Die Windenergieanlagen für die großen Offshore-Windparks der nahen Zukunft werden 5 bis 6 MW leisten. Ein Vergleich der sechs aktuellen Multimegawatt-Prototypen liefert Hinweise darauf, wie die Hersteller dieses Ziel erreichen wollen.
Die Offshore-Planer müssen in fast jeder Hinsicht Neuland betreten. Erstens werden die Windparks der Zukunft so groß sein wie nie zuvor, und zweitens müssen Windenergieanlagen ins Wasser gestellt werden, die deutlich größer sind als die tausendfach erprobten Serienanlagen der Gegenwart. Punkt 3 und 4 der Offshore-Agenda sind Finanzierung und Versicherung, die jeweils ebenfalls den bisher bekannten Rahmen sprengen werden. Die Projektentwickler und Planer haben also gut zu tun.
In der öffentlichen Wahrnehmung steht jedoch die Technik im Vordergrund, das heißt: Konstruktion und Design der Windenergieanlagen, die eines Tages weit draußen auf dem Meer einen großen Teil der Stromversorgung Europas decken sollen. Die relativ große Entfernung zur Küste verteuert die Netzanbindung, die große Wassertiefe erfordert kostspielige Fundamente, und aus beiden Voraussetzungen ergibt sich, dass man aus jeder einzelnen Anlage den größtmöglichen Ertrag herausholen muss.
Offshore-Windpark Scroby Sands, Nordseea, Großbritannien
© Chinese Wind Energy Association CWEA
Was bedeutet das für die Nennleistung? Die größten Offshore-Prototypen, die zurzeit getestet werden, sind bei 5 MW offenbar noch nicht am Ende ihrer Möglichkeiten angelangt1. Die obere Leistungsgrenze wird sich auf 6 MW verschieben. Diese Marke wurde kürzlich von Enercon gesetzt, als das Unternehmen ausnahmsweise Einzelheiten über den Probebetrieb einer E-112 veröffentlichte. Die Kühlung des Generators der ursprünglich auf 4,5 MW ausgelegten Windturbine wurde so weit verbessert, dass diese Anlage nun kontinuierlich 6 MW leisten kann.
Und wenn 6 MW mit einer E-112 möglich sind, dann sollte dies prinzipiell auch der Repower 5M möglich sein, die mit einem deutlich größeren Rotor ausgerüstet ist. Der Wettbewerb der großen Hersteller wird ein Übriges tun, um die Leistungsgrenze in Richtung 6 MW zu verschieben.
Ein Blick auf die Tabelle zeigt, dass die »Weltmarkt-Rangliste« nicht exakt abgebildet wird. Zurzeit sind sechs Hersteller mit ihren Prototypen im Rennen. Von den führenden fünf Firmen des Weltmarktes fehlt allerdings Gamesa. Dafür sind der relativ kleine Hersteller Repower Systems AG und die noch kleinere Firma Multibrid im Spiel. Bei diesen sechs Firmen wird es bis auf weiteres bleiben, denn die beiden übrigen Kandidaten (außer Gamesa kommt noch Nordex in Betracht) haben offenbar noch nicht vor, in dieses Rennen einzusteigen.
