Windenergie
Bericht
Windenergie - Komponenten - Systeme - Konzepte
- Rahmenbedingungen und Wachstumspotenziale
- Innovationen beim Turm, dem Antriebsstrang und der Qualitätssicherung
- Erstmaliges Cluster-Forum zum Thema Windenergie mit 151 Teilnehmern in Nürnberg
Die Windenergie spielt heute in Deutschland, mit 7,5 Prozent an der Stromerzeugung, die führende Rolle im Mix der Erneuerbaren Energien. Politische Vorgaben, etablierte Technologien und weiteres Entwicklungspotenzial werden den Ausbau der Windenergie weiter beschleunigen.
Firmen und Institute, gerade auch aus Bayern, haben weltweit gefragtes Know-how in der gesamten Wertschöpfungskette. Anlagen mit größerer Leistung, höherer Effizienz und verminderter Lärmemission bieten besondere Marktchancen. Dabei stehen die Optimierung im Antriebsstrang, Gewichts- und Kostenreduktion bei Rotoren, neuartige Turmkonzepte, Aspekte der Leistungselektronik und funktionsrelevanter Überwachungssysteme sowie die Erhöhung der Produktionsautomatisierung im Fokus von Forschung und Entwicklung.
Der Cluster Energietechnik griff diese aktuelle Thematik auf. Am 6. Dezember 2011 trafen sich 150 Experten aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik beim Cluster-Forum „Windenergie - Komponenten-Systeme-Konzepte" im NH Hotel in Nürnberg.
Im Folgenden sind die Kernaussagen der Präsentationen über Ziele der Bayerischen Staatregierung, Beispiele realisierter Projekte, das Potential in Waldgebieten und die neuesten technischen Entwicklungen bei den Windenergieanlagen zusammengefasst.
In der thematischen Einführung gab Professor Dr. Josef Nassauer einen kurzen Überblick über den aktuellen Stand der Windenergie-Nutzung in Bayern und Deutschland. Er zeigte die Marktchancen für die Zulieferindustrie Bayerns auf, wies aber auch auf den rasanten Zubau der chinesischen Windenergie-Industrie hin.
Professor Dr. Josef Neiß, Ministerialdirigent im bayerischen Wirtschaftministerium berichtete in seinem Plenarvortrag über die energiepolitischen Ziele und Rahmenbedingungen des bayerischen Energiekonzepts mit dem Schwerpunkt Windenergie. Die Erneuerbaren Energien, die derzeit in Bayern einen Strom-Anteil von knapp 26 % haben, sollen innerhalb der nächsten 10 Jahre den doppelten Beitrag liefern: Wasserkraft 17 %, PV 16 %, Biomasse 10 %, Wind 6 - 10 % und Geothermie 0.6 %. Die CO2 Emissionen pro Kopf in Bayern sollen auf unter 6 t/Jahr vermindert werden.
Schwerpunkte der bayerischen Energiepolitik, die unter der Überschrift Sicherheit, Bezahlbarkeit und Klimafreundlichkeit stehen, sind der Ausbau der Erdgasinfrastruktur und der Ausbau der Energienetze und Energiespeicher. Im Höchstspannungsnetz müssen 240 km neu installiert werden, im Mittelspannungsnetz 14000 bis 43000 km und im Niederspannungsnetz 50000 bis 80000 km. Unerlässlich sind auch die Steigerung der Energieeffizienz und die Verstärkung der Energieforschung. Begleitet wird dieser Prozess von der neu gegründeten Energieagentur „Energie Innovativ".
Um die Erhöhung der bayerischen Stromerzeugung aus Windenergie von heute 1 % auf über 6% zu erreichen, sollen rund 1000 Windkraftanlagen neu errichtet werden. Diese müssen raumverträglich geplant, wirtschaftlich erfolgreich und von den Bürgern akzeptiert werden.
Der für Ende des Jahres geplante Windenergie-Erlass schafft eine einheitliche Beurteilungsgrundlage zur Planung und Genehmigung von Windenergieanlagen und soll das Genehmigungsverfahren von derzeit 10 Monaten auf drei Monate verkürzen. Dabei dient die „Gebietskulisse Windkraft" des Landesamt für Umwelt (LfU) als Umweltplanungshilfe für Kommunen und regionale Planungsverbände.
Ulrich Lenz, Unternehmensleiter der Ostwindgruppe aus Regensburg, erläuterte die einzelnen Schritte von der Standortsuche bis zur Genehmigung von Windparks. Die Flächenakquise und die Potenzialanalyse beinhalten das Screening auf kommunaler Ebene, die Ausweisung möglicher Standorte unter Berücksichtigung der Abstandskriterien und der nutzbaren Windhöffigkeit, gestaffelt nach den verschiedenen Höhen.
