Windkraft: Mehr Balance zwischen Last und Leistung

Windräder sollen heute nicht mehr nur viel Strom erzeugen, sondern auch lange halten. Forscher arbeiten daran, Rotoren und Gondel zu schonen.

Artikel von Jan Oliver Löfken veröffentlicht am 11. März 2022, 9:03 Uhr

Es ist teuer, Rotoren oder Gondel bei Windrädern auszutauschen. Deswegen sollten sie so lange wie möglich halten. (Bild: Philippe Huguen/AFP via Getty Images)

Bei jedem Wind die optimale Leistung: Bestimmte dieses Credo die Regelung für Windkraftanlagen in früheren Jahren, hat sich das inzwischen drastisch gewandelt. Verschleiß zu minimieren, rückt immer stärker in den Vordergrund, um mit möglichst geringen Wartungs- und Reparaturkosten eine Lebensdauer von mindestens 20 Jahren zu sichern.

So sollen Windräder nicht mehr aus jeder kräftigen Böe die letzte Kilowattstunde Strom mitnehmen, wenn dabei Lager, Rotoren, Turm oder Getriebestrang an ihre Belastungsgrenzen stoßen. Sensoren und eine ausgefeilte Regelung helfen, die wirtschaftlichste Balance zwischen Last und Leistung zu finden. Nicht die absolute Stromausbeute, sondern die Stromgestehungskosten (engl. LCOE - Levelized Cost of Electricity) werden zum Maßstab für eine immer intelligenter werdende Anlagensteuerung.

"Generell ist der Windmarkt sehr angespannt, so dass die Kosten für die ganze Anlage immer stärker optimiert werden", sagt Martin Shan, Abteilungsleiter Regelungstechnik am Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE in Kassel. Die Skalierung auf größere Windräder mit mehr Leistung, effiziente und wartungsarme Maschinenstränge und Generatoren oder ein Rotorblattdesign mit eleganter Aerodynamik - diese Komponenten stehen für die fortschreitende Optimierung meist im Vordergrund.

Die ausgeklügelte Regelung eines Windrads ist mindestens genauso wichtig, steht aber allzu oft im Schatten der Hardware.

Auf den ersten Blick scheint es gar nicht so kompliziert zu sein, ein Windrad ideal zu trimmen. Dass der Rotor mitsamt Gondel möglichst senkrecht in den vorherrschenden Wind gedreht wird, liegt auf der Hand. Im laufenden Betrieb gibt es zwei weitere wichtige Faktoren: den Anstellwinkel der einzelnen Rotorblätter und das Drehmoment des Generators, der so mal mehr, mal weniger Widerstand leistet.

Für die Justierung dieser Stellgrößen greift die Regeltechnik klassisch auf Messgrößen wie Generatordrehzahl oder Leistungsabgabe zurück. Heute kommen weitere Daten wie Biegebelastung der Rotorblätter, Turmschwingungen oder die rotoreffektive Windgeschwindigkeit dazu. Geliefert werden sie von immer mehr Sensoren für Beschleunigung, Dehnung oder Torsion (Verdrehung).

Besonders faseroptische Sensorsysteme setzen sich seit einigen Jahren immer stärker durch.