| Hersteller | Repower 5M | Vestas V120 | Multibrid 5000 | Enercon E-112 | Siemens 3.6 MW | GE Energy 3.6s |
| Rotordurchmesser | 126 m | 120 m | 116 m | 114 m | 107 m | 104 m *1 |
| Rotorkreisfläche | 12.469 m2 | 11.310 m2 | 10.568 m2 | 10.207 m2 | 8.992 m2 | 8.495 m2 |
| Nennleistung | 5,0 MW | 4,5 MW | 5,0 MW | 4,5 MW *2 | 3,6 MW | 3,6 MW |
| Getriebe | 3-stufig | 3-stufig | 1-stufig | ohne | 3-stufig | 3-stufig |
| Getr-Übersetzung | 1:97 | 1:88,6 | 1:9,92 | 1:1 | 1:119 | 1:117 |
| Generator | DGASG | DGASG | PMSG | SG | ASG | DGASG |
| Umrichter | Teilumrichter | Teilumrichter | Vollumrichter | Vollumrichter | Vollumrichter | Teilumrichter |
| Massen: | ||||||
| Rotorblatt | 17,8 t | 12,3 t | 16,5 t | 21 t | 16 t | k.A. |
| Rotor mit Nabe | 120 t | 65 t | 110 t | k.A. | 90 t | 85 t |
| Gondel | 290 t | 145 t | 200 t | k.A. | 120 t | 210 t |
| Turmkopf *3 | 410 t | 210 t | 310 t | 500 t | 210 t | 295 t |
| Turm | 750 t | 220 t | 1.138 t *4 | 2.500 t *5 | 250 t | 250 t |
| Nabenhöhe | 120 m | 90 m | 102 m | 124 m | 80 m | 76,5 m |
| Inbetriebnahme | Nov. 2004 | 2007 *6 | Dez. 2004 | Aug. 2002 | Dez. 2004 | Jun. 2004 *7 |
| spezif. Leistung | 401 W/m2 | 398 W/m2 | 473 W/m2 | 441 W/m2 | 400 W/m2 | 424 W/m2 |
| spezif. Masse | 32,9 kg/m2 | 18,6 kg/m2 | 29,3 kg/m2 | 49,0 kg/m2 | 23,4 kg/m2 | 34,7 W/m2 |
Tabelle: Technische Daten der Prototypen mit mehr als 3 MW Nennleistung (Multimegawatt-Prototypen)
Quelle: Herstellerangaben
Abkürzungen zur Tabelle:
SG = Synchrongenerator (hier: fremderregt)
PMSG = permenenterregter Synchrongenerator
ASG = Asynchrongenerator (hier: als Käfigläufer)
DGASG = doppelgespeister Asynchrongenerator
Anmerkungen zur Tabelle:
*1 = demnächst als 3.6sl mit 111 m Rotordurchmesser (9.677 m2)
*2 = demnächst mit 6 MW Leistung und etwa 125 m Rotordurchmesser
*3 = Gondel mit Rotor und Nabe
*4 = Multibrid: 313 t Stahl (inkl. Plattform) + 825 t Beton
*5 = Enercon: Beton
*6 = in Planung
*7 = Prototyp mit 100 m Rotordurchmesser wurde im April 2002 in Barrax (Spanien) errichtet
Die Vielfalt nimmt zu. In der 2-MW-Klasse haben sich zwei Konzepte durchgesetzt: entweder schnell laufendes Getriebe und doppeltgespeister Asynchrongenerator (ASG) mit Teilumrichter, oder Direktantrieb eines fremderregten Synchrongenerators mit Vollumrichter.
Die sechs Offshore-Prototypen sind nicht so einfach einzuordnen. Sie repräsentieren drei unterschiedliche Triebstrangkonzepte und zwei Generator-Umrichter-Systeme.
Windenergieanlagen mit mehrstufigem Getriebe und schnell drehendem Generator. Die vier Hersteller, die sich für dieses Konzept entschieden haben (GE Energy, Repower, Siemens, Vestas), setzen dreistufige Getriebe, jeweils bestehend aus zwei Planeten- und einer Stirnradstufe, ein. Die Generator-Umrichter-Systeme sind jedoch unterschiedlich. Zwar verwenden alle vier Hersteller Asynchrongeneratoren, doch nur drei einen doppelt gespeisten ASG, dessen Stator direkt mit dem Netz verbunden ist. Der Rotor des Generators wird als Schleifringläufer ausgeführt durch einen Umrichter ans Netz angeschlossen. Es muss also nur ein Teil der Generatorleistung (typischerweise 20 bis 30%) umgerichtet werden.
Siemens geht einen eigenen Weg und verwendet erstmals einen ASG als Käfigläufer, der über einen Vollumrichter ins Netz einspeist.
Den Weg zum Vollumrichter hat auch GE Energy inzwischen eingeschlagen. Der Anlagentyp 2.X ist bereits mit Synchrongenerator und Vollumrichter ausgerüstet, und vermutlich wird auch der leistungsstärkere Nachfolger der Offshore-Anlage 3.6s dieses Generator-Umrichter-System haben.
Denn der Vollumrichter bietet erhebliche Vorteile im Hinblick auf den Betrieb eines Offshore-Windparks als Kraftwerk.
Windenergieanlagen ohne Getriebe mit langsam laufendem Synchrongenerator – das bekannte Enercon-Konzept. Die fremderregte Synchronmaschine der E-112 besteht aus vier einzelnen, unabhängigen Generatoren. Der Wechselstrom wird zu 100% über einen Gleichstrom-Zwischenkreis mit einer größeren Anzahl von Umrichtermodulen in netzfrequenten Strom umgesetzt. Sowohl der Ringgenerator als auch der Umrichter weisen also eine hohe Redundanz auf. Auf die regelungstechnischen Vorteile dieses Vollumrichterkonzeptes im Sinne der Energieversorger (Eon-Netzrichtlinie) weist Enercon immer wieder hin.