Genehmigungsnachweise entsprechend dem BImSchG umfassen ein Schallgutachten, ein Schattengutachten und eine einjährige spezielle artenschutzrechtliche Prüfung. Weitere wichtige Planungsschritte sind die geotechnische Untersuchung mittels Seismik und Georadar. Aber auch die Simulation der dynamischen Lasten führt zur Dimensionierung von Spezialtiefgründungen. Um den Systemdienstleisterbonus zu erhalten, benötigt der Windpark eine entsprechende elektrische Ausstattung, die das elektrische Verhalten vom Stillstand der WEA bis zur Nennleistung abdeckt. Die logistische Planung des Transports von 50 bis 60 Meter langen Rotorblättern durch Waldgebiete ist dabei nicht zu vernachlässigen und erfordert oft entsprechende Sonderlösungen.
Wie sieht das Ausbaupotenzial der Windenergie in Deutschland aus? Dieser Frage ging Dr. Stefan Bofinger, vom Fraunhofer-Institut für Windenergie und Systemtechnik (IWES) in Kassel, nach. In einer vom Bundesverband Windenergie in Auftrag gegebenen Studie wurden zuerst Ausschlussflächen und nutzbare Flächen anhand der Bodenbedeckung sowie geographischen Merkmalen, wie bspw. Straßen, Bahnlinien, usw. bestimmt. Anschließend wurden die möglichen Standorte mit geeigneten WEA versehen. Die wesentlichen Ergebnisse der Studie: Bei der Nutzung von 2% der Fläche eines jeden Bundeslandes ergeben sich theoretisch 198 GW installierbare Leistung mit rund 390 TWh Stromertrag. Dies entspricht 65% des deutschen Bruttostromverbrauchs von 603 TWh im Jahr 2010. In Bayern stehen auf Basis der Geodaten, ohne die Einbeziehung von Wäldern und Schutzgebieten, rund 6,4% der Landesfläche für die Windenergienutzung zur Verfügung. Bei der Nutzung von 2% der Fläche ergeben sich 41 GW installierbare Leistung.
Tobias Klaas, ebenfalls vom Fraunhofer-Institut IWES erläuterte die unterschiedlichen Windcharakteristiken in Waldgebieten und stellte neue Messverfahren vor. Die aktuellen Forschungsfragen betreffen die Strömungsverhältnisse, verursacht durch Waldnebenflächen und die Frage wie sich die erhöhten Turbulenzen über Waldgebieten auf die Anlagenlasten auswirken.
Die einfachste Möglichkeit ist es, das logarithmische Windprofil, welches die Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit von der Höhe beschreibt um die mittlere Baumlänge zu verschieben. Aber auch Baumarten, der Baumabstand sowie die Jahreszeit spielen eine wichtige Rolle.
Eine vergleichsweise schnelle Messung vor Ort ist die LIDAR Windmessung. Das Prinzip beruht auf dem optischen Dopplereffekt durch die Rückstreuung von Aerosolen. Mit den in mindestens 3 Richtungen ausgesandten Laserstrahlen werden radiale Windgeschwindigkeiten gemessen. Daraus wird der Windvektor berechnet. Um die Ergebnisse aus diesen Messungen weiter zu verifizieren und zu verbessern, wird aktuell ein 200 m hoher Windmessmast am „Rödeser Berg" errichtet.
Um die Kompetenzen süddeutscher Hochschulen und Forschungszentren auf dem Gebiet der Windenergieforschung zu bündeln und die standortspezifischen Forschung im Süden Deutschlands zu intensivieren, wurde das Windenergieforschungsnetzwerk WINDFORS gegründet. Professor Große, dessen Lehrstuhl Mitglied im Forschungsnetzwerk ist, stellte Verfahren zur automatischen zerstörungsfreien Prüfung von Rotorblättern dar.
Im Rahmen eines vom BMWi geförderten Projekts wurden die Randbedingungen für die zerstörungsfreien Insitu-Prüfung definiert, verschiedene ZfP-Prüfverfahren festgelegt und unterschiedliche Schadensbilder erläutert. Für das Ultraschall-Echo zur Überprüfung von Stegverklebungen und die lokale Resonanzspektroskopie zur Ermittlung oberflächennaher Schäden zeigte Professor Große die Messprinzipien auf. Beide Verfahren detektieren Schädigungen, lassen sich in automatische Systeme (Roboter) einbauen und sind auch für die Werkskontrolle oder den halbmanuellen Einsatz geeignet.
