Know-how

Dr.-Ing. habil. Joachim Krause,

Windkraft – Stütze der Energiewende

Fossile Energieträger (Braun-/Steinkohle u. a.) zerstören die Umwelt und erzwingen den bedingungslosen Einsatz erneuerbarer Energien EE (Wind, Sonne, Wasser, Bio-Masse, Geothermie, Umgebungswärme/Harvesting, Wasserstoff als Sekundärquelle für die Brennstoffzelle).

Off-shore-Windpark. © Norbert Pietsch / www.pixabay.com

Die Dringlichkeit dieser Wende unterstreicht der jüngste Bericht des Weltklimarates IPCC. Danach besteht die akute Gefahr einer Erderwärmung auf ≥ 3 °C (Pariser Ziel ≤ 2 °C). Gemäß EEG soll deshalb der EE-Anteil bis 2025 40 bis 60 % des in Deutschland verbrauchten Stroms erreichen, um die Kohlenutzung bis spätestens 2050 ganz einstellen zu können. Das entspricht einer Senkung der industriellen CO2-Emission im gleichen Zeitraum um bis zu 90 % (im Vergleich zu 2010).

Bedeutendster Träger diesen Wandels ist die geografisch, regenerativ und bezüglich ihres Umfanges unbegrenzt kostengünstig verfügbare Windenergie. WKA transformieren mit Wirkungsgraden 45 bis 60 % die Strömungsenergie des Windes in elektrische Energie. Großwindparks und Kleinanlagen (z. B. existieren mehrere 100 Bürgerwindparks) mit verträglichen Standorten sind mittels Netzanschluss zu nutzen. Wegen fehlender Stromtrassen gegenwärtig Windräder abzuschalten, sogar um Kohle-KW in Betrieb zu halten, ist kontraproduktiv.

Netzanschluss und Standorte
Zumeist steht diese Energieform dezentral in Gebieten zur Verfügung, die meist nicht mit dem Ort des Bedarfs übereinstimmen. Sie muss also dahin transportiert werden. Vorhandene bzw. zu errichtende, digital gesteuerte „MS-/HS-Stromautobahnen“ (China setzt bereits UHV-AC/DC für die Übertragung ein) sind also die Vorbedingung der erfolgreichen Energiewende. Der bestehende Rückstand ist schnellstens aufzuholen.

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Windkraftanlage WKA Aufbauprinzip - VSI - Spannungsumrichter mit kondensatorgestütztem Zwischenkreis; a. Einsatz doppeltgespeister Asynchrongenerator ASG; b. Einsatz permanenterregter Synchrongenerator SG

Schwerpunkt sind Off-shore- sowie On-shore-Standorte für Großwindanlagen. Da selbst sie bereits knapp werden, sind Positionen auch für Kleinerzeuger zu erschließen. Sie lassen sich an das Verteilnetz ankoppeln, erlauben auch die Selbstversorgung dezentraler Verbraucher (z. B. Inselnetz kleiner Haushaltgruppen). Spezielle Lösungen stehen für hohen Energieertrag bei geringem Wartungsaufwand und großer Flexibilität zur Verfügung (http://www.s4e-online.de, http://www.baumueller.de).

Bei der Netzanbindung sind die klaren Vorgaben des EEG zu nutzen.

Aufbau
WKA gibt es für die verschiedensten Nennleistungen und Windgeschwindigkeiten (Flügeldurchmesser ≤ 130 m, Naben-/Turmhöhe ≤ 160 m Nennleistung ≤ 8 MW). Je nach Windstandort erreicht die Jahresenergie einer Großanlage 7–10 Mio. kWh. WKA erzeugen innerhalb weniger Monate die zu ihrer Herstellung und Errichtung benötigte Energie, ihre Umweltbilanz ist also positiv. Der Wirkungsgrad erreicht Werte bis etwa 60 %.

Der Aufbau ist leistungsunabhängig. Über bis zu drei Rotorblätter treibt der Wind einen doppeltgespeisten Asynchron-, neuerdings einen Synchrongenerator an. Der Azimuth-Antrieb optimiert die Ausrichtung der Anlage zur Windrichtung. Die Pitch-Regelung verstellt abhängig von der Windgeschwindigkeit den Anstellwinkel der Rotorblätter, um die Leistungsabgabe zu kontrollieren. Eine Sturmregelung für leistungsreduzierenden Betrieb vermeidet den sturmbedingten Ausfall.