Das dritte Triebstangkonzept steht zwischen den beiden anderen: Die Multibrid 5000 kommt mit einem einstufigen Planetengetriebe aus, das eine permanenterregte Synchronmaschine mit mittlerer Drehzahl antreibt. Durch den Einsatz dieses Generatortyps kann man nicht nur auf das Erregersystem und die Schleifringe verzichten, sondern vermeidet auch die Erregerverluste. Die Umrichtung des von der Multibrid erzeugten Stroms erfolgt über einen Vollumrichter.
Vier der sechs Prototypen haben ein schnell laufendes Getriebe. Das spricht dafür, dass die Komponenten des konventionellen Maschinenbaus dem Größenwachstum nach wie vor folgen können. Der Verzicht auf eine oder zwei Getriebestufen (Multibrid) oder gar auf das Getriebe als solches (Enercon) ist also noch nicht zwingend.
Aus Sicht der Netzeinspeisung steht schon eher ein Wandel ins Haus. Bereits drei der sechs Prototypen speisen den Strom über einen Vollumrichter ins Netz und erkaufen sich durch diesen erhöhten technischen Aufwand regelungstechnische Vorteile. Diesem Konzept scheint die Zukunft zu gehören. Es wird auch von den Energieversorgern bevorzugt, die sich in Zukunft an den Offshore-Windparks immer stärker beteiligen werden.
Das Verhältnis von Nennleistung zur Rotorkeisfläche (spezifische Leistung) ermöglicht einen Vergleich trotz der unterschiedlichen Größen und Konzepte. Es fällt auf, dass die spezifischen Leistungen der sechs Prototypen nicht weit auseinander liegen. Der größte Wert (473 W/m2) ist nur 20% größer als der kleinste (398 W/m2). Dieser enge Korridor enstpricht den Anforderungen, denn auf See gibt es praktisch nur »Starkwindstandorte«. In Zukunft wird man jedoch auch diesen Begriff differenzierter betrachten, denn in Ostsee, Nordsee und Atlantik findet man sehr unterschiedliche Bedingungen vor.
Bei den hier dargestellten spezifischen Leistungen wird es daher nicht bleiben. GE Energy wird in Kürze den Rotordurchmesser auf 111 m steigern, aus der 3.6s wird dann die 3.6sl, die Rotorkreisfläche wächst auf 9.676 m2 an, die spezifische Leistung sinkt entsprechend auf 372 W/m2. Erstmals soll dieser Anlagentyp im britischen Offshore-Windpark Gunfleet Sands zum Einsatz kommen (30 x 3,6 MW).
Andere Hersteller werden die Leistung bei gleichem Rotordurchmesser steigern. Enercon wird voraussichtlich in Kürze Rotordurchmesser und Leistung steigern, also einen völlig neuen Prototyp aufstellen.
Generell werden sich die Hersteller mehrere Optionen offen halten, um möglichst für jeden Standort die geeignete spezifische Leistung anbieten zu können.
Sehr viel stärker als in der spezifischen Leistung unterscheiden sich die sechs Prototypen in der spezifischen Masse, also im Verhältnis von Turmkopfmasse zur Rotorkreisfläche. Die E-112 liegt mit knapp 50 kg/m2 nach wie vor an der Spitze, während Vestas die spezifische Masse deutlich unter 20 kg/m2 drücken konnte.
Nach der einfachen Regel, dass »jedes Kilo kostet«, muss eine Masseneinsparung über kurz oder lang auch eine Kostensenkung nach sich ziehen. Zunächst einmal kostet allerdings die Masseneinsparung viel Geld. Schwere, aber preisgünstige Werkstoffe müssen durch leichte, aber teure ersetzt werden. Um beispielsweise ein extrem leichtes Rotorblatt in der erforderlichen Größe zu fertigen, kommt man ohne den teuren kohlefaserverstärkten Kunststoff nicht mehr aus.
Jeder Parameter ist relativ, also auch die spezifische Masse und die dadurch möglicherweise erzielte Kosteneinsparung. Denn für den Kunden zählen nur die Gesamtkosten, und diese werden nicht nur durch die Kosten der Windenergieanlage bestimmt, sondern auch durch die Kosten des Fundaments, der Kabeltrasse und schließlich durch die Betriebskosten. Hier kommt wieder die Zuverlässigkeit ins Spiel, die aus Sicht der Kunden meist durch eine konservative, aber schwergewichtige Konstruktion eher zu gewährleisten ist als durch ein »hochgezüchtetes Leichtgewicht«.