Aufbauend auf diesen Ergebnissen regte Professor Große an, das Design von Rotorblättern, aber auch von anderen Komponenten der WEA, hinsichtlich der Prüfbarkeit weiterzuentwickeln, die Rehabilitierbarkeit einzubeziehen und verstärkt automatisierte Qualitätskontrollen während der Herstellungs- bzw. Bauphase durchzuführen.
Ziel des Europäischen Forschungsprojekt Upwind, von dem Dr. Jan Hemmelmann, General Electric aus Garching berichtete, war es, ein effizientes Design einer großen Offshore-Turbine mit fünf, zehn, 15 und 20 MW zu untersuchen, um Hindernisse für deren Entwicklung zu erkennen und Methoden zu entwickeln, diese zu überwinden.
So ist es mit bestehendem Wissen und bekannten Materialien möglich, eine 20-Megawatt-Turbine zu bauen. Beim Hochskalieren auf diese Leistung wurde mit Blick auf die Kostenstruktur festgestellt, dass ohne Innovationen, die Kilowattstunde zehn bis 15 Prozent teurer produziert würde als mit derzeitigen Maschinen.
So wäre es allerdings auch beim so genannten Upscaling seit den frühen 80er Jahren gewesen, hätte man nicht neue Technologien eingeführt. Hinzu kommt, dass einige Innovationen sich erst für größere Turbinen rechnen. Schon in einer Zehn-MW-Turbine könnte zum Beispiel ein Lidar sinnvoll sein, weil man damit in der Lage ist, Lasten und so auch Gewicht und Kosten zu reduzieren.
Neue Entwicklungen, speziell bei großen Nabenhöhen stellte Christoph Manseder, Sales Ingineer von Vestas vor. Aufbauend auf den erprobten Komponenten der Vorgängermodelle zeichnet sich die V112 durch einen Permanentmagnetgenerator, einen Vollumrichter und einen passiven Durchflusskühler aus. Lediglich die Transformatorenkühlung, sowie die Heizung und Belüftung des Maschinenhauses werden über elektrische Lüfter gekühlt. Beim Design der Gondel, entworfen im Virtual Reality Centre, wurde durch modularen Aufbau großer Wert auf die Wartungsfreundlichkeit der vor Ort Komponenten, gelegt.
Durch die Vergrößerung der Rotorblätter, in denen Blitzableiter und Erdungskabel integriert sind, erreicht man eine um 55% größere überstrichene Fläche bei gleichzeitiger Verringerung der Geräuschentwicklung.
Die Umrichtertechnologie erfüllt die volle SDL Wind Verordnung, sowohl beim Anschluss an das Mittelspannungs-, wie auch an das Höchstspannungsnetz.
Da mit zunehmender Höhe die Windgeschwindigkeit und damit der Stromertrag steigen, wachsen auch die Türme der Windenergieanlagen. Die aktuellen Nabenhöhen betragen bei den Onshore-Anlagen derzeit um die 130 Meter. Die Max Bögl Wind AG realisiert Hybrid Windkraft Türme von 100 - 150 m. Diese bestehen im unteren Bereich aus Fertigteil-Betonringen mit einer Höhe von 3,80 m und einer Wandstärke von 30 cm. Verspannt wird der Turm im Inneren mit Stahlseilen. Der Übergang von Beton zu Stahl ist variabel und liegt zwischen 60 und 100m. Die Vorteile der modularen Bauweise liegen in der flexiblen Logistik und kurzfristigen Lieferbereitschaft. Dazu gibt es spezielle Hebegeräte, die Messung eventueller Lageabweichungen und Schweißroboter.
Antriebs- und Rotorinnovationen an Windenergieanlage - Sprünge oder Trippelschritte, war das Vortragsthema von Dr. Anton von der Siemens AG. Daraus ergeben sich die folgenden Fragen: Baut man den Antriebsstrang mit oder ohne Getriebe, klebt man die Rotorblätter oder fertigt man sie in einem Stück, benützt man Karbon oder Glasfaser und in wie weit kann man bewährte Komponenten in neue Anlagen integrieren.
Ausschlaggebend für die Entwicklung eines Direktantriebs war für Siemens die große Anzahl von Zahnrädern und Lagern, die einem ständigen Verschleiß unterliegen. Obgleich dadurch zwar die Turbine größer und schwerer wird, gelang es das auf die Leistung normierte Gondelgewicht besonders niedrig zu halten.
Die Eigenfertigung der Rotorblätter setzt weiterhin auf das preiswerte Glasfieber-Material. Gleichzeitig wurden die Form und Verstellmöglichkeiten der Flügel stark verbessert.
Zentraler Baustein aller Investitionen liegt in der einheitlichen Nutzenbewertung potenzieller Verbesserung. Ein striktes Filtern neuer Ideen und eine wiederholte Bewertung schafft die Voraussetzung für eine nachhaltige Verbesserung.
