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Große Windenergieanlagen profitieren von innovativer Getriebetechnik

25.03.2009
Mit der steigenden Leistung von Windenergieanlagen erhöhen sich die Anforderungen an deren Antriebsstrang. Zuverlässigkeit, Gewicht, Kosten und Wirkungsgrad sind die Vergleichskriterien. Mehrheitlich sprechen sie für ein Generatorantriebskonzept mit Getriebe.

Windenergie ist rund um den Globus gefragt. Etwa 27 GW Leistung wurden 2008 weltweit neu aufgestellt. Die Anlagenhersteller verzeichnen weiterhin weltweit ein zweistelliges Umsatzwachstum. Jedoch verschiebt sich der Markt zu immer größeren Anlagen. Moderne Windkraftwerke folgen dem Trend zu immer höheren Türmen und längeren Rotorblättern. Einige Rotorblätter sind bereits so lang, dass sie aus Logistikgründen erst am Aufstellort zu einem Flügel verschraubt werden. Eine moderne Antriebstechnik ist wesentlich für die Leistungsfähigkeit dieser Anlagen.

Drei Antriebskonzepte am Markt eingeführt

Basis dafür ist eine innovative Getriebetechnik. Sie besteht bei Rexroth aus Hauptgetrieben zur Erhöhung der Rotordrehzahl auf die Generatordrehzahl. Zu diesen Getrieben, die es in sehr unterschiedlichen Größen gibt, kommen kompakte Pitch- und Azimutgetriebe für die Rotorblattverstellung sowie die Gondelnachführung. Alternativ dazu werden bei Rexroth auch komplette Hydraulikaggregate zur Rotorblatt- und Azimutverstellung gefertigt.

Auf der anderen Seite des Hydraulikprogramms für Windenergieanlagen steht die Versorgung mit Komponenten, zum Beispiel der Ölversorgungseinheit. Beide Antriebstechniken treibt Rexroth seit Mitte der achtziger Jahre für Windenergieanlagen voran, seit dem Entstehen der modernen Windindustrie.

Die durchschnittliche Leistung einer in Deutschland installierten Windenergieanlage lag im vergangenen Jahr bei nicht ganz 2 MW. Moderne Onshore-Anlagen erreichen eine Leistung bis 3,5 MW. Für Offshore-Windparks sind sogar Anlagen mit einer Leistung von 5 MW und mehr geplant. Mit steigender Leistung nimmt die Anlagengröße zu. Damit erhöhen sich auch die Anforderungen an die eingesetzten Komponenten im Antriebsstrang stetig. Drei Antriebsstrangkonzepte sind zu unterscheiden:

-Das mehrstufige, kombinierte Planeten-Stirnradgetriebe befindet sich zwischen der Rotornabe und einer doppelt gespeisten, schnell laufenden Asynchronmaschine. Dieses Antriebsstrangkonzept hat einen Marktanteil von über 80%.

-Beim Direktantrieb sind die Rotornabe und ein groß dimensionierter Ringkerngenerator ohne Getriebe als feste Einheit miteinander verbunden.

-Das dritte Antriebsstrangkonzept basiert auf einem Antrieb mit ein oder zwei Getriebestufen und einem Generator mittlerer Geschwindigkeit.

Sehr oft in der Diskussion steht die Frage, welches Antriebskonzept bezüglich des Gewichts, der Kosten und der Wirtschaftlichkeit den anderen überlegen ist. Ein Gewichtsvergleich für die drei unterschiedlichen Antriebskonzepte aus Getriebe, Generator und Umrichter ergibt, dass sich das Gewicht der Direktantriebe mit zunehmender Leistung stärker erhöht als das der Getriebelösung. Dies liegt hauptsächlich daran, dass bei den Ringgeneratoren mit großen Durchmessern die Tragstruktur sehr massiv sein muss, um einen kleinen Luftspalt zwischen Rotor und Stator erreichen zu können. Daraus folgen sehr große Turmkopfmassen und entsprechende Kostennachteile der Direktantriebe bei den Türmen und Fundamenten.

Bezüglich der Kosten für den Antriebsstrang erhält man ein sehr ähnliches Ergebnis. Bei Direktantrieben schlägt sich der höhere Materialaufwand direkt in den Kosten nie-der. Deutlich günstiger sind Antriebslösungen mit Getriebe. Die Kosten für die Getriebekonzepte mit Synchrongenerator sind höher als bei einem Antriebssystem mit einem doppelt gespeisten Asynchrongenerator. Dies liegt hauptsächlich an den höheren Kosten für den Vollumrichter, der bei Synchrongeneratoren benötigt wird.

Mehr Wirtschaftlichkeit bei Antrieben mit Getriebe

Entscheidend für die Überlegenheit der Antriebe ist letztendlich der Vergleich der Wirtschaftlichkeit. Die Kostennachteile der Direktantriebe können nur zum Teil durch die höheren Energieerträge (besserer Wirkungsgrad) kompensiert werden. Insgesamt bietet die Wirtschaftlichkeit der Antriebskonzepte mit Getriebe Vorteile. Außerdem ist die Produktion von Getrieben weniger sensibel gegenüber Preissteigerungen bei Rohstoffen wie Magneten, Kupfer und Stahl als die von Direktantrieben. Daher wird der Anteil der Windenergieanlagen mit Getriebe auch in Zukunft weiter steigen.

Moderne Pitchsysteme garantieren eine optimale Leistungsregelung innerhalb des gesamten Betriebsbereichs einer Windenergieanlage. Für die Rotorblattverstellung bietet Rexroth sowohl elektromechanische als auch hydraulische Lösungen. Elektromechanische Pitchantriebe, platzsparend in der Nabe installiert, bestehen jeweils aus einem kompakten, zwei- oder dreistufigen Planetengetriebe, einem Abtriebsritzel und einem wartungsfreien Asynchronmotor.

Auch hydraulische Rotorblattverstellungen zeichnen sich durch geringes Bauvolumen, dezentrale Intelligenz und hohe Zuverlässigkeit aus. Dabei übernehmen busfähige Proportionalwegeventile komplexe Regelungsaufgaben und sorgen so für eine hohe Regeldynamik. Mit der aufgelösten Bauweise der hydraulischen Einheiten gestaltet sich der Einbau in der Windturbine sehr flexibel. Sowohl die mechanische als auch die hydraulische Rotorblattverstellung kommen in modernen Anlagen zum Einsatz. Der Anlagenhersteller entscheidet, welche Merkmale und Eigenschaften ihm vorrangig von Bedeutung sind.

Ein Weg, um neue Antriebslösungen für Windenergieanlagen einzuführen, sind Entwicklungspartnerschaften zwischen Zulieferern und Anlagenherstellern. Rexroth hat dafür eigens ein Anwendungszentrum für Windenergie eingerichtet. Dort werden individuelle Engineering-Lösungen gemeinsam mit den Anlagenherstellern entwickelt und auf deren Bedürfnisse abgestimmt.

Andreas Vath ist Entwicklungsingenieur für Erneuerbare Energien bei Rexroth, Hans Peter Janousch ist Projektingenieur im Anwendungszentrum Windenergie desselben Unternehmens.

Andreas Vath und Hans Peter Jano | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/konstruktion/antriebsundsteuerungstechnik/articles/176911/

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