Die Beherrschung des Windes hat die Menschheit seit Jahrtausenden fasziniert. Von dem Gedanken getragen, Äolus (Sohn des Hellen, Beherrscher der Winde) zu trotzen und die Wucht der Stürme zu nutzen, wurden Erfinder über viele Generationen in ihrem Bann gehalten. Mit den Naturgewalten grenzenlose Mobilität zu erlangen und den Horizont (der damals bekannten Welt) zu erweitern, wurde bereits in der Antike zur Herausforderung. So wurde die Seefahrt – trotz Flauten, Hurrikans, Tornados und Havarien – mit der Segeltechnik stets weiterentwickelt. Dabei erzielte Verbesserungen waren nur durch den Einsatz neuester Techniken möglich. Diese brachten – gepaart mit dem grenzenlosen Willen zu Entdeckungen und Abenteuern – für Herrscher und Gelehrte das Weltbild wie ein Mosaik in mehr und mehr geschlossene Konturen.
Mit der technischen Nutzung des Windes zu Wasser und zu Lande konnten Potentiale erschlossen und Arbeiten verrichtet werden, die zuvor bekannte Möglichkeiten weit übertrafen. Begrenzt auf menschliche und tierische Arbeitskräfte wären z. B. Entwässerungen durch Windpumpen und Landgewinne wie in den Niederlanden wohl kaum möglich gewesen.
Zeichen und Funde einer Windenergienutzung gehen vor den Beginn unserer Zeitrechnung zurück. Ihre Ursprünge liegen im nahen und mittleren Osten. Sichere Überlieferungen über Windmühlen und deren Anwendung gibt es allerdings erst aus dem 10. Jahrhundert aus Persien. Bei den damals bekannten Bauformen mit vertikalen Achsen wurde das Prinzip der Widerstandsnutzung zur Umwandlung der Energie des Windes angewandt. Diese fanden vor allem in arabischen Ländern Verbreitung. Vermutlich durch die Kreuzzüge wurde die Kunde von diesen Maschinen nach Europa gebracht. Im frühen Mittelalter hatten hier allerdings Ausführungen, die mit horizontaler Achse durch schräg gestellte Flügel oder Segel bewegt wurden, ihre Anfänge.
Die Windenergienutzung in Mitteleuropa begann im Mittelalter vor allem in England und den Niederlanden in großem Stil. Technisch ausgereifte Bock- und Holländer-Windmühlen wurden hauptsächlich zum Mahlen und Wasserpumpen eingesetzt.
Historische Holländer-Windmühle (Niederlande), ©WindEnergie e.V.
Sie erreichten damals mit mehr als zweihunderttausend Anlagen in Holzbauweise große Verbreitung in Nordwesteuropa und bildeten einen wesentlichen Anteil an den technischen Energieumsätzen in diesen Regionen. Zum Beginn des 20. Jahrhunderts sollen im Deutschen Reich noch zwanzigtausend Windmühlen in Betrieb gewesen sein. Seit dem 19. Jahrhundert fanden vorwiegend in den USA die so genannten »Westernräder« sehr starke Verbreitung. Diese vielblättrigen Windräder wurden als Stahlkonstruktionen mit etwa 20 Blechflügeln ausgeführt und hauptsächlich zum Pumpen von Wasser eingesetzt. Mit ca. 8 Millionen Einheiten, die bis in die dreißiger Jahre dieses Jahrhunderts gebaut wurden, konnten die Anlagen ein bedeutendes wirtschaftliches Potential bilden.
Amerikanische Windkraftanlage zum Wasserpumpen, © Bundesverband WindEnergie e.V.
Erste Versuche, Windturbinen mit aerodynamisch geformten Rotorblättern zur Stromerzeugung zu nutzen, wurden vor gut einem halben Jahrhundert unternommen. Neben den Berechnungen und Konstruktionen von Großprojekten in den 40er-Jahren (des letzten Jahrhunderts) durch die deutschen Ingenieure Kleinhenz [1] und Honnef [2] sind die Pilotprojekte des Amerikaners Smith-Putnam (1250Nennleistung, 53Rotordurchmesser, 1941), die Gedser-Windturbine in Dänemark (200Nennleistung, 24Rotordurchmesser, 1957) sowie die technisch richtungweisende Hütter-Anlage W 34 (100Nennleistung, 34Rotordurchmesser, 1958) zu nennen.
Anfang der 50er-Jahre wurden vom deutschen Hersteller Allgaier erstmals Windkraftanlagen in Serie gebaut. Sie wurden konzipiert, um vom öffentlichen Netz entfernt liegende Gehöfte mit Elektrizität zu versorgen. Die Turbinen wurden an Küstenstandorten mit 10und im Binnenland mit 6ausgerüstet. Ihre aerodynamisch geformten Rotorblätter mit 10Durchmesser waren um die Längsachse verstellbar, um die dem Wind entnommene Leistung regulieren zu können. Einige dieser Anlagen sind noch heute – nach ca. 50 Jahren Betrieb – voll funktionsfähig.
