Lektion 3 von 7
Windenergie
Windenergie hat, anders als Solar, tatsächlich einen rotierenden Generator — aber moderne Windturbinen verbinden sich mit dem Netz auf eine Weise, die dem leistungselektronischen Ansatz von Solar viel näher ist als einem traditionellen Synchronkraftwerk, aus Gründen, die diese Lektion erklärt.
Von bewegter Luft zu Elektrizität
Der Wind dreht die Rotorblätter der Turbine, die eine Welle drehen, die — üblicherweise über ein Getriebe, manche Bauweisen verzichten aber darauf — mit einem Generator verbunden ist. Die im Wind verfügbare Leistung skaliert mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit (P = ½ρAv³), und keine Turbine kann mehr als 59,3 % davon entnehmen (Betz-Grenze), weshalb Turbinenstandortwahl und Rotorblattdesign so empfindlich auf selbst kleine Unterschiede in der durchschnittlichen Windgeschwindigkeit an einem Standort reagieren.
Die Leistungskurve: drei Schlüsselgeschwindigkeiten
- Einschaltgeschwindigkeit
- Die minimale Windgeschwindigkeit, bei der die Turbine beginnt, nutzbare Leistung zu erzeugen — darunter bleibt die Turbine einfach im Leerlauf.
- Nenngeschwindigkeit
- Die Windgeschwindigkeit, bei der die Turbine ihre volle Nennleistung (Typenschildleistung) erreicht.
- Abschaltgeschwindigkeit
- Die Windgeschwindigkeit, oberhalb derer die Turbine sich bewusst abschaltet und ihre Blätter in Fahnenstellung dreht, um mechanische Schäden zu vermeiden — was, etwas kontraintuitiv, bedeutet, dass ein Windpark bei einem sehr starken Sturm null Leistung erzeugen kann.
Zwischen Einschalt- und Nenngeschwindigkeit steigt der Ertrag steil an (gemäß jener Potenzbeziehung); zwischen Nenn- und Abschaltgeschwindigkeit begrenzen Steuerungssysteme den Ertrag bewusst auf den Nennwert, statt ihn weiter steigen zu lassen — diese Kombination definiert die gesamte Leistungskurve einer Turbine.
Turbinen mit fester versus variabler Drehzahl
Frühe Windturbinen nutzten Generatoren, die direkt mit dem Netz verbunden waren, und zwangen die Turbine, mit einer festen, an die Netzfrequenz gekoppelten Drehzahl zu laufen — einfach, aber unfähig, Windenergie über den gesamten Bereich der Windgeschwindigkeiten effizient einzufangen. Fast alle modernen Turbinen nutzen stattdessen Varianten-Drehzahl-Bauweisen, am häufigsten einen doppelt gespeisten Asynchrongenerator (DFIG) oder einen Generator mit Vollumrichter — beide lassen den Rotor der Turbine mit der Drehzahl laufen, die am besten Energie aus dem aktuellen Wind einfängt, während Leistungselektronik die Umwandlung dieser variablen Frequenz in netzsynchronisierten Wechselstrom übernimmt.
Warum das zur nächsten Lektion führt
Onshore- versus Offshore-Wind
Offshore-Wind profitiert von stärkerem, gleichmäßigerem Wind und weniger Standort-/Sichteinwänden, was ihm im Allgemeinen einen höheren Kapazitätsfaktor als Onshore-Wind verschafft — aber Bau, Fundamente (oder schwimmende Plattformen in tiefem Wasser) und Unterseekabel machen ihn beim Bau und bei der Wartung deutlich teurer als ein gleichwertiges Onshore-Projekt.
Das Wichtigste in Kürze
- Die verfügbare Windleistung skaliert mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit, was Standortwahl und Rotorblattdesign stark von lokalen Bedingungen abhängig macht.
- Die Leistungskurve einer Turbine wird durch Einschalt-, Nenn- und Abschaltgeschwindigkeit definiert.
- Moderne Turbinen mit variabler Drehzahl (DFIG oder Vollumrichter) nutzen Leistungselektronik statt einer festen mechanischen Verbindung, um sich mit dem Netz zu synchronisieren.
- Offshore-Wind hat im Allgemeinen einen höheren Kapazitätsfaktor als Onshore, bei deutlich höheren Bau- und Wartungskosten.
Weiterführende Literatur
- T. Ackermann (ed.), Wind Power in Power Systems, 2nd ed. Chichester: Wiley, 2012. — die Standardreferenz zu Windturbinentechnologie und Netzintegration
- G. M. Masters, Renewable and Efficient Electric Power Systems, 2nd ed. Hoboken, NJ: Wiley-IEEE Press, 2013. — Windstatistik, Leistungskennlinien und das kubische Gesetz, mit Rechenbeispielen