Neue Ideen beleben die Windkraftbranche
So werden künftige Windparks fernab der Küste frei im Meer schwimmen. Der Verzicht auf Getriebe macht die Windkonverter weniger störanfällig, durch Antischall-Einrichtungen werden sie verträglicher. Und bionische Windradflügel mit Walflossenbuckelstruktur nach dem Vorbild der Natur wären robuster, leiser und langlebiger.
Existierende und geplante Windparks finden sich bislang ausnahmslos in der Nähe der Küste, dabei liegen die Meerestiefen bei 10 m bis 30 m. Weil der Wind auf hoher See aber stetiger und stärker als in Küstennähe weht, zieht es Siemens und den norwegischen Konzern StatoilHydro mit ihrem Projekt Hywind hinaus aufs Meer: Gemeinsam entwickeln die beiden Unternehmen das erste Windrad der Welt, das frei im Wasser schwimmt. Damit könnten in Zukunft selbst auf hoher See Windparks errichtet werden.
StatoilHydro – für den Unterwasserteil der Anlage zuständig – setzt beim Hywind-Prototyp auf das „Spar-Buoy-Konzept“, einen unterseeischen Schwimmkörper aus Stahl und Beton mit Ballasttanks. Dies ist eine Methode, wie sie schon viele Jahre bei schwimmenden Bohrinseln eingesetzt wird. Der Schwimmer, ein 120 m langes Stahlrohr, zieht die ganze Konstruktion so tief ins Wasser, bis ihr Schwerpunkt weit unter der Oberfläche liegt. Dies verhindert, dass das Windrad bei Wellengang wie ein Badewannenthermometer hin- und herschwankt. Mittels Ballasttanks lässt sich der Schwerpunkt exakt einstellen.
Damit das Windrad nicht abtreibt, wird es mit drei flexiblen Stahltrossen an Ankern auf dem Meeresboden vertäut. Eine massive Pfeilerlösung wäre spätestens ab 100 m Tiefe unerschwinglich. „Wir hoffen, dieses Konzept bis zu 700 m Tiefe einsetzen zu können“, so Henrik Stiesdal, Chief Technology Officer bei Siemens Dänemark, das für Mast und Turbine zuständig ist. Erst bei noch größerer Tiefe wären die Kosten für Stahl und Anker so hoch, dass sich eine Anlage nicht mehr lohnt. „Das Potenzial ist riesig“, glaubt Stiesdal. Bis zu 200 Anlagen könnten in einem Offshorepark schwimmen – ein solcher Park würde dann fast 1 Mio. Haushalte mit Strom versorgen.
Doch bis zum Einsatz der Schwimm-Windräder im großen Stil werden noch rund zehn Jahre vergehen. Zunächst soll ab 2009 ein Prototyp vor der Südwestküste Norwegens zeigen, dass er Wind und Wellen trotzen kann. Für den Test ist Norwegen ideal, denn der Meeresboden fällt hier steil ab: 12 km vor dem Festland, wo das Windrad auf Position gehen wird, ist das Meer 200 m tief.
Aber auch an Land gibt es technische Fortschritte bei den Windkraftanlagen: Stehen Windkraftanlagen in der Nähe einer Siedlung, dürfen sie auch bei starkem Wind nicht zu laut werden. Geräusche entstehen zum einen durch die Bewegung der Rotorblätter, zum anderen durch Zahnräder, die Schwingungen im Getriebe hervorrufen. Anwohner können sie als Brummgeräusche wahrnehmen.
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) haben jetzt gemeinsam mit Industriepartnern eine aktive Dämpfung für die Windräder entwickelt. „Das System reagiert selbstständig auf Frequenzwechsel und dämpft Geräusche – egal wie schnell sich die Windenergieanlage dreht“, erläutert André Illgen vom IWU. Herzstück dieses Systems sind Piezoaktoren an den Auflagern des Getriebes: Sie wandeln elektrischen Strom in mechanische Bewegung um und erzeugen Gegenschwingungen, die den Schallwellen des Windrads genau entgegengesetzt sind und sie auslöschen.
Gleich ganz ohne Getriebe auskommen sollen künftig Windturbinen, die Siemens Energy erprobt. Vorteil: Dank weniger Maschinenkomponenten sinkt der Wartungsaufwand und die Verfügbarkeit steigt. Nützlich vor allem auf hoher See, weil hier Turbinenausfälle sofort hohe Kosten verursachen. Normalerweise übersetzt das Getriebe die niedrige Drehzahl des Windrotors in die hohe Drehzahl zur Stromerzeugung. Die getriebelosen Anlagen besitzen dagegen große Synchrongeneratoren mit Drehmomenten in der Größenordnung von 2500 kNm, die von Permanentmagneten erregt werden.
Die erste der getriebelosen 3,6 MW-Anlagen mit 107 m Rotordurchmesser wird gerade in West-Dänemark errichtet, eine zweite Anlage folgt bis Ende des Jahres. Mit dem Forschungsprojekt, das sich über einen Zeitraum von zwei Jahren erstreckt, will Siemens Energy herausfinden, ob und ab welcher Leistungsklasse die getriebelosen Maschinen wettbewerbsfähig zu Anlagen mit Getriebe sind. Die getriebelose Antriebstechnik ist nämlich in der Regel schwerer und in der Produktion kostenintensiver als konventionelle Maschinen.
Bereits kurz vor der Serienproduktion steht derzeit der vom Anlagenbauer Voith AG entwickelte WinDrive-Antrieb für Windkraftanlagen. Er basiert auf einem Drehmomentwandler in Kombination mit einem als Überlagerungsgetriebe ausgelegten Planetengetriebe. Damit ist es möglich, ohne die bisherigen Nachteile variable Eingangsdrehzahlen in konstante Ausgangsdrehzahlen für den Synchrongenerator umzuwandeln. Das Ergebnis ist eine Wirkungsgradverbesserung im Prozentbereich. In den USA sind bereits erste Windkraftanlagen mit der neuen Technologie ausgerüstet worden. Die Markteinführung in Deutschland ist ab 2010 geplant.
Auch bei der Flügel-Aerodynamik sind Verbesserungen in Sicht: Bioniker glauben nach dem Vorbild der Natur die Buckelstruktur der Walflosse (Tuberkel) effizienzsteigernd auch beim Bau von Rotorblättern einsetzen zu können. Der Vorteil der Buckelwalflosse scheint in ihrem Anstellwinkel zu liegen. Die Tuberkel kanalisieren nämlich den Wind um die Blätter und es entstehen Luftwirbel mit verstärktem Auftrieb.
Wissenschaftler der Harvard University konnten dies jetzt in einem mathematischen Modell bestätigen. Und erste Prototypen legen dar, wie die reduzierte Strömungsabrissneigung die Leistung von Windmühlen verdoppeln kann: So kommt die gleiche Leistung bei 16 km/h Windanströmung heraus, die andere Anlagen bei 28 km/h liefern.
Wie Stephen Dewar, Forschungs- und Entwicklungschef beim kanadischen Unternehmen WhalePower, erläutert, hätten laufende Tests beim Wind Energy Institute of Canada in der Provinz Prince Edward Island gezeigt, dass derartige Rotorblätter robuster, leiser und langlebiger seien als herkömmliche Anlagen: „Solche Windmühlen haben schon den Rand eines vorbeiziehenden Hurrikans überstanden und Schnee- und Eisstürme überlebt,“ so Dewar. EDGAR LANGE
Rotorblätter nach dem Vorbild der Natur entwickelt
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