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Typen und Charakteristika von Windenergieanlagen

Erstellt am: 04.03.2013 | Stand des Wissens: 24.06.2022
Synthesebericht gehört zu:
Ansprechpartner
Technische Universität Hamburg, Institut für Maritime Logistik, Prof. Dr.-Ing. C. Jahn

Grundsätzlich besteht eine Windenergieanlage aus den Komponenten Turbine und Tragstruktur. Das Hauptunterscheidungsmerkmal der Turbinen ist ihre Leistung. Während im Onshore Bereich großteils Turbinen zwischen 1,5 und 3 Megawatt eingesetzt werden, finden sich im Offshore-Bereich Turbinen mit Leistungen von 5 Megawatt und höher. Auf Grund oft ähnlicher Standortbedingungen unterscheiden sich Offshore-Turbinen nur gering. Onshore-Turbinen werden im Gegensatz für unterschiedliche Einsatzzwecke hergestellt und einzelne Modelle sind unter anderem für den Einsatz bei wenig Wind oder für Geräusch-emissionsreduzierten Betrieb in Siedlungsnähe optimiert [Nord16].
Zudem unterscheiden sich die (Onshore-)Turbinen zum Teil deutlich in der Antriebsart des Generators. Hauptsächlich sind zwei Generatortypen im Einsatz: Direkt angetriebene Generatoren und Generatoren mit vorgeschaltetem Getriebe. Direkt angetriebene Generatoren werden mit der Drehzahl des Rotors betrieben und die dadurch resultierende schwankend frequente Wechselspannung wird mittels eines Vollumrichters zunächst in eine Gleichspannung gleichgerichtet und dann für die Netzeinspeisung in eine Wechselspannung mit passender Spannung, Frequenz und Phase umgewandelt [Wind08]. Der Vorteil von direkt angetriebenen Generatoren liegt in dem geringeren Wartungsaufwand und der erhöhten Zuverlässigkeit gegenüber Generatoren mit vorgeschaltetem Getriebe. Das Haupteinsatzgebiet für Turbinen mit direkt angetriebenem Generator findet sich onshore. Bei Generatoren mit vorgeschaltetem Getriebe wird zunächst die Drehzahl des Rotors so übersetzt, dass sie der sehr hohen Nenndrehzahl des Generators, bei der der Wirkungsgrad am höchsten ist, möglichst nahe kommt. Die Frequenz der erzeugten Wechselspannung muss ähnlich wie bei direkt angetriebenen Generatoren für die Netzeinspeisung umgewandelt werden. Jedoch fallen Frequenzschwankung und Differenz zur Netzfrequenz durch das Getriebe geringer aus als bei direktangetriebenen Generatoren. Daher reicht bei Generatoren mit vorgeschaltetem Getriebe ein einfacher Frequenzumrichter [RegE11]. Die Vorteile von Generatoren mit vorgeschaltetem Getriebe sind ein höherer Wirkungsgrad, geringere Investitionskosten und ein niedrigeres Gewicht, was grade bei den großen Turbinen mit hoher Leistung im Offshore-Bereich entscheidend ist.
Die Tragstruktur besteht aus Turm und Gründungsstruktur. Der Turm besteht bei modernen Anlagen meist aus einer Stahlrohrkonstruktion. Für besonders hohe Anlagen in (Onshore-)Schwachwindgebieten werden sogenannte Hybridtürme verwendet, bei denen der konventionelle Stahlrohrturm auf einen Betonturm gesetzt wird. Der Betonturm kann dabei nicht selten bereits über 50 Meter hoch sein [Nord16]. Weitere Alternativen sind Stahlfachwerktürme oder Holztürme. Stahlfachwerk kommt in Deutschland kaum zum Einsatz, da die Fertigung kaum automatisiert stattfinden kann und die Produktion somit nur in Niedriglohnländern konkurrenzfähig möglich ist. Holztürme befinden sich noch in der Erprobungsphase. Es wird erwartet, dass die Lebenszeit eines Holzturms bei gleicher Höhe und Tragfähigkeit etwa 40 statt 20 Jahre wie bei einem Stahlrohr- oder Hybridturm beträgt. Weitere Vorteile von Holztürmen sind die niedrigeren Produktionskosten, der durch die wesentlich kleineren Segmente geringere für die Errichtung notwendige Logistikaufwand und die bessere Ökobilanz gegenüber Stahlrohr- und Hybridtürmen [EW21].
Bei der verwendeten Gründungsstruktur handelt es sich auf dem Festland fast ausnahmslos um Stahlbetonfundamente. Im Offshore-Bereich hingegen kommen unterschiedliche Gründungsstrukturen zum Einsatz. Verschiedene Bauvarianten der Gründungsstrukturen, welche zumeist von der Wassertiefe abhängig sind, werden nachfolgend aufgeführt und in Abbildung 1 dargestellt (von rechts nach links):
  • Monopiles, eine Konstruktion bestehend aus einem einzelnen Pfahl,
  • Schwerkraftfundament, ein großer Betonblock, welcher sich durch sein Eigengewicht am Meeresboden hält,
  • Tripile, drei Pfähle aus Stahlrohr, die über Wasser auf einer Dreibeinkonstruktion aufgesetzt werden,
  • Jacket, Stahlwerkskonstruktion, die einem Strommast gleicht,
  • Tripod, Dreibeinkonstruktion aus Stahlrohren, die unter Wasser den Hauptpfahl stützen,
  • Schwimmende Fundamente, die schwimmende Anlage ist mit Seilen an einem Fundament auf dem Meeresboden fixiert [Hoef10].
Bisherige Offshore-Windparks sind meist in flachen Abschnitten entlang der Küste zu finden, bei denen als Gründungstruktur hauptsächlich Monopiles verwendet wurden. Diese Konstruktion ist nicht für große Wassertiefen und schweren Windkraftanlagen geeignet, da die Rohrlängen und deren Durchmesser hierbei sehr große Dimensionen annehmen müssten.

