Wie Windräder mehr Strom liefern
23.10.2017
Von Daniel Hautmann
Keine Frage: Moderne Windturbinen sind viel leistungsfähiger als alte Mühlen. Doch nicht immer kann man alt gegen neu tauschen. Mit ein paar (mal mehr und mal weniger) einfachen Umbaumaßnahmen lässt sich der Ertrag von Bestandsanlagen jedoch steigern – oder wenigstens in den Originalzustand zurückversetzen. Andere Maßnahmen zahlen hingegen auf die Akzeptanz für Windenergieanlagen in der Bevölkerung ein. Wir stellen fünf Optionen vor.
Wer sich beim Fliegen schon einmal die Tragflächen genauer angesehen hat, dürfte sie kennen: Winglets, jene senkrecht aufragenden Flügelenden. Bei Flugzeugen verlängern sie die Tragflächen und reduzieren so den Widerstand und die Verwirbelungen, die nachfolgenden Maschinen gefährlich werden können und unnötig Treibstoff kosten. Mit den kleinen Zusatzflügeln lässt sich der Kerosinverbrauch um bis zu fünf Prozent reduzieren.
Bei Windkraftanlagen ist das Prinzip dasselbe: Auch hier steigern Winglets die Effizienz durch die Reduzierung von Widerständen und Verwirbelungen. Manche Turbinen werden von Haus aus mit Winglets ausgeliefert, bei älteren können sie aber nachgerüstet werden. Genau wie bei Flugzeugen ist das keine einfache Maßnahme: Die Blätter müssen demontiert und in einer Fabrik umgebaut werden.
Deutlich weniger Aufwand ist die Installation von sogenannten Vortex-Generatoren. Das sind kleine Leitbleche, die auf die Flügel geklebt werden und deren Form, Größe, Anzahl und Position jeweils auf den Anlagentyp zugeschnitten werden. Ihre Funktionsweise ähnelt der sogenannter Dimples auf Golfbällen: Diese Dellen lenken die Luft, die die Oberfläche des Balls umströmt, ab und verringern so die Reibung.
3M
Vortex-Generatoren sind kleine Bleche, die auf die Flügel geklebt werden. Sie lenken die Luftströmung und reduzieren so die Reibung.
Die Leitbleche auf den Flügeln sorgen also dafür, dass die sie umströmende Luft von den Flügeln abgeleitet wird und sich die Reibung so reduziert. Und je weniger Reibung, desto besser. Auch diese Technologie kennt man von Flugzeugen.
Und noch eine weitere Technologie stammt aus der Luftfahrt: die sogenannte Grenzschichtabsaugung. Ähnlich wie bei den Vortex-Generatoren geht es darum, die Flügel von der Luftschicht ideal umströmen zu lassen. Fachleute sprechen hierbei von laminarer Strömung.
Teils löst sich diese laminare Strömung vom Flügel ab und wird turbulent, was Leistungseinbußen verursacht. Um dem zu entgehen, saugt man die turbulente Schicht einfach ab und leitet sie durch das Flügelinnere ab. Dazu müssen die Rotorblätter allerdings aufwendig umgebaut werden. Angesichts des Aufwands wurde diese Technik bislang nur an wenigen Windturbinen getestet.
Zwar haben die Luftfahrt und die Windkraft viele Paralellen. Doch was die Dimensionen angeht, trennt sich die Spreu allmählich vom Weizen: Selbst die Tragflächen des Rekordfliegers A380 sind im Vergleich zu den Rotorblättern großer Windturbinen mickrig: Der A380 kommt auf eine Spannweite von knapp 80 Metern – das längste Rotorblatt misst sagenhafte 88,4 Meter. Drei solcher Flügel bilden inklusive Rotornabe einen Kreis von stolzen 180 Metern Durchmesser
Manche Maßnahmen zielen darauf ab, den Originalzustand älterer Anlagen wieder herzustellen. Ähnlich wie bei einem alten Fahrrad verstellen sich auch bei Windkraftanlagen mit der Zeit oder durch schlechte Montage Komponenten und müssen nachjustiert werden.
Ein Beispiel hierfür ist die Stellung der Flügel. Deren Ausrichtung zum Wind ist für den Ertrag einer Windkraftanlage ausschlaggebend. Die Blätter werden bei Fehlausrichtungen schräg angeströmt und bringen nicht mehr ihre volle Leistung.
