Risiko Wind?

Planetengetriebe - Gigantische Kräfte wirken auf riesige Räder. Das birgt viele Risiken. Doch die Energieausbeute soll mega, die Gefahren mini und die Rendite maxi sein. Deshalb werden Windräder ständig der Windrichtung und Rotorblätter der Windstärke angepasst. Spezielle Getriebemotoren erleichtern dem Betreiber das Geschäft.

28. Juni 2005

Die Nabenhöhe bis zu 110 Metern und über 50 Meter lange Rotorblätter sowie das hohe Gewicht der Anlage fordern die Statik heraus. Stark beansprucht sind z.B. Teile der Anlage, die die Gondel mit dem Rotor lagern und bewegen. Gondeln der in der Prototypenphase befindlichen 5-MW-An-lagen mit einer Länge von über 20 Metern wiegen bis zu 300 Tonnen. Dazu kommt die enorme Belastung durch den Winddruck. Bei den derzeit größten Flügeln summiert sich die windbestrichene Fläche auf die Größenordnung eines Fußballfeldes. Diese Kräfte sind im Zaum zu halten. Zudem muss die Anlage lange im Volllastbereich laufen, um Kosten zu amortisieren. An Land rechnet man mit rund 2.000 Volllaststunden pro Jahr, auf See mit dem Doppelten. Weltweit laufen Projektierungsarbeiten und Genehmigungsverfahren von Einzelanlagen, insbesondere von Windparks mit bis zu 750 MW auf Hochtouren. Noch liegt der Schwerpunkt in Europa, aber die USA, Indien, Japan und Australien holen auf.

Geringes Gewicht, natürlich möglichst niedrige Kosten und die Wartungsarmut bei mindestens zwanzigjähriger Betriebszeit sind die Hauptkriterien für die in den Windenergieanlagen eingesetzten Komponenten. Die üblichen rauen Umgebungsbedingungen werden offshore durch die aggressive Seeluft noch etwas verstärkt. Eine enge Zusammenarbeit zwischen den Herstellern der Anlagen und ihren Zulieferern ist daher unabdingbar. Bonfiglioli, nach eigenen Angaben Europas größter Industriegetriebehersteller, ist seit Beginn der Achtzigerjahre in dieser Branche anerkannter Lieferant von Planetengetriebemotoren für die Nachführung und Stellung der Rotorblätter. Damit die Energieausbeute der Anlage während des Betriebs möglichst hoch und die Gefahrenpotenziale für die Anlage möglichst niedrig sind, müssen die Windräder ständig der Windrichtung angepasst, und auch die Rotorblätter selbst müssen in die aerodynamisch ideale Stellung gebracht werden. Auch in stürmischen Zeiten muss die Anlage beherrschbar bleiben. So erklärt sich, dass neben der Kraftwerksausrüstung auch eine Vielzahl mechanischer Komponenten vorhanden sind, die dafür sorgen, dass die Befehle der elektronischen Steuerung präzise umgesetzt werden, so dass Rotor und Blätter in jeder Situation optimal im Wind stehen. Die dafür notwendigen Kräfte erbringen idealerweise Planetengetriebemotoren. Ihre hohe Leistungsdichte garantiert geringst mögliches Gewicht, ihr unkomplizierter und präziser Reversierbetrieb die notwendige Funktionalität. Anlagenspezifika müssen realisierbar sein, um das System als ganzes zu optimieren. Der Platz in der Gondel und in der Nabe ist knapp, die Getriebemotoren müssen dem Rechnung tragen können. Zwei Antriebsebenen bestimmen die Ausrichtung und damit den Wirkungsgrad der Windenergieanlage im Betrieb: Die Hochachse, also der Schwenkantrieb der Gondel, im Fachjargon yaw drive genannt, und die Stellantriebe für den Neigungswinkel der Rotorblätter, die so genannten pitch drives. Um die gesamte Gondel mit dem Rotor immer im rechten Winkel in den Wind zu stellen und dort auch konstant zu halten, werden ein oder mehrere Getriebemotoren mit Bremsen eingesetzt. Die Sensorik meldet Richtungsänderungen des Windes an eine Steuerung, die dann bis zu drei Getriebemotoren in Gang setzt, um die Gondel nachzuführen. Üblicherweise wird die Nachführung bei einer Windrichtungsabweichung von sieben Grad ausgelöst. Die Anforderungen Präzision und exaktes, aufeinander abgestimmtes Verhalten der Antriebe ist bei der Auswahl der Getriebemotoren entscheidend. Je nach Größe der Anlage sind für die Nachführungsaufgabe mehrere Getriebe mit jeweils bis zu 100.000 Nm Drehmoment notwendig, die statischen Spitzendrehmomente erreichen sogar je Getriebe rund 180.000 Nm. Mit Hilfe der zweiten Applikation, den Pitch-Antrieben, wird die Leistung der Anlage gesteuert. Auf eine durchschnittliche Windgeschwindigkeit hin optimal ausgelegt, muss die Anlage auch bei geringeren Geschwindigkeiten die Windkraft optimal nutzen. Andererseits läuft die Anlage bei zu hohen Geschwindigkeiten Gefahr, durch den Winddruck Schaden zu nehmen. Beiden Fällen wird mit der Verstellung des Neigungswinkels der Rotorblätter begegnet. Auch hier ist die Stärke, aber auch die Präzision der Getriebemotoren gefragt, denn die Verstellbereiche sind überraschend klein. Die Untersetzungsverhältnisse liegen im Bereich von 1:600 bis 1:2.000. Der Pitchcontroller reagiert im Grenzbereich schon auf kleinste Geschwindigkeitsänderungen und erwirkt über die drei Pitch-Antriebe eine koordinierte Verstellung der Rotorblätter, um die maximale Umdrehungsgeschwindigkeit nicht zu übersteigen. Neben den schon genannten Anforderungen muss der Pitch-Antrieb wegen der Lage in der Rotornabe auch noch besonders klein, leicht und zum einfacheren Einbau auch von Fall zu Fall mit Winkelgetrieben als Vorstufe kombinierbar sein. Diese mitdrehenden Antriebe sind zudem mit speziellen Dichtungen versehen, um in Rundumlage und auch bei jeder Witterungsbedingung an der Spitze des Rotors jahraus, jahrein klaglos ihren Dienst zu verrichten. Steuerung und Verknüpfung der Yaw- und Pitch-Antriebe über die hauseigenen Frequenzumrichter der Produktlinie Vectron ist eines der aktuellen Projekte, den Markt für Bonfiglioli weiter auszubauen. Dabei kommt allen Beteiligten zugute, dass die Frequenzumrichterreihe Active einen günstigen eigenentwickelten Systembus mitbringt, der den Montage- und Verdrahtungsaufwand minimiert. Inzwischen kann also eine integrierte und wettbewerbsfähige Lösung für die beiden wichtigen Anforderungen in Windenergieanlagen angeboten anlagen angeboten werden. Es gibt von Land zu Land große Unterschiede bei den Anforderungen, beschreibt Fausto Carboni, Vertriebsdirektor von Bonfiglioli Trasmital die Situation, deshalb kommt zu Kraft und Präzision auch die Fähigkeit, in kurzer Zeit zusammen mit dem Kunden produktspezifische Anpassungen durchführen zu können, wobei die Zuverlässigkeit der Getriebe nicht angetastet wird.

Erschienen in Ausgabe: 02/2004