Moderne Antriebe nach dem Prinzip „Weniger ist mehr“
Mittelschnelle Antriebe mit zwei Planetenstufen sind in der Windenergie auf dem Vormarsch. Bessere Wirkungsgrade, weniger Verschleiß und geringere Kosten sind schlagende Argumente der Protagonisten.
Der neue Trend fußt auf zweistufigen Planetengetrieben und reduzierten Übersetzungsverhältnissen zwischen Rotor und Getriebe.
Foto: Werkfoto
Bislang dominieren in Windkraftanlagen mit schnelllaufenden und direktgetriebenen Maschinen zwei Lösungen, die Vor- und Nachteile haben. So erreichen schnelle Antriebe mit mehreren Getriebestufen und hohen Umdrehungen am Generator unter Volllast sehr gute Gesamtwirkungsgrade. Zudem liegt durch das höhere Übersetzungsverhältnis zwischen Rotor und Getriebe ein geringeres Drehmoment am Generator an, das es erlaubt, verhältnismäßig leichte Stromerzeuger bauen. Der Nachteil liegt zum einen im höheren Verschleiß der schnelllaufenden Teile, zum anderen entstehen bei schwächeren Windverhältnissen Leerlaufverluste in den Getriebestufen.
Hier punkten direkt angetriebene Anlagen, die im Teillastbereich hohe Wirkungsgrade erreichen. Jedoch sind bei diesem Konzept die permanenterregten Generatoren deutlich schwerer als Getriebemaschinen gleicher Leistung und es stecken teure Rohstoffe wie Kupfer und seltene Erden in den Stromerzeugern. In neuen mittelschnellen Antrieben wollen die Konstrukteure die Vorteile vereinen, ohne dabei die Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Erklärtes Ziel ist es, die Gesamtwirkungsgrade des Triebstrangs durch bessere Ergebnisse im Teillastbereich zu optimieren und gleichzeitig den Verschleiß, die Schäden und die Baukosten zu reduzieren.
Antriebe mit zweistufigen Planetengetrieben im Trend
Der neue Trend fußt auf zweistufigen Planetengetrieben und reduzierten Übersetzungsverhältnissen zwischen Rotor und Getriebe. In den Konzepten fehlen die schnelldrehenden Stirnradstufen im Getriebe und die schnelllaufenden Generatoren. Der große Vorteil wird darin gesehen, dass sich Verschleiß und Schäden reduzieren lassen und der Gesamtwirkungsgrad durch geringere Leerlaufverluste steigt.
Das Konzept hat aber auch konstruktiven Charme: „Mittelschnelle Antriebe mit vielpoligen Permanentgeneratoren und zwei Planetenstufen sind der zukünftige Weg. Er ermöglicht sehr kurze Bauformen und ein neues Design der Maschinenhäuser“, erklärte kürzlich Jukka-Pekka Mäkinen, Präsident und Geschäftsführer von The Switch. Gemeinsam mit dem Getriebebauer Moventas hat The Switch den Fusion Drive mit Leistungen von 3 MW und 7 MW entwickelt.
Moderne Antriebe verschmelzen die Komponenten in einem Gehäuse
Der Name ist durchaus wörtlich zu nehmen, denn die Komponenten verschmelzen in einem Gehäuse zu einem kompakten Antrieb. Dafür wurde der Generator direkt an den Abtrieb der zweiten Planetenstufe gekoppelt und erreicht maximal 400 min-1. Der Antrieb mit 3 MW wiegt bei einer Länge von 3 m und einem Durchmesser von 2,3 m noch knapp 35 t. Ein erster Prototyp soll mit DeWind im März 2013 getestet werden. „Es ist das kürzeste Getriebe am Markt, lässt sich schnell zerlegen und der Generator selbst hat durch das neue Design keine Lager mehr“, sagte Mäkinen.
Einen ähnlich kompakt zusammengeschobenen Triebstrang mit zwei Planetenstufen und vergleichbarer Drehzahl hatte Winergy bereits mit dem Hybrid Drive vorgestellt und vor Kurzem die Tests mit beachtlichen Gesamtwirkungsgraden von 94 % abgeschlossen. Allerdings hat der Getriebebauer bei der Markteinführung Pech. Ein erster Prototyp war für Ende 2012 mit der Fuhrländer geplant und auf deren neue FL 3000 mit 3 MW zugeschnitten. Mitte September ging Fuhrländer aber in die Insolvenz:. „Wir suchen nach einem neuen Partner und führen erste Gespräche. Grundsätzlich gibt es auf dem Markt ein großes Interesse an zweistufigen Getriebelösungen“, bleibt Matthias Deicke, Leiter Elektrische Systeme bei Winergy, optimistisch. Zuversicht kann er aus dem technischen Konzept schöpfen.
Obwohl der Generator nicht im Getriebe, sondern dahinter angeordnet ist, beträgt das Gewicht bei gleicher Nennleistung nur 31 t. Der modulare Aufbau hat zudem Vorzüge, da sich neben permanent erregten Generatoren auch elektrische Varianten nutzen lassen. Diese Option senkt zwar etwas den Wirkungsgrad, sie hat aber auf der Kostenseite Vorteile, weil keine seltenen Erden benötigt werden.
Bosch-Rexroth setzt auf mittelschnelle Antriebe im Multimegawatt-Bereich
Auf den mittelschnellen Antrieb im Multimegawatt-Bereich setzt auch Bosch-Rexroth. Der wesentliche Unterschied zur Konkurrenz ist eine zusätzliche Differenzialstufe, in der die leistungsverzweigte Energie aus den Planetenstufen wieder zusammengeführt wird. “ Zwei Planetenstufen haben ein Übersetzungsverhältnis zwischen Rotor und Getriebe von bis zu 1 zu 39. Durch das Differenzial steigt das Verhältnis auf 1 zu 55. Damit liegt bei gleicher Nennleistung ein geringeres Drehmoment am Generator an“, erläuterte Sebastian Schmidt aus der Entwicklungsabteilungen. Das Differenzial erhöht zwar das Gewicht um 1 % bis 2 %, „es senkt aber auch die Kosten für den Generator um bis 30 %, weil dieser durch das geringere Drehmoment anders ausgelegt werden kann“, erklärte er. Zudem würden weniger seltene Erden benötigt.
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