Überprüft wird die Stellung der Rotorblätter entweder durch ein Lasermessverfahren oder eine fototechnische Auswertung; anschließend wird die Anlage neu eingestellt. Durch das Nachjustieren, sowohl der einzelnen Rotorblätter, als auch der gesamten Gondel, wird die Leistungsfähigkeit der Anlage zwar nicht direkt erhöht, aber immerhin in den Originalzustand zurückversetz
Vattenfall
Das aus einem Helikopter aufgenommene Bild zeigt die Luftverwirbelungen in einem Offshore-Windpark.
Durch diese Maßnahme kann der Ertrag um mehrere Prozent erhöht werden. Gehen wir von einer Zwei-Megawatt-Turbine aus, so bedeuten zwei Prozent mehr Ertrag 80.000 Kilowattstunden jährlich – genug für 20 Vier-Personen-Haushalte.
Eine Option, um Ausfälle durch aufwändige Reparaturen zu minimieren, sind sogenannte Condition-Monitoring-Systeme, kurz CMS. Sie überwachen dank zahlreicher Sensoren wie etwa Dehnungsmessstreifen, Temperatur-, Beschleunigungs- und Körperschallsensoren sämtliche Anlagenparameter und fühlen dem Windrad förmlich auf den Zahn.
Sie untersuchen beispielswiese das Getriebeöl auf Metallpartikel und geben so Auskunft über einen Abrieb der Zahnräder. Genauso messen sie Unwuchten in den Flügeln, was wiederum auf Defekte hindeutet. Mit Hilfe dieser Daten kennen die Windanlagenbetreiber stets den Zustand ihrer Turbine. So können sie gezielt vorsorgende Maßnahmen einleiten.
Heißt: Komponenten werden getauscht oder repariert, wenn sich Schäden anbahnen und nicht erst, wenn der Defekt bereits vorliegt.
Gefahr geht auch von Schnee und Eis an den Rotorblättern aus. So gibt es Berichte über kiloschwere Eisklötze, die hunderte Meter durch die Luft geschleudert werden. Ferner verschlechtern Schnee und Eis die Aerodynamik und vermiesen die Energieausbeute.
Wenn die Wetterbedingungen es erfordern, müssen Anlagen prophylaktisch stillgelegt werden. Sensoren messen dazu die Luftfeuchtigkeit und die Temperatur. Zwischen etwa plus sechs und minus zehn Grad besteht akute Vereisungsgefahr und die Anlagen müssen abgeschaltet werden. Erst, wenn sich das Wetter bessert, dürfen sie schließlich wieder den Betrieb aufnehmen.
Oftmals messen Sensoren aber falsche Werte – die Windturbinen stehen grundlos still. Damit das nicht passiert, sorgen moderne Messsysteme für akkurate Messergebnisse und minimale Stillstandzeiten
Enercon
Blattheizung des Windradbauers Enercon aus Ostfriesland: Die Systeme verhindern, dass die Rotorblätter vereisen oder die Anlagen bei Extremtemperaturen abgeschaltet werden müssen.
Korrekt messen hilft allerdings nicht immer. An klimatischen Extremstandorten, etwa im hohen Norden oder im Gebirge, herrschen über weite Teile des Jahres Vereisungsbedingungen. Damit sich die Rotoren dennoch unablässig drehen und die Anlagen Strom erzeugen können, gibt es spezielle Heizsysteme für die Rotorblätter.
Sie lassen den frostigen Belag direkt abschmelzen und zu Boden tröpfeln. Zum Einsatz kommen gigantische Heißluftgebläse im Innern der Rotorblätter oder spezielle Heizmatten, die direkt in die Flügel eingearbeitet sind. Doch solche Heizungen brauchen Unmengen an Strom. Geschickter sind da Oberflächen mit Lotuseffekt, die das Anhaften von Schnee und Eis von Vorneherein verhindern. Diese Technologie steckt allerdings noch im Forschungsstadium.
Präzises Messen der aktuellen Wetterdaten ist auch an anderer Stelle von Bedeutung: Windenergieanlagen müssen stets analysieren, woher und wie stark der Wind bläst, entsprechend werden Gondel und Rotorblätter ausgerichtet.