Tiefpreise fossiler Energieträger machten die Windenergietechnik um 1960 wirtschaftlich uninteressant. Erst in den 70er-Jahren brachten steigende Brennstoffpreise die Windenergie wieder in die Diskussion. Neue Versuchsanlagen in verschiedenen Leistungsbereichen wurden in einigen Staaten entwickelt. Insbesondere in den USA, Schweden und der Bundesrepublik Deutschland wurden Turbinen im MW-Bereich besonders große Bedeutung beigemessen. Dabei wurden – mit Ausnahme der amerikanischen MOD-2 und der amerikanisch-schwedischen WTS-4 mit 5 bzw. 2 Einheiten – große Konverter, wie die deutsche Konstruktion GROWIAN, die schwedische Ausführung WTS-75 AEOLUS, die dänische Anlage Tvind und die US-Variante auf Hawaii, MOD-5B, in Einzelproduktion erstellt. Trotz vielschichtiger Anlaufschwierigkeiten beim Einsatz der Pilotanlagen zeichnete sich bereits damals ab, dass in absehbarer Zeit technische Lösungen zu erwarten waren, die einen sicheren Betrieb von großen Windkraftanlagen ermöglichten. MW-Systeme der zweiten Generation wie z. B. WKA 60 und AEOLUS II belegten dies.
Losgelöst von der Großanlagenentwicklung wurden hauptsächlich im US-Staat Kalifornien, aber auch in Dänemark und Holland sowie in der Bundesrepublik Deutschland erhebliche Anstrengungen unternommen, die Windenergie zur Netzeinspeisung in großem Rahmen zu nutzen. Allein in Kalifornien wurden in den 80er-JahrenWindkraftanlagen mit etwa 1500Nennleistung installiert. Dabei wurden in den Anfangsphasen Turbinen der 50 kW-Kategorie aufgebaut. Die Hochskalierung von erfolgreichen Systemen über die 100150und 250sowie die 500/600ößenordnung hat zu Windparks mit Turbinen im MW-Bereich geführt.
Diese Entwicklung hat eine Serienfertigung von Windkraftanlagen ermöglicht. Eine erhebliche Steigerung der Leistungsfähigkeit konnte damit erreicht werden. Die schrittweise Vergrößerung der in nachfolgend dargestellten Anlagen hat unter der Nutzung von sehr verschiedenartigen kostengünstigen Konzeptionen zu Einheiten im 500und MW-Bereich geführt, die sich besonders durch hohe Verfügbarkeit und gute Wirtschaftlichkeitserwartung auszeichnen.
Bei dieser Entwicklung haben die einzelnen Hersteller sehr unterschiedliche Wege zum Markterfolg gewählt.
NEG Micon hat das klassische dänische Konzept stallgeregelter Turbinen mit netzstarr gekoppeltem Asynchrongenerator bis zur 1,5 MW-Leistungsklasse beibehalten. Bonus, Nordex und Vestas sowie GE/Tacke haben ihre Anlagenkonfiguration in verschiedenen Größenklassen insbesondere hinsichtlich der Turbinenregelung (stall, pitch) und Generatorsysteme (drehzahlstarr, drehzahlvariabel mit Thyristor- bzw. IGBT-Umrichter) in unterschiedlichen Stufen verändert. 3 bis 5 MW-Anlagen werden momentan von allen namhaften Herstellern als Prototypen betrieben bzw. am Markt angeboten.
Später in die Windkraftanlagenproduktion eingestiegene Firmen konnten z. T. auf bereits vorhandene Entwicklungen und Techniken zurückgreifen und somit erste Systemschritte anderer Hersteller überspringen. DeWind startete seine Entwicklung mit einer pitchgeregelten 600 kW-Turbine und einem drehzahlvariablen Generatorsystem (doppeltgespeiste Asynchronmaschine), das wenige Jahre vorher noch nicht kostengünstig ausführbar war und momentan von den meisten Herstellern favorisiert wird. 1und 2gleicher Konzeption folgten.
Die Windkraftanlagenentwicklung wurde weitgehend von mittelständischen Unternehmen getragen. Kleinere Hersteller kommen allerdings bei der Einführung der MW-Anlagen an ihre finanziellen Entwicklungsgrenzen. Mit der 1,5 MW Turbine MD 70 bzw. MD 77, die von pro + pro für die Hersteller BWU, Fuhrländer, Jacobs Energie (heute REpower Systems AG) und Südwind / Nordex (ebenfalls mit doppeltgespeistem Asynchrongeneratorkonzept) entwickelt wurde, ergeben sich für die kleineren Firmen neue Entwicklungs- und Marktchancen auch im Bereich von Großanlagen.