Die Repower 5M ist nach wie vor die größte Windenergieanlage der Welt. Der relativ große Rotor ermöglicht eine bessere Ausnutzung des Standortes, d.h. eine hohe Zahl von Volllaststunden. Bei einer Windgeschwindigkeit von 10 m/s im Jahresmittel (das entspricht den Bedingungen am Standort der Plattform Fino 1) soll die 5M auf 4.000 Volllaststunden kommen. Der Prototyp wurde im November 2004 in Brunsbüttel (Deutschland) errichtet. Im Sommer 2006 wurde die erste 5M zum ersten mal offshore errichtet. Der Standort liegt 25 Kilometer vor der schottischen Küste („Beatrice wind farm“).
The Repower 5 M at Beatrice wind farm, © Repower Systems AG
The Repower 5 M at Beatrice wind farm, © Repower Systems AG
The Repower 5 M wind turbine
With friendly permission of © Repower Systems AG
Die Vestas V120 basiert auf der noch von NEG Micon entwickelten NM 110. Es ist Vestas gelungen, die Anlage zu vergrößern ohne eine nennenswerte Erhöhung der Masse. Dies gelang u.a. dadurch, dass die Rotorblätter nun einzeln verstellt werden können (Einzel-Pitch), sodass die auf den Triebstrang wirkenden Lasten reduziert werden – ein Prinzip, das andere Hersteller schon seit langem anwenden. Im extrem leichtgewichtigen Rotorblatt steckt viel kohlefaserverstärkter Kunststoff. Vestas scheut offenbar keine Kosten, um den leichtesten Prototyp zu verwirklichen.
Die Enercon E-112 wurde bereits mehrmals aufgestellt, einmal sogar im flachen Wasser bei Emden. Enercon kündigte an, dass ein neuer, noch größerer Prototyp demnächst folgen wird. Es ist mit 6 MW Leistung zu rechnen. Der Rotordurchmesser wird vermutlich auf etwa 125 m anwachsen, das bedeutet 20% mehr Rotorkreisfläche. Der Ertrag soll aufgrund der neuen Blattgeometrie sogar um 35% gegenüber der E-112 anwachsen.
Die Multibrid 5000 ist nach wie vor einzigartig unter den Prototypen mit mehr als 3 MW Leistung 2. Weil sie nur mit einer Getriebestufe auskommt, hofft der Hersteller auf eine hohe Zuverlässigkeit. Die spezielle Konstruktion hat jedoch den Nachteil, dass auf See praktisch keine größeren Reparaturen möglich sind, auf keinen Fall ein Austausch des Getriebes. In den meisten Fällen wird man der Einfachheit halber den Turmkopf komplett austauschen, um den Defekt an Land zu beheben.
Siemens kann mit dem robusten Käfigläufer-ASG und mit dem Vollumrichter punkten. Nennleistung und Rotordurchmesser müssen allerdings noch kräftig wachsen, um mit dem Wettbewerb Schritt zu halten.
GE Energy testet sieben Anlagen des Typs 3.6s bereits seit zwei Jahren in der Irischen See, verfügt also über die größte Offshore-Erfahrung in der Klasse über 3 MW. Obwohl die 3.6s nun mit einem größeren Rotordurchmesser ausgerüstet wird (und dann 3.6sl heißt), stellt sich die Frage, in welche Richtung GE Energy langfristig gehen wird. Die Entwicklung der 2.X spricht dafür, dass der nächsten Offshore-Prototyp ebenfalls mit Synchrongenerator und Vollumrichter ausgerüstet sein wird.
This report is based on an article which appeared in the volume 1 / 2006 issue of Sun, Wind and Energy. The article was updated in September 2006 and is republished with permission of the authors and publisher.
1 Von vier der hier dargestellten Multimegawattanlagen existiert bisher jeweils ein Prototyp. Die GE Energy 3.6s, die Enercon E-112, die Repower 5M und die Siemens 3.6 MW wurden bereits mehrfach gebaut. Der Einfachheit halber ist jedoch im Folgenden stets von Prototypen die Rede.
2 Der kleine finnische Hersteller Windwind Oy errichtete im November 2004 einen 3-MW-Prototypen (90 m Rotordurchmesser), der ebenfalls nach dem Multibrid-Prinzip aufgebaut ist (www.winwind.fi).