Kleinwindenergieanlagen effizient betreiben

Dänemark ist seit der Ölkrise der 1970er Jahre einer der Pioniere im Bereich der Windenergie. Vor der großen Ölknappheit war das Land fast vollständig von importierten fossilen Brennstoffen abhängig. Noch bis in die 80er Jahre hinein emittierte das Land pro Kopf extrem hohe Mengen an CO2. Nach einem Umdenken und konsequentem politischen Handeln präsentiert sich die Situation heute völlig anders. Rund die Hälfte der weltweit eingesetzten Windkraftanlagen wird von dänischen Unternehmen produziert, etwa 20 % der eigenen Energieproduktion erzeugt Dänemark allein mit der Kraft des Windes. Bis zum Jahr 2020 will die dänische Regierung diesen Anteil bis auf 50 % erhöhen.

Neben großen Windparks an Land und auf See spielen dabei auch Kleinwindenergieanlagen eine immer wichtigere Rolle. Verantwortlich für die Attraktivität der privaten, dezentralen Energieerzeugung mit kleinen Windkraftanlagen ist neben steuerlichen Abschreibungsmöglichkeiten das so genannte Net-Metering. Seit Juni 2010 können KWEA-Betreiber ihren Stromzähler bildlich gesprochen einfach rückwärts laufen lassen, wenn sie Strom in das Netz einspeisen. In der Praxis wird dazu ein moderner Zweirichtungszähler eingebaut, der unabhängig voneinander beide "Richtungen" des Stromflusses aufzeichnet. So kann dort abgelesen werden, wie viel Strom der Haushalt aus dem öffentlichen Versorgungsnetz bezogen hat und wie viel durch die KWEA eingespeist wurde. Auf diese Weise erhalten die Stromproduzenten unbürokratisch und unmittelbar eine Vergütung in der Höhe des Tarifs, den sie als Stromkunden selbst bezahlen. Speist der Kunde mehr ein als er bezieht, wird dieser Überschuss vom Netzbetreiber mit umgerechnet ca. 0,08 Euro pro kWh vergütet.

Für Unternehmen, die sich auf KWEAs für den vorwiegend privaten Gebrauch spezialisiert haben, ist Dänemark entsprechend ein attraktiver Absatzmarkt mit Wachstumspotenzial. Das spanische Unternehmen Bornay Aerogeneradores ist einer dieser Windenergiespezialisten. Bornay entwickelt und baut seit 1970 Kleinwindkraftanlagen und zählt heute zu den führenden Anbietern von KWEAs. Die Spanier produzieren fünf verschiedene KWEA-Modelle mit bis zu 6 kW Leistung in Serie und installierten bereits mehr als 4.000 Windturbinen in über 50 Ländern auf der ganzen Welt. Die Mehrzahl dieser Anlagen dient in Verbindung mit einer Steuerung, einem Inverter und Speicherbatterien zur Elektrifizierung in abgelegenen Regionen der Welt, die nicht an das öffentliche Versorgungsnetz angeschlossen sind.

Die größeren Modelle Bornay 1500, 3000 und 6000 können darüber hinaus auch zur Einspeisung des produzierten Stroms ins öffentliche Netz eingesetzt werden und dienen so der landwirtschaftlichen oder kleingewerblichen Stromerzeugung. Um den durch Windkraft generierten Strom für den Eigenbedarf nutzen oder überschüssige Energie ins 230 V-Netz abgeben zu können, benötigen diese KWEA einen speziellen Netz-Wechselrichter, der den vom Generator der Windkraftanlage erzeugten dreiphasigen Drehstrom in netzkonformen einphasigen Strom umwandelt. Da der Wind nicht immer gleichmäßig weht, ist zudem eine besondere Steuerung erforderlich, die den Betrieb und die Einspeisung bei unterschiedlichen Windverhältnissen optimal regelt. Bornay nutzte für seine größeren Anlagen bisher modifizierte Photovoltaik Inverter, war mit dieser Lösung jedoch nicht zufrieden.

"Auf der Suche nach einer wirtschaftlicheren Möglichkeit stießen wir vor einigen Jahren auf die Aeocon-Einspeiseumrichter von Sieb & Meyer", erzählt Vicente Martinez, Technischer Leiter bei Bornay. "Sie sind speziell auf die Anforderungen von KWEA ausgelegt und bieten uns viele Vorteile", ergänzt er. Um auf dem skandinavischen Markt weiter zu wachsen, hat sich der Windkraftspezialist mit Bornay Denmark bereits 2011 ein eigenes Standbein vor Ort geschaffen. Grundvoraussetzung für den Einsatz in Dänemark ist eine Zulassung beim Übertragungsnetzbetreiber "Energinet.dk", die für gesamte Anlagen aber auch einzelne Komponenten wie den Einspeiseumrichter erteilt werden kann. Der Aeocon 4000 besitzt diese Zulassung seit Januar 2012 und konnte seine Leistungsfähigkeit bereits an Anlagen verschiedener Hersteller, darunter auch Bornay, unter Beweis stellen.

