht wird.
Diese Konstruktion war lange Zeit vorherrschend, doch seit etwa 25 Jahren gewinnt der Direktantrieb, also der Verzicht auf das Getriebe, stetig an Bedeutung. Das erfordert jedoch den Einsatz eines langsam laufenden Generators, der aufgrund seines großen Durchmessers und seiner entsprechend hohen Polzahl auch bei niedriger Drehzahl in der Lage ist, eine hohe elektrische Leistung zu erreichen. Die getriebelose Windturbine ist wesentlich einfacher aufgebaut (Bild 5) als die Windturbine mit Getriebe.
Die Leistung des Generators wird meist direkt zum Turmfuß abgeführt, wo sich der Umrichter und der Transformator befinden. In der Gondel großer Windturbinen (Bild 6) ist aber auch Platz für den Umrichter und sogar den Transformator. Das hat den Vorteil, dass die Leistung mit Mittelspannung und relativ geringer Stromstärke abgeführt werden kann, sodass im Turm keine starken Kabel erforderlich sind.
Die Brandgefahr ist jedoch höher, wenn alle elektrischen Komponenten in der Gondel untergebracht sind. Ein Brand der Gondel, die sich meist in 100 m oder noch größerer Höhe befindet, kann vom Boden aus nicht gelöscht, sondern lediglich durch automatische Löscheinrichtungen eingedämmt werden. Meist lässt man die Gondel abbrennen. Deshalb meiden viele Hersteller das Risiko, die gesamte Elektrik in der Gondel zu installieren.
Autor: D. Koenemann
Literatur:
[1] Koenemann, D.: Strom aus Windenergie. Teil 1: Potential, Topographie und die treibende Kraft des Rotors, Elektropraktiker, Berlin 71 (2017) 9, S. 735–739.