In der Regel erhält die Anlagensteuerung Daten zum aktuellen Wind von einem sogenannten Anemometer, das auf der Gondel installiert ist. Da sich dieses Messinstrument jedoch hinter den Rotorblättern befindet, sind die Ergebnisse ungenau, schließlich nehmen die Blätter bereits Energie aus dem Wind und verfälschen so das Messergebnis.
Präziser sind Messinstrumente, die vor dem Rotor messen, wie beispielsweise Ultraschallmessgeräte, die direkt auf der Rotornabe installiert sind oder Lidar-Systeme, die das auf die Anlage zuströmende Windfeld mit Laserstrahlen analysieren.
Andrew Scholbrock, NREL
Lidar-Systeme messen die Windrichtungen vor der Rotornabe mit Laserstrahlen. So kann die Anlage immmer optimal ausgerichtet werden.
Es gab sogar bereits Versuche, das Lidar-Signal zur Steuerung der Windkraftanlagen einzusetzen – stürmt eine starke Böe auf die Turbine zu, so drehen sich die Blätter aus dem Wind. Das minimiert potentielle Schäden. Theoretisch können die Anlagen dann sogar mit weniger Sicherheitszuschlag gebaut werden. Im Klartext bedeutet das: Weniger Material gleich geringere Kosten.
Um geringeren Verschleiß geht es auch bei der strömungstechnischen Optimierung ganzer Windkraftparks. Turbinen in der ersten Reihe bekommen mehr Wind ab als Anlagen in den hinteren Reihen. Gleichzeitig erzeugen die vorderen Anlagen Turbulenzen, mit denen dann die weiter hinten stehenden Maschinen zu kämpfen haben. In der Luftfahrt verursachten Turbulenzen von vorausfliegenden Maschinen schon tödliche Unfälle.
Ganz so schlimm ist es in der Windkraft zum Glück nicht, dennoch leiden die Maschinen unter den aggressiven Luftwirbeln. Inzwischen weiß man: Drosselt man die vorderen Turbinen, so kann der Gesamt-Output des Windparks gesteigert werden, da die hinteren mehr „guten Wind“ abbekommen. Das reduziert auch Schäden in den hinteren Reihen
Die strömungstechnische Optimierung hat aber noch einen weiteren Vorteil: Durch sie verringern sich auch die Schallemissionen, die Windräder drehen sich also leiser, da der Wind nicht mehr turbulent auf die Rotorblätter trifft. Ein positiver Nebeneffekt, der den direkten Nachbarn von Windparks zu Gute kommt.
Neben der Reduktion von Schallemissionen investieren Windparkbetreiber zudem verstärkt in die Optimierung ihrer Anlagen, um die Akzeptanz in der Bevölkerung zu steigern. Die Befeuerung der Anlagen beispielsweise ist ein Thema, das vielen Anwohnern „gegen den Strich“ geht.
Airspex
Windräder sind wie Hochhäuser mit Blinklichtern ausgerüstet, die verhindern sollen, dass Flugzeuge oder Helikopter bei Nacht mit den Anlagen kollidieren.
Gemeint ist damit die vorgeschriebene Kennzeichnung großer Bauwerke für die Luftfahrt durch zum Beispiel periodisch aufleuchtende Lichter auf Hochhäusern. Auch Windturbinen müssen so gekennzeichnet werden. Doch die blinkenden Lichter, speziell in großen Windparks mit zahlreichen Anlagen, können für die Anwohner gerade nachts ganz schön anstrengend anzusehen sein, um nicht zu sagen: sie kirre machen.
Abhilfe schaffen synchronisierte Positionslichter, bei denen alle Anlagen im Gleichtakt blinken. Noch besser sind bedarfsgeschaltete Befeuerungen. Sie leuchten nur dann auf, wenn tatsächlich Kollisionsgefahr besteht, wenn sich Luftfahrzeuge und Windräder also in die Quere kommen.
Dazu werden auf den Anlagen spezielle Radargeräte installiert, die mit den Luftfahrzeugen kommunizieren. Da nachts wenig Flugzeuge in der Luft sind, reduziert sich die Blinkzeit um bis zu 98 Prozent. Mensch und Tier werden so nur minimal in der Nachtruhe gestört.
