Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/energie-tuning-fuers-windrad-1909-143806.html    Veröffentlicht: 22.09.2019 08:01    Kurz-URL: https://glm.io/143806

Energie

Tuning fürs Windrad

Moderne Windturbinen sind viel leistungsfähiger als alte Anlagen. Doch nicht immer kann man Alt gegen Neu tauschen. Mit ein paar einfachen Techniktricks oder Umbaumaßnahmen lässt sich der Ertrag von bestehenden Windkraft-Anlagen dennoch steigern.

Wer sich beim Fliegen in Airlinern 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.

Manche Turbinen werden von Haus aus mit ihnen 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. Auch viele andere Maßnahmen werden eingesetzt, um Windkraftanlagen effektiver zu machen.

Deutlich weniger Aufwand erfordert die Installation von sogenannten Vortex-Generatoren. Das sind kleine Leitbleche, die auf die Flügel geklebt werden. Form, Größe, Anzahl und Position dieser Wirbelgeneratoren werden jeweils auf den Anlagentyp zugeschnitten. Ihre Funktionsweise ähnelt den sogenannten Dimples auf Golfbällen: Diese Dellen lenken die Luft, die die Oberfläche des Balls umströmt, ab und verringern so die Reibung. Und je weniger Reibung desto besser. Auch diese Technologie kennt man aus der Luftfahrt.

Ein Rotorblatt von 107 Metern

Zwar haben die Luftfahrt und die Windkraft viele Parallelen. Doch was die Dimensionen angeht, sind die Unterschiede erheblich: 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 107 Meter. Drei solcher Flügel treiben ein zwölf Megawatt starkes Windrad des Herstellers General Electrics an.

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 die laminare Strömung 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.



Dem Windrad auf den Zahn fühlen

Manche Maßnahmen zielen darauf ab, den Originalzustand älterer Anlagen wiederherzustellen. Ähnlich wie bei einem alten Fahrrad verstellen sich auch bei Windkraftanlagen mit der Zeit oder durch schlechte Montage Komponenten und müssen nachjustiert werden. Etwa die Stellung der Flügel. Deren Ausrichtung zum Wind ist für den Ertrag einer Windkraftanlage ausschlaggebend. Die Blätter werden dann 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 einfache Nachjustieren sowohl der einzelnen Rotorblätter als auch der gesamten Gondel wird die Leistungsfähigkeit der Anlage zwar nicht direkt erhöht, aber immerhin in den Originalzustand versetzt. Durch diese Maßnahme kann der Ertrag um mehrere Prozent gesteigert 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, die Ausfälle durch aufwendige Reparaturen minimiert, liefern sogenannte Condition Monitoring Systeme, kurz CMS. Diese überwachen dank zahlreicher Sensoren wie etwa Dehnungsmessstreifen, Temperatur-, Beschleunigungs- und Körperschallsensoren sämtliche Anlagenparameter und fühlen dem Windrad förmlich auf den Zahn. Sie untersuchen beispielsweise das Getriebeöl auf Metallpartikel und geben Auskunft über Abrieb der Zahnräder. Genauso messen sie Unwuchten in den Flügeln, was wiederum auf Defekte hindeutet. Mit Hilfe dieser Daten kennen die Windradbetreiber stets den Zustand ihrer Turbine. So können sie gezielt vorsorgende Maßnahmen einleiten. Heißt: Komponenten werden getauscht oder repariert, wenn sich Schäden anbahnen, nicht erst wenn der Defekt da ist.

Blink, blink

Ähnliches gilt für die Befeuerung der Windkraftanlagen. Damit sind nicht etwa brennende Flügel gemeint, sondern die vorgeschriebene Kennzeichnung großer Bauwerke für die Luftfahrt. Man kennt das von den periodisch aufleuchtenden Lichtern auf Hochhäusern. Auch Windturbinen müssen so gekennzeichnet werden. Doch die blinkenden Lichter, speziell in großen Windparks mit zahlreichen Anlagen, können ganz schön anstrengend anzusehen sein, um nicht zu sagen: kirre machen.

Abhilfe schaffen synchronisierte Positionslichter, wobei alle Anlagen im Gleichtakt blinken. Noch besser sind bedarfsgeschaltete Befeuerungen. Sie leuchten nur auf, wenn tatsächlich Kollisionsgefahr besteht - also, wenn sich Luftfahrzeuge und Windräder in die Quere kommen. Dazu werden auf den Anlagen spezielle Radargeräte, die mit den Luftfahrzeugen kommunizieren, installiert.



Wissen woher der Wind weht

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. Bei bestimmten Wetterbedingungen müssen Anlagen gar prophylaktisch stillgelegt werden. Sensoren messen dazu die Luftfeuchtigkeit und die Temperatur. Zwischen etwa plus sechs und minus zehn Grad besteht akute Vereisungsgefahr. Erst wenn sich das Wetter bessert, dürfen die Anlagen wieder den Betrieb aufnehmen. Oftmals messen die Sensoren aber falsche Werte - die Windturbinen stehen grundlos still. Damit das nicht passiert, sorgen moderne Messsysteme für akkurate Messergebnisse und minimale Stillstandzeiten.

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 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 verhindern. Die stecken allerdings noch im Forschungsstadium.

Den Wind richtig messen

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 die Gondel und die 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.

Präziser sind Messinstrumente, die vor dem Rotor messen. Infrage kommen Ultraschall-Messgeräte, die direkt auf der Rotornabe installiert sind oder Lidar-Systeme, die sogar das auf die Anlage zuströmende Windfeld mit Laserstrahlen analysieren. Es gab sogar bereits Versuche, das Lidar-Signal zur Steuerung der Windkraftanlagen einzusetzen. Stürmt etwa eine starke Böe auf die Turbine zu, so drehen sich die Blätter aus dem Wind. Das minimiert potenzielle 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, weil die hinteren mehr guten Wind abbekommen. Das reduziert auch Schäden in den hinteren Reihen.



Durch verstärkte Medienberichterstattung das Bewusstsein für die Klimakrise schärfen: Das ist das Ziel einer Medieninitiative, die von der US-amerikanischen Columbia Journalism Review und The Nation gestartet und von vielen Medien aufgegriffen wurde, etwa dem britischen Guardian. Golem.de beteiligt sich und folgt dem Aufruf, eine Woche im September verstärkt über Klimathemen zu berichten.  (dha)


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