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TechnikInnovative Lösungen für Windkraftanlagen

High­tech unter Wind

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Hans-Jörg Munke

Hans-Jörg Munke

freier Journalist

Windkraft hat Zukunft. Das zeigen nicht nur politische Bekenntnisse, sondern auch aktuelle Forschungs­vor­haben. Ausgehend von der Offshore-Technologie entwickeln sich wegweisende Innovationen, die die gesamte Branche verändern werden.

15. Juli 2016

„Der Schwerpunkt der aktuellen Windener­gie­for­schungen liegt eindeutig im Offshore-Bereich“, sagt Stephan Barth, Geschäfts­führer von ForWind – Zentrum für Windener­gie­for­schung. Das sehe man sowohl auf nationaler als auch auf europäischer Ebene. Wissenschaftler verschie­dener Universi­täten und Forschungs­ein­rich­tungen machen sich derzeit Gedanken über Turbinen­steue­rungen, optimierte Monitoring- und Wartungs­kon­zepte oder die Gründung von Offshore-Anlagen. „Das lohnt, denn die Kostensen­kungs­po­ten­tiale im Bereich Offshore sind noch deutlich größer als die bei landgestützten Anlagen“, sagt Barth.

Den Betrieb optimieren

Ein Ansatz zur Kostensen­kung ist es beispiels­weise, den Betrieb der Windparks so zu optimieren, dass sie eine maximale Stromaus­beute bei möglichst geringer mechanischer Belastung der Rotoren liefern. „Eigentlich eine Selbstver­ständ­lich­keit, aber bislang wird beim Betrieb von Windparks immer noch auf die einzelne Anlage geschaut“, erklärt Barth. Jede Windturbine versuche aufgrund der aufgezeich­neten Signale für Windrich­tung, Windgeschwin­dig­keit und Rotordreh­zahl die maximale Leistung zu liefern. Es könne aber von Vorteil sein, einige Anlagen in den ersten Reihen eines Parks zu drosseln und mehr Wind für die Anlagen im Windschatten durchzulassen. So ließe sich der gesamte Wirkungs­grad des Parks nach oben bringen – oder der gleiche Wirkungs­grad bei geringerer mechanischer Belastung der vorderen Turbinen erzielen. So würde deren Lebensdauer verlängert. Derzeit werden verschie­dene Regelungs­stra­te­gien intensiv erforscht. Lerneffekt: die Anlagen als Komponenten eines großen Kraftwerks zu sehen.

Ein weiterer Forschungs­schwer­punkt liegt darin, Stillstands­zeiten zu minimieren. Besonders in Offshore-Windparks ist das wegen des erhöhten Wartungs­auf­wands ein Problem. Fällt die Windsensorik einer Mühle aus, weiß die Anlage nicht mehr, aus welcher Richtung der Wind kommt und wie stark er weht. Die Folge: abschalten. Das sei aber nicht notwendig, denn die Information könne auch von den Anlagen im Umkreis geliefert werden, erläutert Windenergie-Experte Barth. Aus den Werten der Nachbar-Mühlen in 500 Metern Abstand könnten dann die Daten für betroffene Anlage berechnet werden. 

Längere Lebensdauer dank Hightech-Monitoring

Hohe Kosten verursachen auch Verschleiß und Rissbildung in den Rotorblät­tern. Eine Folge hoher mechanischer Beanspru­chung. Könnten die betroffenen Komponenten dagegen mitteilen, wie viel Belastung bereits erfolgt ist und wie das die Lebensdauer beeinflusst, ließen sich die Windräder durch gezieltes Drosseln länger nutzen. Um das zu erreichen, müssten Glasfaser­lei­tungen in die Rotorblätter integriert werden, so der Experte. Leuchtet man an bestimmten Stellen mit einem Laser hinein, lassen sich Veränderungen erkennen, denn bei Rissen ändert sich das Schwingungs­ver­halten der Blätter. Zurzeit kann man zwar Änderungen detektieren, eine Zuordnung des Fehlers zu den Signalmus­tern ist allerdings noch nicht eindeutig möglich. „Das ist eine große Baustelle“, so Barth. „Jede größere Windenergie-Forschungs­ein­rich­tung weltweit befasst sich aktuell mit diesen Themen.“ 

Wegen der zunehmenden Größe der Rotorblätter – mittlerweile mehr als 80 Meter – sind Versuche schwierig. Daher plant ForWind gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt einen küstennahen Forschungs­wind­park mit einer hochentwi­ckelten Sensorik, um möglichst alle Zustände detailliert zu erfassen und Rückschlüsse von der Art der Signale auf die Schädigungen ziehen zu können. Experten schätzen, dass es noch fünf bis zehn Jahre braucht, bis es Systeme gibt, mit denen die Restlebens­dauer großer Komponenten zuverlässig abgeschätzt werden kann. 