Die Einspeisung in das öffentliche Netz erfolgt auf allen AC-Netzebenen mittels Trafo und Schaltanlage. Für konstante Netzfrequenz trotz schwankender Rotordrehzahl sorgt der dem Motor nachgeschaltete VSI. Mehrere WKA – zusammengefasst in einem Windpark – speisen auf MS/HS-Ebene ein. Der Standort der WKA ist i. A. unzugänglich. Deshalb müssen moderne Kommunikationstechnologien Zugriff, Wartung, Alarmierung, Parametrierung u. a. aus der Ferne gestatten.

Windparks bilden ein virtuelles Kraftwerk. Zusätzliche Kosten entstehen bei unzureichender Speicherkapazität ggf. dadurch, dass wegen der Witterungsabhängigkeit eine backup-Versorgung in hergebrachter Technik anfällt und die Erzeugung fern vom Verbrauchsort zu hohem Übertragungsaufwand zwingt.

WKA mit Synchrongenerator
Fremd- oder vorteilhaftere permanenterregte Synchrongeneratoren verzichten seit Anfang der 1990er Jahre infolge ihrer höheren Drehzahl bzw. Polpaarzahl auf das Vorschaltgetriebe. Direkt gekoppelter Rotor und Generator führen zu steigender Zuverlässigkeit, sinkendem Wartungsaufwand, hoher Effizienz sowie ausgezeichneter Netzverträglichkeit. Dem stehen bei Grenzleistungsanlagen höhere Investitionen gegenüber. Der Frequenzumrichter für volle Leistung im Ständerkreis (beim Asynchrongenerator lediglich ca. 30 % Nennleistung) entkoppelt Generator und Einspeisung. Der netzgeführte Wechselrichter des VSI erzeugt aus der induzierten Spannung mit drehzahlabhängiger Frequenz die Netzspannung.

Verfügbarkeit

Der Versorgungssicherheit bei hohem Ertrag dienen bekannte Maßnahmen wie

  • präventive (Fern-) Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) mit zuverlässiger Diagnose,
  • offene Anlagenvernetzung mit Überwachung/Schutz in Echtzeit (Einsatz Internet, Ethernet),
  • Automatisierung und Investmentsicherheit (modulare Soft-/Hardware mit Security-Funktion),
  • Kombi-Anlagen mit Speichern,
  • Überspannungsschutz (gegen Gewitter),
  • Lärmschutz (Abstand, WHO-Empfehlung Tagesmittel 45 dB),
  • Beachtung EEG-Förderung.

Ausblick
Um diese Energieform nachhaltig zu nutzen, sind windschwache Zeiten wirtschaftlich zu überbrücken. Für das effiziente, umweltfreundliche Kurzzeitspeichern erzeugter Überschüsse bieten sich neben konventionellen Möglichkeiten wie kompakten Vanadium-Redox-Flow-Akkus und Home-Speichern (www.senec.ies.com; perspektivisch ggf. mit Festkörper-Akkus)

  • Pumpspeicherwerke
  • H2-Erzeugung (Power-to-gas)
  • Wind-Wärme-Speicher (Power-to-heat)
  • Druckluftspeicher für Kleinanlagen kombiniert mit einer Gasturbine (CAES).

Neueste Entwicklungen an der RWTH Aachen treiben mittels eines hydraulischen Antriebsstrangs einen Synchrongenerator konstanter Drehzahl an, der Frequenzumrichter entfällt.

Aufwind-/Thermikkraftanlagen nutzen die Sonnenenergie zur Windbewegung, bleiben aber weiterhin ohne Bedeutung. Mit dem Anwachsen von EE steigt außerdem die Bedeutung elektrischer Infrarot-Strahler.

Grundsätzlich ist allerdings die diametrale Situationsbeurteilung der Energiewende zwischen Bundesrechnungshof und Regierung/BMWi positiv zu klären (http://www.bundesrechnungshof.de).

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