Im Bereich kleiner, hochtouriger Turbinen mit horizontaler Achse wurden bereits mehrere Versuche unternommen, Systeme mit direktangetriebenen Generatoren am Markt einzuführen und zu etablieren. Dies ist bisher nur zum Teil gelungen. Kleinstanlagen mit direkt von der Turbine angetriebenem permanenterregten Synchrongenerator kommen meist als Batterielader zum Einsatz. Der Erfolg solcher Systeme ist sowohl im schönen Design und günstigen Preis, als auch im modernen weltweiten Vertriebskonzept und der einfachen Montage der Anlagen begründet.
Vertikalachsenrotoren, die so genannten Darrieusläufer, haben einen überaus einfach anmutenden Aufbau. Sie wurden in ihrer Grundform bisher meist mit Getriebe und Generator in Fundamentnähe aufgebaut. Abgewandelte Konfigurationen, als so genannte H-Darrieusturbinen getriebelos ausgeführt, wurden in der 300 kW-Klasse erstmals mit rotierendem Turm und großem Ringgenerator am Boden konzipiert. Ihre Weiterentwicklung führte zu Einheiten mit feststehendem Dreibein und Ringgenerator im Anlagenkopf. Diese Varianten konnten sich jedoch am Windkraftanlagenmarkt nicht durchsetzen.
Mit der Horizontalachsenturbine Enercon E 40 konnte sich erstmals ein System mit direkt angetriebenem Generator der 500 kW-Klasse innerhalb kürzester Zeit sehr erfolgreich am Markt etablieren. Der speziell für diese Anlage entwickelte Generator ist unmittelbar mit der Turbine verbunden und benötigt keine eigene Lagerung. Damit ist der Verschleiß an schnelldrehenden mechanischen Komponenten auf ein Minimum reduziert (siehe Direktantrieb – Ein Beispiel). Laufzeiten der Anlagen von 180.000 Betriebsstunden werden bereits seit Jahren angegeben.
Die getriebelosen Varianten E 30, E 40, E 58, E 66 und E 112 von Enercon sind aus einer Anlagenentwicklung von den stallgeregelten Getriebeversionen E 15/ E 16 sowie E 17/ E 18 über die blatteinstellwinkelgeregelte Turbine E 32/ E 33 hervorgegangen. Parallel dazu wurde mit geringfügiger Zeitverzögerung der Übergang vom Thyristor- zum Pulsumrichter vollzogen. Somit lassen sich bei dieser Konfiguration die Vorteile einer Triebstrangentlastung durch Drehzahlelastizität mit weitgehend rückwirkungsfreier Netzeinspeisung vereinen.
Im Vergleich zu den getriebelosen Ausführungen mit elektrisch erregten Synchrongeneratoren erlauben permanenterregte Maschinen, höhere Polzahlen am Umfang des Läufers oder Stators anzuordnen. Beim Einsatz hochwertiger Permanentmagnetwerkstoffe lassen sich somit relativ günstige Baugrößen ausführen und insbesondere im Teillastbereich sehr hohe Wirkungsgrade erzielen. Eine derartige Anlagenkonfiguration im 600(Genesys 600) konnte bei störungsfreiem Betrieb über mehrere Jahre hervorragende Erträge erzielen. Eine 2nlage mit diesem Generatorkonzept wurde mit Mittelspannungsgenerator für 4Anschlussspannung ausgelegt (Harakosan Z 72).
Eine weitere Möglichkeit, die insbesondere für langsamdrehende Großanlagen in Betracht gezogen wurde, stellt eine Kombination von niedrigtourigen Generatoren mit einem turbinenseitigen Getriebe dar (zum Beispiel Multibrid). Das einstufige Getriebe bringt die Welle des Generators auf etwa achtfache Turbinendrehzahl von ca. 100 Umdrehungen pro Minute. Somit lassen sich auch bei Einheiten im 5Generatoren in kompakten und technisch günstigen Baugrößen von ca. 3Durchmesser einsetzen.
Eine weitere Großanlage der 5mit über 125Rotordurchmesser ist die Anlage 5M von REpower. Bei dieser Anlage kommt ein doppeltgespeister Asynchrongenerator mit Mittelspannungsisolation im Niederspannungsbereich (950V Stator- bzw. 690V Rotorseite) zum Einsatz (siehe auch: Die Prototypen der Offshore-Klasse).
Kleinhenz, F.: Projekt eines Großwindkraftwerkes. Der Bauingenieur, 23(23/24), 1942.
Honnef, H.: Windkraftwerke. Vieweg, Braunschweig, 1932
Gekürzte Fassung aus: Heier, Siegfried: Windkraftanlagen. Systemauslegung, Integration und Regelung, Wiesbaden: Teubner, 4., überarbeitete und aktualisierte Auflage 2005.
http://www.teubner.de/index.php;do=show/sid=19/site=t/book_id=5334
Der Abdruck erfolgte mit freundlicher Genehmigung des Autors und des TEUBNER-Verlags, Wiesbaden (www.teubner.de).