Windkraft mit zwei Flügeln soll Energiekosten senken
Drei Flügel und die Nase im Wind – so sehen Windkraftanlagen heute in der Regel aus. Durch den hohen Druck in puncto Zuverlässigkeit finden heute konzeptionell kaum noch Innovationen statt. Ein niederländisches Start-up will dem Zweiflügler neues Leben einhauchen.
Stand der Technik sind in der Windenergie drehzahlvariable Maschinen mit drei Rotorblättern, die sich – bezogen auf die Windrichtung – vor dem Turm befinden. Bei diesen Luvläufern sorgt eine automatische Nachführung dafür, dass der Rotor optimal im Wind steht.
In den experimentierfreudigen Anfängen der Windenergie gab es auch andere Ideen, um die Energie des Windes in Strom umzuwandeln. Neben Maschinen mit drei Flügeln gab es Konzepte, die mit zwei oder – wie der Monopterus von MBB – nur mit einem Flügel auskamen oder die den Rotor als Leeläufer hinter dem Turm anordneten. Mit der bekannteste Zweiflügler und Leeläufer war der 1983 errichtete Growian von MAN mit 3 MW Nennleistung und 100 m Rotordurchmesser. Doch bis zum Abriss 1987 lief die Maschine aufgrund technischer Probleme nur etwa 18 Tage.
Windkraft mit zwei Flügeln konnte sich an Land nicht durchsetzen
Zur Serienreife verhalfen der Technik in den 80er- und 90er-Jahren die holländischen Hersteller Lagerwej und Nedwind. Obwohl Anlagen mit zwei Flügeln bei gleicher Blattoberfläche dieselbe Effizienz haben wie Maschinen mit drei Flügeln, konnten sie sich an Land jedoch nicht durchsetzen.
Genehmigungsrechtlich problematisch waren die enorme Geräuschkulisse und die unruhige Optik. „Der Lärm und das Laufverhalten spielen auf dem Meer aber keine Rolle“, erklärt Mikael Jakobsson vom niederländischen Unternehmen 2-B Energy. Seit einigen Jahren tüftelt die Ingenieursschmiede aus Hengelo an einem zweiflügligen Leeläufer für den Offshoreeinsatz. Jakobsson stellte das Konzept auf der letzten Offshorekonferenz des VDI-Wissensforums vor.
Die Maschine mit Getriebe soll eine Leistung von 6 MW und einen Rotordurchmesser von 140 m haben, wenig kosten und sich schnell errichten lassen. Die Drehzahl des Rotors liegt zwischen 12 U/min und 18 U/min, der Abgang auf der Generatorwelle bei maximal 1200 U/min. Mit dem Konzept hatte sich 2-B Energy an einer englischen Ausschreibung beteiligt, sie dürfen ab 2013 zwei Testanlagen im schottischen Methil installieren.
In der Kombination von Zweiblattrotor und Leeläufer sieht Jacobsson entscheidende Vorteile: „Wir kommen mit weniger Technik aus und haben einiges über Bord geworfen. Dazu gehören ein Rotorblatt, Teile des Azimuts und die Windnachführung, weil sich die Maschine selbst in den Wind dreht.“
2-B Energy will durch Windkraft mit Zweiblattrotor und Leeläufer Energiekosten senken
Durch ein integriertes Design sind die Frequenzen von Generator und Netzspannung identisch, was Transformatoren überflüssig macht. Ein weiterer Vorzug sei die bessere Logistik und schnelle Errichtung. So passen Maschinenhäuser mit vormontierten Rotorblättern durch jede Schleuse und nehmen auf den Errichterschiffen weniger Platz ein.
„Uns waren die Kosten der Energieproduktion wichtig. Deshalb wiegt die Gondel mit Rotorblättern nur 400 t und lässt sich in einem Hub montieren“ so Jacobsson. Das mache die Wetterfenster für die Montageeinsätze auf See größer, denn die Montage eines Rotorsterns mit drei Blättern hingen sehr vom Wind ab.
Parallel zur Windkraftanlage hat 2-B Energy ein Fundament für Wassertiefen bis 60 m entwickelt. Auch hier wurden die Kosten gesenkt. Statt des üblichen Stahlturms greifen die Niederländer auf eine dreibeinige, offene Gittermastkonstruktion zurück. Das Jacket hat keinen Fahrstuhl, denn für den Zugang ist nur eine Plattform vorgesehen. Damit entfällt auch die übliche Verbindung zwischen Fundament und Turmsektion.
Weil auf einen Flügel verzichtet wurde, ist der Zugang per Helikopter einfacher. Dafür lassen sich die Blätter in eine horizontale Position bringen. In der Variante mit drei Flügeln ist das Anfliegen mit Hubschraubern komplizierter und die Blattpositionierung unterliegt strengen internationalen Auflagen.
Zweiflüglige Windkraft-Anlagen kämpfen mit höheren Wechsellasten auf Rotorblätter und Nabe
Zu den Vorzügen gesellen sich entscheidende Nachteile. Der eine liegt darin, dass hinter dem Turm Turbulenzen entstehen, durch die die Blätter hindurch müssen. Zudem wirken in der zweiflügligen Bauweise höhere Wechsellasten auf Rotorblätter und Nabe ein. Während sich die Kräfte in der horizontalen Achse noch gleichmäßig verteilen, entsteht in der vertikalen Achse die größte Differenz. Zum Beispiel bei Böen oder Turbulenzen im überstrichenen Windfeld. Damit sich die Zwangskräfte nicht auf Hauptwelle und Getriebe übertragen, wurde bei bisherigen Konzepten eine Pendelnabe oder ein Winkelgetriebe eingebaut. Sie gleichen die Wechselbelastungen aus.
2-B Energy setzt stattdessen auf ein intelligentes Pitchverfahren, ein automatisiertes Einstellen der Ausrichtwinkel der Rotorblätter. Während die Leistung sich durch eine kollektive Pitchregelung der Blätter regelt, sollen die hohen Lasten durch ein individuelles Pitchen der Blätter aufgefangen werden.
Eine Innovation, wenn dies gelänge: „Die individuelle Blattverstellung ist durchaus machbar, aber es traut sich noch kein Hersteller wirklich daran. Je mehr elektronisch geregelt wird, desto mehr kann auch kaputtgehen“, sagt Henry Seifert vom Institut für Windenergie der Hochschule Bremerhaven.
Dass der Kostenvorteil durch die tiefere Blattstruktur kompensiert wird, lässt Hochschullehrer Seifert nicht gelten. „Die Höhe eines Blattes geht mit der dritten Potenz in die Steifigkeit ein. Das würde eine Materialersparnis bedeuten, die sich positiv auf die Auslegung der gesamten Anlage und ihrer Komponenten auswirkt.“ Seifert traut dem Zweiflügler einiges zu. „Es gab in der Vergangenheit sehr innovative Ansätze, aber die Windbranche ist zu konservativ und steht unter hohem Erfolgsdruck, bewährte Technik noch größer zu machen. Da will keiner wieder von vorne anfangen“, erklärt er und ergänzt: „Offshore ist der Zweiblattrotor aber sicherlich eine Option mit vielen Vorteilen.“
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