Konstante Wandlung

<strong>Getriebe</strong> – Die Umwandlung der variablen Drehzahlen einer Windturbine in eine konstante Drehzahl ermöglicht die Stromerzeugung ohne teure Frequenzumrichter. Möglich macht dies ein neues Getriebe.

17. Oktober 2008

Spätestens seit der Diskussion um die Verknappung fossiler Brennstoffe und um die Freisetzung von CO2 bei deren Verbrennung gewinnt die Nutzung der Windenergie zur Stromerzeugung an Bedeutung. Erforderlich für eine profitable Energiegewinnung in der Multimegawatt-Klasse sind dazu jedoch zuverlässige und effiziente Windturbinen, die zugleich den Anforderungen der Netzeinspeisung nach Kraftwerkstandards gerecht werden.

Ungewisse Drehzahl

Ein Problem dabei ist allerdings die unregelmäßige Drehzahl des Rotors aufgrund wechselnder Windverhältnisse: Bislang konnten veränderliche Rotordrehzahlen nicht in eine konstante Generatordrehzahl überführt werden, was zur Stromerzeugung mit variablen Wechselstromfrequenzen führte. Eine zuverlässige Einspeisung in Stromnetze mit 50 oder 60 Hertz erforderte deshalb bisher den Einsatz eines Frequenzumrichters zwischen Generator und Netz, der die variable in eine konstante Wechselstromfrequenz umwandelt.

Diese zusätzlichen Komponenten zur Netzanpassung erhöhen jedoch die Komplexität der Windturbinen, begrenzen die Kurzschlussströme und erfordern eine aufwendige Blindleistungskompensation. Zudem verkürzen sie die Betriebszeiten eines Windkraftwerks aufgrund der häufigen Ausfälle der Frequenzumrichter.

Synchrongenerator

Eine Lösung dieses Problems bietet der Getriebespezialist Voith: Die Voith Turbo Wind GmbH in Crailsheim hat ein hydrodynamisch geregeltes Planeten-Überlagerungsgetriebe vorgestellt, das die variablen Eingangsdrehzahlen automatisch in konstante Ausgangsdrehzahlen für einen Synchrongenerator umsetzt. Das System mit der Bezeichnung WinDrive übersetzt die variable Rotordrehzahl von 10 bis 20 Umdrehungen pro Minute stufenlos auf eine konstante Drehzahl von 1.500 U/min (50 Hertz) bzw. 1.800 U/ min (60 Hertz) für die Generatoren. Die Stromerzeugung erfolgt dabei auf klassische Weise durch direkte Einkoppelung von schleifringlosen Synchrongeneratoren, die sich zur Stromerzeugung in Kraftwerken seit Jahrzehnten bewährt haben. Solche Generatoren sind nicht nur kostengünstiger als doppelt gespeiste Asynchrongeneratoren, sondern erfordern zudem einen geringeren Wartungsaufwand. Außerdem reduziert der Einsatz von Mittelspannungs-Synchrongeneratoren den Bedarf von Kupfer in den Kabeln um mehr als die Hälfte.

Das hochdynamische mechatronische System ermöglicht es damit erstmals, kraftwerkserprobte, robuste Technologien auch in Windturbinen einzusetzen und damit in Windparks Stromqualität nach Kraftwerkstandard zu erzeugen.

Hohe Effizienz

Das System WinDrive ermöglicht es, den Windrotor bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten stets im aerodynamischen Optimum zu betreiben und verbessert so den Gesamtwirkungsgrad eines Windparks erheblich. Zudem reduziert sein Einsatz die Teilevielfalt auf der elektrischen Seite auf rund ein Viertel.

Das System arbeitet als Kombination eines hydrodynamischen Drehmomentenwandlers mit einem Planetengetriebe, das als Überlagerungsgetriebe ausgeführt ist. Vorgeschaltet ist zudem ein zweistufiges Hauptgetriebe, das die Drehzahl erhöht. Das Planetengetriebe addiert im Grunde die variablen Drehzahlen des Rotors und die vom Wandler generierte Korrekturdrehzahl. Das Ergebnis ist eine konstante Ausgangsdrehzahl. Neben dieser internen Charakteristik geschieht eine Anpassung an die variable Eingangsdrehzahl über die Leitschaufelverstellung des Drehmomentwandlers.

Stufenlos geregelt

Durch den Einsatz eines selbsterregten Synchrongenerators, der starr mit dem Netz gekoppelt ist, arbeitet der WinDrive sozusagen wie ein stufenloses Automatikgetriebe. Der Drehmomentwandler besitzt als Strömungsmaschine eine vergleichbare Leistungscharakteristik wie der Windrotor und lässt sich deshalb ideal mit diesem koppeln. Zudem arbeitet der Wandler im Teillastbereich ohne jede Totzeit und reagiert unmittelbar auf Drehzahländerungen. Die Charakteristik ist in diesem Falle also gleichartig wie die Charakteristik des Windrotors. Auch unter Volllast reagiert das System bereits in nur 20 Millisekunden und ist damit um ein Vielfaches schneller als ein umrichtergestütztes System.

Geringere Massen

Diese Minimierung der Reaktionszeiten verringert die Belastung des Antriebsstrangs bei wechselnden Windstärken. Das Ergebnis sind reduzierte Massen und Gewichte. So ermöglicht der Einsatz des WinDrive Materialeinsparungen von bis zu 20 Prozent für Turm und Fundament, die sich in einem Windkraftwerk der Fünf-Megawatt-Klasse auf mehrere hundert Tonnen pro Windturbine beziffern. Neben den Materialkosten verringert dies auch die dynamischen Schwingungen im Antriebsstrang deutlich und erhöht damit die Lebensdauer.

Möglich wird die extrem kurze Reaktionszeit durch einen eigens hierfür entwickelten Stellantrieb und eine integrierte CPU, die auch analoge Eingangssignale verarbeitet. Für die Zustandsüberwachung aus der Ferne lassen sich alle erfassten Da ten über eine Internetschnittstelle abrufen.

Einsatzgebiete findet das neue Getriebe mit seiner robusten Kraftwerkstechnik in nahezu allen Windturbinen, ob an Onoder Offshore-Standorten oder auf Inseln. Auch Einsatzorte in extremen Höhenlagen von mehr als 4.000 Meter über dem Meer sowie die Anbindung an schwache Energienetze stellen kein Problem dar. Darüber hinaus kann der WinDrive auch in Wasserkraftwerken für drehzahlvariable Turbinen zur Effizienzsteigerung eingesetzt werden.

Fakten

Das System WinDrive der Voith Turbo Wind GmbH & Co. KG kombiniert ein Planetengetriebe mit einem hydrodynamischen Drehmomentwandler.

Es verwandelt die variable Eingangsdrehzahl des Rotors in eine konstante Ausgangsdrehzahl.

Damit wird der Einsatz von zuverlässigen Synchron-Generatoren auf Mittelspannungsebene möglich.

Erschienen in Ausgabe: 07/2008