Ölzeug hart am Wind

viele Namen für die sanften, weißen Riesen, die mehr und mehr auch im Binnenland aus dem Boden sprießen. Und doch bezeichnet wohl das Wort Windkraftwerk noch am ehesten, was hier vor sich geht. Denn mit Standardleistungen um ein Megawatt kann man getrost von einem Kraftwerk sprechen. Die größten Serienanlagen erreichen derzeit sogar 2,5 Megawatt, fast so viel wie der einstige Growian ¿ wenn er sich denn mal drehen durfte. Zum Vergleich: 2,5 Megawatt, das ist weit mehr als die ersten Dampfturbinen zur Stromerzeugung lieferten. Oder anders: 150 Anlagen dieses Typs und eine steife Brise ¿ schon kann ein Kernkraftwerk wie Obrigheim Pause machen. Strom ganz ohne Altlasten und Castoren, denn eine alte Windkraftanlage nimmt notfalls der örtliche Schrotthändler in Zahlung.

Bei diesen Leistungen walten Kräfte, die gebändigt sein wollen: 2,5 Megawatt bei einer Rotordrehzahl von 15 Umdrehungen pro Minute, das ergibt ein sattes Drehmoment von 1,6 Millionen Newtonmetern. Doch nicht nur das muss die Bremse im Notfall packen. Bei Windgeschwindigkeiten von über 25 Metern pro Sekunde muss sie den Rotor zum Stillstand bringen und ihn selbst bei der so genannten Jahrhundertböe von 60 Metern pro Sekunde bombenfest halten. (Für die Seebären unter unseren Lesern: Ein Orkan mit Windstärke 12 hat nur schlappe 37 Meter pro Sekunde.)

Viele Wege führen zum Stillstand

Für eine ordentliche Scheibenbremse kein Problem? Sicher, doch die packt es nicht allein: Zum einen fordern die Zulassungsbestimmungen mehrere, voneinander unabhängige Bremssysteme, zum anderen machen die große Wärmeentwicklung und vor allem der hohe Verschleiß an Belag und Scheibe einen Dauereinsatz unpraktikabel. So muss die Scheibenbremse zwar die Windkraftanlage auch im Sturm sicher zum Stehen bringen, doch dient sie im Regelfall nur als Notbremse und zum Stoppen des Rotors in einer bestimmten Parkposition, die der Blitzschutz oder die Ästhetik vorschreibt.

Die Hauptbremsarbeit übernehmen die Rotorblätter. Am einfachsten geht das mit der Stall-Regelung. Das Profil des Rotorblatts ist dabei so ausgelegt, dass ab einer bestimmten Windgeschwindigkeit die Strömung einfach abreißt (engl. to stall: aussetzen, abwürgen), wobei der Auftrieb und damit das Rotordrehmoment abnehmen. Einfach, wirkungsvoll und die Blätter können fest mit der Nabe verschraubt werden. Und doch vertrauen die Konstrukteure bei großen Anlagen auf den so genannten Active-Stall: Ein Antrieb stellt das Blatt in einen steileren Winkel, ähnlich einem Piloten der sein Flugzeug überzieht, und führt den Strömungsabriss kontrolliert herbei. Die ¿kleine¿ Variante hiervon ist die Blattspitzenbremse, bei der, wie der Name schon sagt, sich nur die Blattspitzen quer stellen.

In die andere Richtung dagegen dreht die Pitch-Regelung das Blatt. Um so flacher der Anstellwinkel zur Resultierenden aus Wind- und Umfangsgeschwindigkeit desto geringer den Auftrieb. Damit lässt sich die Anlage nicht nur bremsen, sondern auch sehr fein regeln. Besonders wichtig bei Generatortypen, die auf eine konstante Drehzahl angewiesen sind.

