Einführung in die Windkraft – Umwandlung der Windenergie in Rotation, Strom und Netzsteuerung

Ein Windkraftanlagenflügel ist kein „Brett, das den Wind einfängt“. Er nutzt den Auftrieb und den Widerstand eines Tragflügels, um ein Drehmoment zu erzeugen, das eine große, langsame Rotation an ein Getriebe oder einen Direktantriebsgenerator weiterleitet. Der Generatorstrom wird von einem Umrichter hinsichtlich Spannung, Frequenz und Blindleistung aufbereitet und anschließend über einen Transformator und eine Übertragungsleitung in das Stromnetz eingespeist. Windkraft als eine einzige Anlage zu betrachten, bedeutet, neben der Windstärke auch Turbulenzen, Materialermüdung, Wettervorhersage, Wartung und Netzregelung gemeinsam zu berücksichtigen.

Beispiel für Offshore-Windkraft

Bild: Middelgrunden Windpark (Kim Hansen / Richard Bartz, CC BY-SA 3.0), Wikimedia Commons. Eine Feldaufnahme zur Veranschaulichung des Turbinenabstands, keine Spezifikation für jede aktuell verfügbare Turbine.

0. 30-Sekunden-Zusammenfassung

• Die ideale aus Wind gewinnbare Leistung beträgt P=\frac12\rho A v^3 C_p. Da sie proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit v ist, haben bereits kleine Unterschiede im Windpotenzial einen großen Einfluss auf die jährliche Stromerzeugung.

• Keine Turbine kann 100 % der kinetischen Energie des Windes nutzen; Die Obergrenze ist die Betz-Grenze von etwa 59,3 %. Der Wirkungsgrad einer realen Turbine (Duschspule 4) variiert mit Windgeschwindigkeit, Blattwinkel, Steuerung und Turbulenzen.

– Die Blattwinkelverstellung justiert den Blattwinkel, die Giersteuerung richtet die Gondel in den Wind aus und die Generatordrehmomentregelung regelt die Rotordrehzahl. Bei starkem Wind wird die Leistung gedrosselt und die Turbine aus Sicherheitsgründen abgeschaltet.

– An Land dominieren Transport, Lärm und Landschaft; auf See (bei festem Meeresboden) Fundamente, Unterseekabel, Taifune und Wartungsschiffe; bei schwimmenden Offshore-Anlagen Verankerung und Bewegung.

– Bei Netzkopplung regeln drehzahlvariable Wechselrichter Wirkleistung, Blindleistung, Spannung und Frequenz. Prognosefehler werden durch die Kombination von Batterien, Wasserkraft und Lastmanagement kompensiert.

1. Die kinetische Energie des Windes und die Betz-Grenze

Diagram 1 · Use the button to switch views

Abbildung 1 – Unterhalb des Einschaltpunkts wird keine nutzbare Leistung erzeugt; zwischen Einschaltpunkt und Nenndrehzahl steigt die Leistung steil an; oberhalb der Nenndrehzahl begrenzt die Blattverstellung die Leistung bis zum Abschaltpunkt.

Luft der Dichte \rho, die mit der Geschwindigkeit v durch eine überstrichene Fläche A=\pi R^2 strömt, trägt kinetische Energie pro Zeiteinheit von

Würde die Nachlaufgeschwindigkeit hinter der Turbine auf null reduziert, würde der Luftstrom vollständig zum Erliegen kommen – daher begrenzt die Optimierung des Geschwindigkeitsabfalls an der Turbine durch Impulserhaltung den nutzbaren Anteil auf

und nicht höher. C_p ist der Leistungskoeffizient, eine Funktion C_p(\lambda,\beta) des Schnelllaufverhältnisses \lambda=\omega R/v und des Blattwinkels \beta. Bei niedriger Windgeschwindigkeit erhöht die Turbine ihre Drehzahl, um den optimalen Wert \lambda zu erreichen; oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit wird der Blattwinkel verändert, um die Leistung konstant zu halten.

2. Rotorblatt, Gondel, Turm

Das Rotorblatt wandelt den Auftrieb eines Tragflügels in eine Tangentialkraft um. Längere, schlankere Rotorblätter vergrößern die Fläche, erhöhen aber auch die Materialermüdung durch Schwerkraft, Zentrifugalkraft und Windlast. Nabe und Hauptwelle, Generator, Getriebe und Schaltschrank befinden sich in der Gondel, während Turm und Fundament die Lasten in den Boden ableiten. Mit zunehmender Größe der Turbinen beeinflussen die Eigenfrequenz des Rotorblatts, die Turmresonanz, die Regelungsverzögerung, Blitzeinschläge, Salzkorrosion und Vereisung die Konstruktion direkt.

3. Blattverstellung, Gier- und Drehmomentregelung

Blattverstellung

Durch Ändern des Blattverstellwinkels \beta werden Auftrieb und Drehmoment beeinflusst. Unterhalb der Nennwindgeschwindigkeit wird \beta auf seinem optimalen Wert gehalten; oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit wird der Anstellwinkel reduziert, um die maximale Leistung zu erreichen. Redundanz ist erforderlich, damit das Blatt auch bei Ausfall des hydraulischen oder elektrischen Aktuators in die Segelstellung (ein Winkel, der den Wind ablenkt) gebracht werden kann.