Neben Betrieb und Monitoring ist bei Offshore-Windparks das Standkon­zept ein großer Kostenpunkt, denn je nach Meerestiefe wird für die Gründung sehr viel Material benötigt. Damit einher geht erheblicher Aufwand für Konstruk­tion, Produktion und Transport. Für Wassertiefen von 30 bis 40 Metern, wie sie in der deutschen Bucht herrschen, werden daher aufgelöste Fachwerk­struk­turen entwickelt, die aus vielen Einzelele­menten bestehen. Hier richten sich Forschungs- und Entwicklungs­vor­haben auf die Frage, wie man solche Fachwerk­struk­turen aus möglichst identischen Einzelkom­po­nenten realisiert und durch Schweißro­boter-Systeme automati­siert mit einer hohen Qualität in der Fertigung herstellen kann. Denn Handarbeit durch Schweißer wäre auf Dauer zu teuer. Zudem gibt es zahlreiche Entwicklungen, die zukünftig auch im großen Stil schwimmende Anlagen möglich machen werden. 

Augen für den Wind

Eine erheblich kostensen­kende Innovationen wird auch der Einsatz laserbetrie­bener Geschwin­dig­keits­mes­sung in Windrädern sein, ist sich Barth sicher. Denn bislang laufen die Rotoren quasi im Blindbetrieb. Windgeschwin­dig­keit und -richtung werden auf der Gondel hinter dem Rotor gemessen. Kommt eine starke Windböe, kann die Anlage erst nach dem Eintreffen darauf reagieren. Eine schnelle Regelung durch das Verstellen der Blätter verhindert das Schlimmste und reduziert die Belastung. Stephan Barth beschreibt es so: „Das ist, als würde man mit dem Auto erst lenken, wenn man die Straße schon verlassen hat. Tatsächlich kann man Kurven aber schon hundert Meter im Voraus erkennen und sich darauf einstellen. Dank Fernerkun­dungs­tech­no­logie kann man zukünftig per Laser in den Wind hineingu­cken.“ Dort finden sich immer kleine Staubteil­chen, Wassertröpf­chen oder Pollen, die sich ideal mit dem Wind mitbewegen. Misst man deren Bewegung, weiß man, wie schnell der Wind ist. 

Die Technologie ist mittlerweile so sensitiv, dass sie bis zu zehn Kilometer weit reicht. Zukünftig wird sie in den Turbinen standard­mäßig verbaut. So können diese in den Wind hineinsehen und erkennen, wenn sich ein Windfeld mit Böen oder eine starke Scherung nähert. Damit wird eine prophylak­ti­sche Reaktion möglich. Sobald das zuverlässig gehe, ließen sich die Sicherheits­margen in der Konstruk­tion deutlich senken. Damit spare man viel Material und das verringere die Kosten erheblich, resümiert der Windenergie-Experte.

On- und Offshore: Die Kombination ist sinnvoll

Trotz aller Fortschritte der Offshore-Technologie bleibt die Kombination von Windenergie auf Land und See sinnvoll. Auch wenn auf See der Wind mit 4.500 bis 5.000 Volllast­stunden pro Jahr stärker und gleichmä­ßiger weht als an Land mit 2.000 bis 3.000 Volllast­stunden pro Jahr. Der Vorteil der Kombination liegt in einer besseren Trennung der Wetterge­biete. Denn über Land haben alle nordeuro­päi­schen Länder etwa ähnlich Bedingungen. Zwischen der Nordsee und dem Festland gibt es jedoch oftmals große Unterschiede. Darüber lässt sich eine Vergleich­mä­ßi­gung der Stromerzeu­gung realisieren, die die Kosten im Gesamtsystem senkt, weil weniger in konventio­nelle Schatten­kraft­werke oder in Speicher­tech­no­lo­gien investiert werden muss. 

Gute Aussichten, findet Stephan Barth. Für den Geschäfts­führer von ForWind sind Forschung und Entwicklung das Geschäft. „Da gibt es so viele Dinge, die heute noch nicht gemacht werden.“ Die Technolo­gie­ent­wick­lung sei in diesem Bereich noch lange nicht zu Ende. „Es geht immer weiter.“