Foto: Siemens Gamesa Renewable Energy

Techniktrends

Windkraft 4.0: 170 Meter Rotordurchmesser und 5,6 Megawatt Nennleistung

Neue Windturbinen kommen mit High-Tech: Hersteller führen intelligent gesteuerte Anlagen mit fünf bis sechs Megawatt ein.

Inhaltsverzeichnis

Tilman Weber

Auf zwei neue Binnenlandanlage kann sich die Windbranche freuen. Hersteller Vensys kommt einer Turbine mit 170 Meter Rotordurchmesser und 5,6 Megawatt (MW) Nennleistung. Das neue Produkt hat das Saarländer Unternehmen in Kooperation mit dessen chinesischem Mutterkonzern Goldwind designt. Die getriebelose Anlage zieht mit dem Rotorrekord für Windkraft an Land gleich, den das deutsch-dänisch-spanische Unternehmen Siemens Gamesa seit Frühjahr durch die Entwicklung einer 5,8-MW-Anlage anpeilt. Auch die Turbine auf dem Foto ist von Siemens Gamesa. Wettbewerber Nordex aus Hamburg kommt derweil mit einem Modell, das mit 163-Meter-Rotor in der Fünf-MW-Leistungsklasse eine so hohe Auslastung verspricht wie noch kein anderes.

Weniger Windstärke zum Volllastbetrieb

Mit 239 Watt pro Quadratmeter überstrichener Rotorfläche braucht das Schwachwindmodell N163 bei fünf MW weniger Windstärke zum Volllastbetrieb als alle Konkurrenzmodelle der Fünf-MW-Klasse. Nur legt sich Nordex auf keinen klaren Nennleistungsbereich fest. Die Anlage entsteht zusammen mit einer Variante mit 149-Meter-Rotor. Abhängig von Windvorkommen und Temperaturen am Anlagenstandort, von Betriebsführungsstrategie oder Einspeise-Richtlinien der Netzbetreiber sollen beide Maschinentypen mit Nennleistungen von bis zu 5,5 und wohl noch mehr MW operieren können.

Intelligente Steuerung

Eine intelligente Steuerung richte jede Anlage individuell mit passenden Betriebsmodi aus, sagt Till Junge, Leiter Produkt-Strategie der Nordex Group: „Diese Flexibilität hätten wir bei der Drei-MW-Plattform mit damaliger Steuerungstechnologie nur mit mehr Aufwand weniger gut erreicht.“ Auch lassen Zertifizierungsverfahren erst heute so flexible Ratings zu.

Nordex ist hier Vorreiter eines technologischen Trends. Hersteller präsentieren seit rund zwei Jahren immer seltener starre Anlagengrößen. Dafür stellen sie MW-Bandbreiten und Rotoroptionen auf der Bauplattform der Fünf-MW-Klasse bereit.

Nordex: Hinter den Rotoren baugleich

„Wir kommunizieren kein Maximalrating mehr“, betont Till Junge. Durchaus könne sich „die Bandbreite der Nennleistungen noch während der Produktentwicklung vergrößern“. Die Serienproduktion ist ab 2021 vorgesehen. Technisch unterscheiden sich die 5.x-Anlagen hinter den verschieden großen Rotoren nicht mehr. Das erhöht das Produktionsvolumen gleicher Bauteile und senkt die Kosten weiter. Unterschiedlich bleibt die Drehzahlübersetzung im Getriebe, weil der größere Rotor langsamer rotiert.

Baugleichheit der Maschinenhäuser

Nordex hatte die Baugleichheit der Maschinenhäuser schon 2015 auf der Drei-MW-Plattform eingeführt. Seither regelt großteils die Steuerung die unterschiedlichen Lastfälle von Mittel- und Schwachwindanlagen. Nur eines ist neu: Zunächst hatte die Entwicklungsflexibilität noch dem Prinzip gedient, für jeden Standort die beste Anlage anzubieten. Das galt auch 2017 für die Vier-MW-Anlagen N149 und N155 mit schon variablem Leistungsbereich von 4,0 bis 4,5 MW. Die 5.x-Anlagen aber sollen sich sogar während ihrer Betriebszeit nachjustieren lassen, um rein wirtschaftlichen Strategien zu dienen: Sie lassen sich um den Preis einer schnelleren Alterung in den Anfangsjahren auf extra hohe Nennleistungen einstellen, um zum Beispiel zur Erfüllung langfristiger Stromlieferverträge mit Industrieunternehmen möglichst viel Strom zu erzeugen. Die so eingestellte hohe Generatorleistung würde die Anlage freilich in ihrer Auslegung nicht über die anvisierte Gesamtlaufzeit durchhalten.

Höhenbegrenzungen und Lärmschutz

Nach Ablauf dieser Power Purchase Agreements würde Nordex die Nennleistung daher absenken, um die Anlage lastärmer zu führen und langsamer abzunutzen. Den kleineren Rotor wählen Kunden hingegen fast nur noch, wo Höhenbegrenzungen und Lärmschutz den größeren verhindern. Zu prüfen bleibt freilich jeweils, ob sich die Mehrkosten des größeren Rotors am konkreten Standort durch die Mehrerträge auch übertreffen lassen.

Wartungsfreundlichere Anlagenbauteile

Kosten sparten die Nordex-Entwickler auch, indem sie die Vier-MW-Plattform beibehielten und durch höhere Generatorspannung von 750 statt der bisherigen 690 Volt und verbesserte Kühlung zur Delta 4.000 5.x erweiterten.

