Das treibt Betreiber um
Maschinenbauliche Konzepte im Windenergiebereich
Aus: Windwärts Newsletter Nr.3, Stand: November 2004
Bei der Umwandlung der Rotordrehung in elektrische Energie haben sich zwei unterschiedliche maschinenbauliche Konzepte durchgesetzt. Es handelt sich dabei einerseits um Anlagen mit mechanischem Getriebe und schnell laufendem Industriegenerator und andererseits um getriebelose Wind-energieanlagen mit direkt an den Rotor gekoppeltem Stromgenerator in Ringbauweise.
Zu Beginn der modernen Windenergienutzung Anfang der siebziger Jahre griffen die Anlagenhersteller auf zur Verfügung stehende Getriebe aus dem Maschinenbau sowie auf in Serie hergestellte Generatoren aus dem Bereich der Elektrotechnik zurück und
montierten diese auf einen geschweißten Maschinenträger. Windenergieanlagen sind dynamisch hoch beanspruchte Maschinen, die überwiegend im Teillastbereich betrieben werden. Teils durch ungenügende Berücksichtigung dieses für Industrieanlagen untypischen Lastprofils, teils durch Auslegungsfehler bei der Getriebekonstruktion sind in den vergangenen Jahren bei einigen Anlagentypen gehäuft Lager- und Zahnradschäden aufgetreten. Diese wurden im Allgemeinen durch Gewährleistungsansprüche oder auf dem Weg der Kulanz von den Anlagenherstellern getragen. Inzwischen kommen Hersteller von Windenergieanlagen aufgrund der verschärften Wettbewerbssituation nicht umhin, langjährige Vollwartungsverträge mit garantierter technischer Verfügbarkeit anzubieten. Sie wälzen die vereinbarten Gewährleistungen auf ihre Zulieferfirmen ab, so dass diese zunehmend langlebige und zuverlässige Triebstränge speziell für Windenergieanlagen zur Verfügung stellen.
Anfang der neunziger Jahre begann der Auricher Hersteller Enercon mit der Umstellung seiner Produktion auf eine Windenergieanlage mit direkt an den Rotor angeflanschtem Ringgenerator. Nach einigen Anlaufschwierigkeiten (Geräusche, Generatortemperatur) konnte die getriebelose Anlage in größeren Serien gefertigt werden. Durch das verblüffend einfache Konstruktionsprinzip und das überwiegend störungsfreie Betriebsverhalten war die Firma Enercon in der Lage, den weltweiten Marktanteil getriebeloser Windenergieanlagen auf etwa 15 % zu steigern.
Für Betreiber stellen Windenergieanlagen Investitionsgüter mit einer Anfangsinvestition sowie mit Betriebseinnahmen und -ausgaben innerhalb einer langen Nutzungsdauer dar. Von besonderem Interesse ist daher die Frage, welches mittel- bzw. langfristige Szenario getriebelose Windenergieanlagen und Anlagen mit mechanischem Getriebe bei einer kaufmännischen Betrachtungsweise bieten.
Für beide Konstruktionsprinzipien sind die Potenziale zur Kostensenkung bei der Anlagenherstellung von großer Bedeutung. Eine wichtige betriebswirtschaftliche Kennzahl ist die Gesamtinvestition pro Kilowattstunde und Jahr (Euro/kWh/a). Diese Kennzahl trifft keine Aussage über die Stromgestehungskosten einer Windenergieanlage, sondern sie ermöglicht ohne Berücksichtigung anlagenspezifischer Betriebskosten einen ersten Anlagenvergleich in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit eines Windenergieprojektes an einem konkreten Standort. In diese Kennzahl gehen bei einer Serienproduktion der Windenergie-anlage überwiegend die Materialkosten und der Wirkungsgrad der Anlage ein. Da lediglich 15 – 20 % des Anlagenpreises auf Turm und Fundament entfallen, sind die Potenziale zur Verringerung der Turmkopfmasse (Maschinenhaus inkl. Rotor) von zentraler Bedeutung.
In der 1,5- bis 2-Megawattklasse ist der Turmkopf von Anlagen mit mechanischem Getriebe gegenüber Anlagen mit direktgekoppeltem Ringgenerator etwa 20 % leichter. Diese Schere geht bei Windenergieanlagen der Multimegawattklasse noch weiter auseinander. Ursache für das geringe Turmkopfgewicht ist das vergleichsweise niedrige Gewicht des Stromgenerators, der auf Grund seiner hohen Drehzahl kompakter gebaut werden kann.
Bezogen auf den Jahresenergieertrag haben hingegen getriebelose Windenergieanlagen bei gleicher Nennleistung und gleichem Rotorkreisdurchmesser je nach Anlagenstandort eine bis zu 7 % höhere Stromproduktion als Anlagen mit Getriebe und schnell drehendem Generator. Dies lässt sich durch eine niedrigere Anlaufwindgeschwindigkeit, einen größeren Drehzahlbereich des Rotors sowie geringere Ertragseinbußen infolge von Sturmabschaltungen erklären. Die beschriebenen Effizienzvorteile sind jedoch nicht in der Lage, die oben genannten Gewichtsnachteile vollständig zu kompensieren. Es ist daher eine große technische Herausforderung, das Gewicht des langsam drehenden Ringgenerators deutlich zu senken.
Der Wettbewerb zwischen getriebelosen Windenergieanlagen und Anlagen mit mechanischem Getriebe wird sich in den kommenden Jahren weiter intensivieren. Dabei ist zum heutigen Zeitpunkt in keiner Weise absehbar, welches maschinenbauliche Konzept sich langfristig durchsetzen wird. Neben technischen Faktoren werden zunehmend kaufmännische und strategische Überlegungen großer Konzerne wichtig, so dass eine Prognose des zukünftigen maschinenbaulichen Anlagenkonzeptes vollends zur Spekulation wird.
Für Anleger, die in Windenergieprojekte investieren wollen, sind diese Fragestellungen aber eher von sekundärer Bedeutung. Bei einer aktuellen Kaufentscheidung sollten neben der Rendite insbesondere die Seriosität des Anlagenherstellers und der Projektentwicklungsgesellschaft sowie die vertraglich vereinbarten langjährigen Sicherheiten und deren Werthaltigkeit im Vordergrund stehen.