Kompakter Alleskönner für Kleinwindenergieanlagen

Der Einspeiseumrichter Aeocon wurde speziell für kleine Windenergieanlagen konzipiert und vereint sämtliche für den Betrieb benötigten Komponenten in einem kompakten Gehäuse. Durch die Kombination von Gleichrichter, Wechselrichter inklusive Potentialtrennung und Ballastschaltung in einem Gerät reduzieren sich Montageaufwand und Inbetriebnahmezeit auf ein Minimum. Auch der erforderliche Einbauraum ist deutlich geringer als bei herkömmlichen Anlagen. "Der besondere Aufbau des Aeocon ermöglicht die direkte Ansteuerung des schaltbaren externen Lastwiderstands, der beim Anlaufen und als Überspannungsschutz erforderlich ist", sagt Ralph Sawallisch, Key Account Manager für Einspeisetechnik bei Sieb & Meyer. Die Steuerung des Einspeiseumrichters ist gezielt auf die Anforderungen kleiner Anlagen abgestimmt. Unter Berücksichtigung der Anlagenkennlinie regelt sie die unterschiedlichen Betriebszustände optimal: Sie garantiert das saubere Anlaufen der KWEA und wählt bei unterschiedlichen Windverhältnissen stets den optimalen Betriebspunkt. Damit gleicht der Aeocon auch mechanische Fertigungstoleranzen der KWEA aus. Durch den weiten Eingangsspannungsbereich und der Regelung auf der optimalen Anlagenkennlinie erzielt er insbesondere im Teillastbereich jederzeit den bestmöglichen Wirkungsgrad. Das wirkt sich positiv auf den Energieertrag aus.

Neben Regelungsaufgaben im Betrieb kann der wartungsfreie Aeocon zusätzlich verschiedene Schutzfunktionen wie beispielsweise das Herunterbremsen der Anlage bei Netzausfall übernehmen. Dabei wird der Rotor durch einen externen Bremswiderstand kontrolliert belastet. "Die integrierte Bremsfunktion war uns besonders wichtig, um die Anlage besser kontrollieren zu können", meint Vicente Martinez. Wenn die Anlage mehr Leistung bringt als das Netz verkraften kann, aktiviert der Einspeiseumrichter die integrierte Lastwiderstandsregelung. "Überschüssige" Leistung bis 5 kW wird auf diese Weise sicher abgeführt und kann in Wärme umgewandelt beispielsweise der Heizungsunterstützung dienen.

Energieausbeute um 30 Prozent erhöht

Der Einspeiseumrichter wird einphasig an das 230 V-Netz angeschlossen. Je nach Aeocon-Modell - Sieb & Meyer bietet zwei Baureihen 4000 und 5000 - liegt die Netzeinspeiseleistung bei 4 oder 5 kW. Die einzelnen Geräte lassen sich dank integrierter galvanischer Trennung parallel schalten. Auf diese Weise verbunden eignen sie sich auch für die Ausrüstung dreiphasig einspeisender KWEA bis 15 kW. Die Einspeiseumrichter können via Com-Box untereinander kommunizieren und auf diese Weise im Störfall entsprechend reagieren. Zusätzlich verfügen sie über potentialfreie Relaiskontakte für eine übergeordnete Steuerung von Handshake-Signalen. Damit ist die Steuerung der KWEA jederzeit über den Betriebszustand des Aeocon informiert. "Die neue Baureihe zeichnet sich durch eine gesteigerte Bremsleistung und eine höhere Betriebssicherheit aus. Er lässt sich noch besser steuern als die Vorgängermodelle und liefert bei stärkerem Wind kurzzeitig mehr Energie, um den Rotor optimal zu führen", erläutert Ralph Sawallisch.

Sämtliche Geräte verfügen über die Schutzklasse IP 54 und eignen sich damit auch für den Einsatz im überdachten Außenbereich. Der Anschlussbereich der Aeocon-Einspeiseumrichter ist leicht zugänglich. Das erleichtert den Technikern die Arbeit. "Außerdem lassen sich die Inverter von Sieb & Meyer leicht mit Geräten der unterschiedlichsten Hersteller kombinieren. Sie sind unkomplizierter zu bedienen und einfacher per Computer zu überwachen als vergleichbare Einspeiseumrichter", bestätigt Martinez. Er setzt die Aeocon-Modelle seit Ende 2010 ein. Seine Erfahrung: Die Energieausbeute in den KWEA mit neuem Einspeiseumrichter ist rund 30 Prozent höher als zuvor. "Doch um diesen Wert sicher bestätigen zu können, brauchen wir noch mehr Erkenntnisse. Auf jeden Fall laufen die Anlagen effizienter und länger als bisher, weil die Windturbine mit dem aeocon in der Lage ist, auch niedrige Windgeschwindigkeiten effektiv zu nutzen. Außerdem sind die Geräte wartungsfrei", erklärt Vicente Martinez. kf