Hydraulik contra Getriebemotor

Für welches Prinzip sich ein Konstrukteur auch entscheidet, die Konstruktionsaufgabe ist immer die Selbe: Drehen und Halten von bis zu 40 Meter langen und knapp 10 Tonnen schweren Rotorblättern. Als Lösung konkurrieren hier Hydraulik und Getriebemotoren mit elektrischem Antrieb. Sind bei beiden Zuverlässigkeit und Verstellgeschwindigkeit mehr als ausreichend, punktet die Hydraulik etwas bei den Themen Kraftdichte und Konstruktionsaufwand bei Netzausfall: Ihr reicht ein einfacher Druckspeicher aus, während die Elektrik dicke Akkupakete benötigt, die teilweise sogar in den Rotorblättern selbst sitzen.

Klingelt bei Hans-Peter Janousch das Telefon, ist die Entscheidung zwischen Getriebe oder Hydraulik bereits gefallen. Im Geschäftsbereich Industrial Hydraulics von Bosch Rexroth leitet er die Windkraftanlagen-Projekte. Zudem hält er sich im Rahmen der innerbetrieblichen Etikette gern aus der Diskussion um Hydraulik oder Getriebe heraus: Konzerntochter Lohmann+Stolterfoht liefert unter anderem die Getriebe für die Blattverstellung. Lieber betont er die Möglichkeiten, die Hydraulikzylinder aus Lohr Konstrukteuren in der Windkraftindustrie bieten: ¿Wir liefern komplette Systemlösungen: Zylinder, Steuerblock, Wegmesssystem und Regelventil bilden bei uns eine einbaufertige Baugruppe, für die wir nach Prüfung in unserem Haus eine Funktionsgarantie übernehmen.¿ Das verringert für die Kunden Konstruktions- und Montageaufwand und vereinfacht im Gegensatz zur Selbst- oder Drittmontage die Qualitätssicherung. Doch nicht nur, dass ihre Zylinder funktionieren wissen die Lohrer ganz genau, sondern auch wie sie sich in der Gesamtanlage verhalten. ¿Unser Simulationsprogramm für Hydrauliksysteme bietet den Konstrukteuren von Windkraftanlagen besonders bei dynamischen Berechnungen eine wichtige Auslegungshilfe¿, erläutert Janousch. Während sich statische Systeme noch relativ einfach ¿zu Fuß¿ mit Tabellen und Taschenrechner auslegen lassen, scheitert es bei geregelten Antrieben meist schon an der Vorstellungskraft für die dynamischen Vorgänge. Hier setzt das Simulationsprogramm ein. Ausgehend vom Blockschaltbild und den für jedes Bauteil hinterlegten Parametern berechnet es die Differenz von Soll- und Istwert, Druckspitzen und Schwingungsneigung des Hydrauliksystems. Selbst die Steifigkeit der mechanischen Anschlusskonstruktion kann das Programm dabei berücksichtigen. Janousch: ¿Mit der Simulation geben wir dem Kunden die Sicherheit, das richtige Ventil, den richtigen Zylinder für seine spezielle Aufgabe zu bekommen. Das ist Teil unseres Systemgedankens.¿

Die Anlage denkt, das Ventil lenkt

Zweifellos gehören auch die intelligenten Ventile aus Lohr zu diesem Systemgedanken. ¿Intelligent bedeutet, dass ein im Ventil eingebauter Controller vor Ort den vorgegebenen Wert der Steuerung mit den Informationen vom Wegmesssystem oder Drucksensor vergleicht und selbständig darauf reagiert¿, erklärt Janousch die Funktion. Die Vorteile für die Anlagensteuerung liegen auf der Hand: Anstatt sich mit der Umrechnung von Wegmessdaten und der komplizierten Ventilsteuerung zu beschäftigen, gibt der Rechner der Windkraftanlage nur noch einen Sollwert vor, die eigentliche Regelarbeit übernimmt dann das Ventil selbst. Und weil alles aus einer Hand kommt, können die Ingenieure in Lohr einen mit diesen Ventilen ausgerüsteten Antrieb sogar entsprechend der Kundenvorgaben voreinstellen und einer bestimmten Signalstärke die entsprechende Auslenkung zuordnen. Doch das ist noch lange nicht alles: ¿Unsere CAN-Bus-fähigen Ventile reduzieren bei bis zu fünf elektrischen Komponenten pro Aktor den Verkabelungsaufwand drastisch¿, hebt Janousch hervor. Das bedeutet für die Kunden in der Windkraftindustrie, die sich lieber auf Aerodynamik und optimalen Wirkungsgrad konzentrieren: Einbauen, anklemmen und das Blatt schwenkt auf die richtige Position.