Sowohl der deutsche Windkraftmarkt als auch feste Turbinengrößen verlieren ihre Bedeutung. Wichtiger werden Details: Wartungsfreundlichere Anlagenbauteile. Der Umzug von Transformator und Umrichter vom Turmfuß ins Maschinenhaus, was Leitungsverluste vermeidet.

Geteilte Rotorblätter

Das Für oder Wider geteilter Rotorblätter, die mit Kohlefasergurten in den Glasfaserschalen verstärkt werden. Oder die Frage, in welchen Projekten die Unternehmen neue Turbinen-Einsatzkonzepte einführen: Nordex in einem Pilotwindpark in Hamburg mit angeschlossenem Batteriespeicher, Wettbewerber Enercon in intelligenten Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge, Siemens Gamesa im Windenergie-Speicher mit sich erwärmenden Steinen ebenfalls in Hamburg und Vensys oder Vestas in einer fein austarierten regionalen Vollversorgung durch Windturbinen, Solaranlagen und Batterien.

Flexibilisierung und erhöhte Entwicklungsgeschwindigkeit

Dass Flexibilisierung mit erneut erhöhter Entwicklungsgeschwindigkeit einhergeht, führte paradoxerweise Vensys vor. Die Goldwindtochter legt sich noch auf detaillierte Turbinenbaugrößen fest. Zu ihrer 5S-Plattform gehören die Mittelwindanlage VE 155-6.2 MW und die Schwachwindturbine VE 170-5.6 MW. Flexibel und schnell zeigt sich Vensys durch den gewaltigen Sprung, den die Fünf-MW-Plattform bedeutet: 25 Prozent mehr Rotordurchmesser, plus 51 Prozent Nennleistung gemessen an den größten Anlagen VE 136-3.5 MW und VE 115-4.1 MW der Drei-bis Vier-MW-Plattform. Und dabei fängt deren Serienproduktion gerade erst an.

Vestas: Erste neue Plattform seit 2011

2019 hatte Vestas die Klasse Fünf-MW-Plus vorgestellt. Unter dem Seriennamen Enventus wird der dänische Hersteller ab diesem Jahr die V150-5.6 MW produzieren und ab 2021 die V162-5.6 MW. Auffällig: Beide Modelle tragen zwar im Namen die Durchmesser deutlich unterschiedlich großer Rotoren. Doch bei gleicher Nennleistung und gleicher Zuordnung zur Windklasse IEC S sollen beide sowohl bei niedrigem als auch mittlerem Windvorkommen Strom erzeugen. Und bei extensivem Gebrauch können es beide sogar in Starkwindlagen.

Modernste Steuerungstechnologie

Auch hierbei ist modernste Steuerungstechnologie entscheidend. Vestas bezeichnet Enventus als erste neue Turbinenbauplattform des Unternehmens seit 2011. Das Design ähnelt dem der Offshore-Anlage V164 der Dänen. Der Triebstrang ist ein nur zweistufiges mittelschnell drehendes Getriebe. Die zwei Planetenstufen lassen sich laut Thomas Korzeniewski mit einer variablen Anzahl von Planetenzahnrädern bestücken. Im Gespräch sind bis zu fünf pro Stufe. Der Vice President für Produktstrategie bei Vestas erklärt: „Wir werden anfangs nicht die volle mögliche Planetenzahl ausschöpfen, um Potenzial für künftige Leistungssteigerungen auf der Plattform zu haben.“

Immer größere Anlagen - zunehmende Lasten

Mit einer höheren Zahl der um ein mittiges Sonnenzahnrad kreisenden Planeten versuchen Getriebebauer derzeit, die bei immer größeren Anlagen zunehmenden Lasten im Getriebe gleichmäßiger auf die Planeten zu verteilen. Sie fallen kleiner aus, was Gewicht und Kosten spart. Das zweistufige Enventus-Getriebe ist mittels einer Radialkupplung direkt und in einer Linie mit dem Generator verbunden. Dies erübrigt die bisherige Stirnradstufe, die das Drehmoment auf einen seitwärts versetzten Generator überträgt.

Zur Rotorblatt-Gretchenfrage „Teilen oder nicht?“ hält sich Vestas noch alle Optionen offen. Die Branche ist bei den quer zur Länge zweigeteilten und auf der Baustelle montierten Blättern vorsichtig, weil die Schnittstelle gesonderte Wartung erfordert. Dafür präsentierte Vestas in Husum als Neuheit den abgespannten Stahlzylinderturm Cable Stayed Tower.

Kosten der wachsenden Türme reduzieren

Das Konzept soll die Kosten der wachsenden Türme deutlich reduzieren: Durch die Abspannung lassen sich schlichte konventionelle Stahlzylindertürme mit einem so geringen Durchmesser errichten, dass sämtliche Turmsegmente weiterhin im Straßenverkehr unter den Brücken hindurchpassen. Im finnischen Waldgebiet Vänemak errichtet Vestas die erste abgespannte Kundenanlage: 4,2 MW, 150 Meter Rotordurchmesser, 175 Meter Nabenhöhe. Die Abspannung mit drei dutzende Meter ausgreifenden Drahtseilen begrenzt den Turmfußdurchmesser auf vier Meter.

Dieser Artikel ist Teil eines Artikels aus unserem Print-Magazin. Sie können bestimmte Hefte wie dieses nachbestellen, falls Sie kein Abonnement besitzen. Falls Sie sich generell ansonsten einen Eindruck von unserem Heft machen wollen, erhalten Sie hier ein kostenloses Probeheft unserer nächsten Ausgabe.