Gründungsstrukturen für Offshore-WindkraftanlagenAbb. 1: Gründungsstrukturen für Offshore-Windkraftanlagen (Eigene Darstellung nach [OfW13])
(Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)

In den letzten Jahren stieg mit der Nachfrage nach Strom aus Windenergie auch der Bedarf an leistungsfähigeren Anlagen. Im Rückblick auf die Entwicklung der letzten 25 Jahre im Bereich der Windenergieanlagen ist eine nahezu exponentielle Zunahme der leistungsstarken Anlagen zu verzeichnen. Dies ist auch auf große Fortschritte in Forschung und Entwicklung innerhalb der 1990er-Jahre zurückzuführen. Während eine Windenergieanlage im Jahr 1990 noch  durchschnittlich eine Leistung von 0,14 Megawatt erzeugte[AEE14a], liegt der Durchschnitt der neuinstallierten Anlagen im Jahr 2018 bei 3,2 Megawatt. Die im Jahresverlauf 2020 installierten Anlagen entsprechen weitestgehend der Technologie, die auch im Vorjahr genutzt wurde. Die mittlere Anlagenleistung bleibt mit 3,4 MW gegenüber 2019 unverändert [BWE19a]. 

Diese Leistungssteigerung im Segment der Windenergieanlagen führte in den vergangenen Jahren auch zu größeren Abmessungen der Offshore-Windkraftanlagen. 1991 wurde in Dänemark der erste europäische Offshore-Windpark installiert [4CO17]. Die dort errichteten Anlagen vom Typ B35/450 der Firma Bonus Energy A/S besitzen einen Rotor-Durchmesser von 35 Metern, eine Nabenhöhe (ab Wasseroberfläche) von 35 Metern und eine Leistung von 0,45 Megawatt. Ein von der Firma Vestas Wind Systems A/S Ende 2013 errichteter Prototyp besitzt eine Leistung von 8 Megawatt, eine Turmhöhe von 133 Metern, eine Nabenhöhe von 138 Metern und einen Rotor-Durchmesser von 164 Metern [WPM13a].
Ansprechpartner
Technische Universität Hamburg, Institut für Maritime Logistik, Prof. Dr.-Ing. C. Jahn
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Einfluss von Windenergieanlagen auf Flugbetrieb und Seeschifffahrt (Stand des Wissens: 24.06.2022)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?406585
Literatur
[4CO17] 4C Offshore (Hrsg.) Vindeby Offshore Wind Farm, 2013
[AEE14a] Agentur für erneuerbare Energien (Hrsg.) Entwicklung der durchschnittlichen Leistung neuer Windenergieanlagen, 2014
[BWE19a] Bundesverband Windenergie (Hrsg.) Zahlen und Fakten - Statistische Kennziffern zur Erfolgsgeschichte Windenergie, 2019
[EW21] Denis Dilba Die neue Holzklasse , 2021/02/17
[Hoef10] Höflich, B. Fundamente für Offshore-Windenergieanlagen, 2010/10
[Nord16] Nordex (Hrsg.) Nordex Produkt Portfolio, 2016/01/01
[OfW13] Stiftung Offshore Windenergie (OfW) (Hrsg.) Gründungsstrukturen, 2013
[RegE11] Volker Quaschning Regenerative Energiesysteme, Technologie - Berechnung - Simulation, 7. Aktualisierte Auflage, 2011/09/01
[Wind08] Erich Hau Windkraftanlagen - Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit, 2008/01/02
[WPM13a] Ben Miller Picture Gallery - Vestas 8MW tower finished, 2013/11/27
Glossar
Tragfähigkeit Wasserverdrängung eines voll abgeladenen Schiffes abzüglich der Schiffsmasse. Umfasst die Massen von Besatzung, Passagieren, Ladung, Brennstoffen, Wasser und aller Vorräte.
übliche Abkürzungen:  Tons deadweighttdw), Dead weight tons)

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?406460

Gedruckt am Sonntag, 2. Oktober 2022 11:51:52