Gierregelung

Die Gierregelung, die die Gondel in den Wind ausrichtet, nutzt Windfahne und Anemometer, die Generatorleistung und die Turmtorsion. Zu häufiges Gieren belastet den Gierantrieb und die Kabel. Daher werden die durchschnittliche Windrichtung und Turbulenzen gefiltert, um den Generatorverlust gegen Materialermüdung auszugleichen.

Generatordrehmoment

Bei drehzahlvariablen Turbinen wird das Generatordrehmoment T_g mit der Drehzahl variiert, um das optimale Schnelllaufverhältnis zu erreichen. Die Gleichung der Rotationsbewegung lautet:

wobei J die Trägheit, T_a das aerodynamische Drehmoment und T_f das Verlustdrehmoment ist. Regelungskonzepte, die dem Netz virtuell Trägheit zuführen, setzen vorübergehend die Rotationsenergie der Turbine frei, um Frequenzabfälle abzufedern. Die Leistung muss jedoch während der anschließenden Phase, in der der Rotor seine Drehzahl wieder erreicht, reduziert werden.

4. Festdrehzahl, variable Drehzahl und Netzanschluss

Drehzahlbegrenzte Asynchrongeneratoren sind einfach zu bauen, jedoch übertragen sich Änderungen der Windgeschwindigkeit unmittelbar auf das mechanische Drehmoment und somit auf das Netz. Ein doppelt gespeister Asynchrongenerator (DFIG) nutzt einen Teilleistungsumrichter auf der Rotorseite, um den Drehzahlbereich und die Blindleistung zu regeln. Ein Permanentmagnet-Synchrongenerator mit einem Vollleistungsumrichter entkoppelt den Generator elektrisch vom Netz und ermöglicht so die Regelung über einen weiten Drehzahlbereich – allerdings auf Kosten von mehr Leistungshalbleitern und Magneten. Kosten.

Wechselrichter nutzen üblicherweise eine netzfolgende Regelung, die die Netzphase mittels einer PLL nachführt. Schwache Offshore-Netze oder isolierte Inseln erfordern jedoch eine netzbildende Regelung. Ein Farmcontroller, der einen Turbinencluster überwacht, koordiniert die Leistung, Blindleistung, Anstiegsgeschwindigkeit und Abregelung der einzelnen Turbinen und leitet Befehle des Netzbetreibers, Wettervorhersagen und den Ladezustand der Batterie in dieselbe Steuerungshierarchie ein.

5. Onshore, Offshore mit festem Fundament und schwimmend

Auf See sind Turbine, Schwimmkörper, Verankerung, Wellen und Stromkabel miteinander gekoppelt. Die Änderung der Blattverstellung verändert die aerodynamische Last, was die Bewegung von Turm und Schwimmkörper beeinflusst; die Änderung des Generatordrehmoments verändert die Rotordrehzahl und die Verankerungslast. Die Forschung geht über einfache PID-Regler hinaus hin zu modellprädiktiver Regelung, Lastminderungsregelung und digitalen Zwillingen, die die Lebensdauer verlängern.

6. Prognose, Wartung und Umwelt

Die Windkraftprognose kombiniert Wettermodelle, Lidar- und Satellitendaten, die Windgeschwindigkeit an der Gondel und die Nachlaufdaten benachbarter Turbinen, um Wahrscheinlichkeitsverteilungen für Minuten bis Tage im Voraus zu erstellen. Bei großen Prognosefehlern wird Batteriekapazität als Reserve vorgehalten, und thermische, hydrodynamische und Lastmanagementmaßnahmen sind vorbereitet.

Die Wartung überwacht Vibrationen, Temperatur und Ölanalysen an Hauptwellenlager, Getriebe, Generator, Blattverstelllager und Rotorblättern. Drohnenaufnahmen und akustische Inspektionen prüfen auf Rotorblattdelaminationen. Blitzschäden, die Kombination von Anomaliezeichen mit Windbedingungen zur Entscheidung über geplante Abschaltungen. Auswirkungen auf Vögel und Fledermäuse, Meeressäugetiere, Fischerei und Meeresbodenökosysteme müssen zusammen mit Standortwahl, Betriebsführung und Überwachung bewertet werden – nicht isoliert.

7. Zusammenfassung

Windkraft ist ein System, das den Impuls der Luft nacheinander an Rotorblatt, Welle, Generator, Wechselrichter, Transformator und Netz weiterleitet. Das Kubikgesetz der Windgeschwindigkeit und die Betz-Grenze setzen die Obergrenze für die Leistung; Pitch-, Gier- und Drehmomentsteuerung bestimmen die mechanische Belastung und die Stromqualität; Prognosen und Wartung bestimmen die Verfügbarkeit. Beim Lesen von Forschungsergebnissen zu Offshore-/Schwimmturbinen oder netzbildenden Wechselrichtern lohnt es sich, diese nicht nur hinsichtlich des Wirkungsgrades zu vergleichen, sondern auch unter Berücksichtigung von Materialermüdung, Verkabelung, Häfen, Wetter, Umwelt und Netzbetrieb.