Systemlösungen, Parametrisierung und Feldbus machen darüber hinaus die Hydraulik in Puncto Steuerungstechnik der elektrischen Blattverstellung ebenbürtig und damit fit für zukünftig denkbare Regelungskonzepte mit Einzelblattsteuerungen. Während bei kleineren oder älteren Anlagen oft ein Zylinder alle Rotorblätter gemeinsam verstellt, gönnen sich große Anlagen einen Zylinder pro Blatt. Noch drehen diese Einzelzylinder die Rotorblätter im Gleichklang und erhöhen ¿nur¿ die Sicherheit, da jedes Blatt als separate Bremseinrichtung zählt. Doch möglich wäre damit auch eine Einzelblattsteuerung, die die Energieausbeute etwas verbessern und vor allem die Belastung der Windkraftanlage verringern könnte. Bei Rotordurchmessern von inzwischen bis zu 80 Metern treten durchaus nennenswerte Unterscheide in der Windgeschwindigkeit am tiefsten und höchsten Punkt des Rotorkreises auf. Das belastet die Gondel mit einem Kippmoment. Hinzu kommt, dass das Blatt beim Passieren des Turms einen Schlag erhält, dem eine Einzelblattsteuerung ausweichen könnte.

Morgen bläst der Wind von See

Noch ist das Zukunftsmusik, doch bei geplanten Anlagengrößen von bis zu fünf Megawatt für den Offshore-Einsatz vielleicht bald Wirklichkeit. Und dass die Zukunft der Windenergienutzung auf See liegt, zeigen überdeutlich die vielen Anträge auf große Windparks mit bis zu 200 Anlagen in Ost- und Nordsee. Im Meer ¿versenkte¿ Parks würden von dem stärkeren und stetigeren Wind auf See profitieren und weniger Leute müssten sich an dem Wald der weißen Riesen stören. Bis es soweit ist, sind sicher noch einige genehmigungs- und konstruktionstechische Hürden zu überwinden. Doch die Lohrer sind schon heute bestens gerüstet, erfüllen ihre Zylinder doch die Grundvoraussetzungen für den Einsatz in einsamen Gewässern: Zuverlässigkeit und Seefestigkeit. ¿Wir verfügen über langjährige Erfahrung als Zulieferer für Schiffsbau und Offshore-Projekte¿, so Janousch. ¿Durch Materialauswahl, Oberflächenbehandlung und Beschichtungen können wir die Antriebe seefest ausführen. Das erhöht die Zuverlässigkeit und verlängert die Wartungsintervalle. Und gerade darauf kommt es bei Offshore-Windkraftanlagen an.¿ Riesige Parks, Zugang per Boot, Stürme, Gezeiten ¿ Windkraftanlagen weit draußen auf See sind schwer zu erreichen und sollten deshalb möglichst lange, idealerweise ein bis zwei Jahre, ohne routinemäßige Wartung auskommen können. Die Leuchtturmwärter, die bei Windstärke zehn und mehr noch furchtlos auf ihrem Turm herumturnen, sind ja leider ausgestorben.

Der möglichst leicht Zugang zu der Technik der Offshore-Anlagen gibt auch einer alten Idee wieder Nahrung, die immer wieder durch die Köpfe der Windkraftanlagen-Konstrukteure geistert: Den Generator an den Fuß des Turms zu verlagern, das mechanische Getriebe durch ein stufenloses hydraulisches zu ersetzen und Rotor und Generator mit einer hydraulischen Welle zu verbinden. Noch sind die klassischen Lösungen günstiger, haben einen höheren Wirkungsgrad. Aber Fortschritte und Leistungssteigerungen in der Hydraulik stellen diese Rechnung immer aufs Neue in Frage. Und wenn morgen jemand mit dieser Idee bei Hans-Peter Janousch anklingelt, wird er sicher auch ihm weiterhelfen können.

Matthias Meier

Links: http://www.rexroth.de