Maximale Wirtschaftlichkeit im Windpark – eine neue Generation der 3,5 MW-Windenergieanlagen für Onshore-Standorte

Bei der Auslegung von Windenergieanlagen wurde bisher der Fokus auf den maximalen Ertrag bei möglichst geringen Kosten gelegt. Windenergieanlagen werden heute aber oft nicht als Einzelanlage oder in einer lockeren Windparkanordnung aufgestellt, sondern in immer kompakteren Windparkverbünden, um der begrenzten Verfügbarkeit geeigneter Flächen Rechnung zu tragen. Die herkömmliche Auslegungsphilosophie wird dieser geänderten Rahmenbedingung hinsichtlich des maximalen Ertrages im Windparkverbund aber nicht mehr ausreichend gerecht.

Die neue e.n.o. energy 3,5 MW-Plattform

Mit der 3,5 MW-Plattform der e.n.o. energy systems GmbH wird ein neuer Ansatz verfolgt, um einerseits planerische Aspekte zu berücksichtigen, die aus der limitierten Verfügbarkeit von geeigneten Flächen resultieren und um andererseits auch zukünftige Randbedingungen angemessen ins Anlagendesign einzubeziehen, die sich z.B. infolge von Netzschluss und dem Vermarktungsumfeld ergeben. Dass eine Anlage, die diese Randbedingungen erfüllt, nicht für alle erdenklichen Standorte geeignet ist, ergibt sich schon aus der mittleren Windgeschwindigkeit, aber auch aus der Sicht der Raumordnung. Daher wurden zwei Versionen der 3,5 MW-Plattform entwickelt. Die e.n.o. 114 ist mit einer maximalen Nabenhöhe von 142 m nach IEC II bzw. DIBt Windzone III ausgelegt und eignet sich daher besonders für windstarke Standorte mit mittleren Windgeschwindigkeiten von maximal 8,8 m/s in Nabenhöhe.

Für windschwächere Standorte ist die zweite Version der Plattform vorgesehen, die e.n.o. 126. Mit Nabenhöhen von 117 m und 137 m sowie einer Auslegung nach IEC III sowie DIBt II ist die Anlage an Standorten mit mittleren Windgeschwindigkeiten bis 7,6 m/s in Nabenhöhe einsetzbar.

Technische Daten der e.n.o. energy 3,5 MW-Plattform

Über die klassische Auslegung nach den Standard-Windklassen entsprechend IEC bzw. DIBt hinaus weist die Anlagenplattform jedoch eine Reihe von innovativen Detaillösungen auf, um dem Gedanken ‚maximaler Ertrag im Windpark‘ gerecht zu werden. Zur Umsetzung wurden hierzu zwei Schwerpunkte gesetzt.

1. Bestmögliche Anlagenverfügbarkeit

So stand bei der Entwicklung der Plattform eine hohe Anlagenverfügbarkeit im Blickpunkt. Dabei wurde der Gedanke aus den Erfahrungen mit der e.n.o. energy 2 MW-Plattform übernommen, die Funktionalität in den Vordergrund zu stellen und auf Überflüssiges zu verzichten. Denn eine Minimierung der Bauteile erhöht zwangsweise die Zuverlässigkeit, da jedes Bauteil eine Komponente ist, die theoretisch ausfallen könnte. So wird beispielsweise in der Gondel auf eine störanfällige Wasserkühlung verzichtet, dafür eine robuste Luftkühlung eingesetzt. Weiterhin sind Redundanzen geschaffen, um die Verfügbarkeit der Kernkomponenten zu erhöhen, sodass sich Anlagenstillstände nach Möglichkeit nur durch nicht mit dem Anlagendesign beeinflussbare Ereignisse ergeben, beispielsweise durch Windflauten, vorgeschriebene Wartungsintervalle oder Abregelungen des Netzbetreibers.

Die Schaffung von Redundanzen wird dabei aber auch im elektrischen System berücksichtigt. So kommt bspw. ein elektrisch erregter Synchrongenerator mit Vollumrichter-Technik zum Einsatz. Sechs parallele, vollständig entkoppelte Umrichterstränge stellen sicher, dass die Anlage selbst bei Ausfall einer der ohnehin wenig störanfälligen Komponenten weiter betrieben werden kann. Eine großzügige Auslegung erlaubt außerdem die Stützung des Stromnetzes, falls Unter- oder Überspannungen auftreten. Zusätzlich kann die Anlage die am Netzanschlusspunkt geforderte Blindleistung selbst bei völliger Flaute bereit stellen. Damit erfüllt die e.n.o. energy 3,5 MW-Plattform alle gültigen Verordnungen und Richtlinien zum Netzanschluss und ist auch für zukünftige Anforderungen bestens geeignet. Zusätzliche teure Kompensationseinrichtungen im Windpark werden damit in aller Regel überflüssig.

2. Verbesserte Turbulenzverträglichkeit

Neben der hohen Verfügbarkeit wurde bei der Entwicklung der Plattform der zweite Schwerpunkt auf die Erhöhung des Ertrages im Windpark unter Berücksichtigung der gegenseitigen Wechselwirkungen zwischen den Anlagen in Parkkonfiguration gelegt. Um diesen Aspekt umzusetzen, wurde einerseits die Turbulenzverträglichkeit der Anlage erhöht. Im Gegensatz zur Auslegung nach der Norm IEC 61400-1, ed. 3, die für die Kategorie A bezogen auf eine Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe von 15 m/s eine Turbulenzfestigkeit von 16% fordert, ist das Design der e.n.o. energy 3,5 MW-Plattform durch einen Wert von 18% gekennzeichnet. Dabei sind insbesondere Rotor, Tragstruktur und Triebstrang an diese Anforderungen angepasst. So wurde die verbreitete Dreipunkt-Lagerung durch eine Vierpunkt-Lagerung mit zwangsfreier Getriebelagerung ersetzt. Folglich müssen lastbedingte Stützkräfte und -momente nicht mehr vom Hauptgetriebe aufgenommen werden. Zusätzlich werden dynamische Belastungen im Triebstrang aktiv gedämpft, um das dreistufige Planeten-/Stirnradgetriebe auch bei erhöhten Wechselbelastungen zu schonen.

Ein speziell für die neuen Anlagen entwickeltes Rotorblatt – hier das für die e.n.o. 114

Parallel zur Auslegung auf eine höhere Turbulenzverträglichkeit wurden zudem die Rotorblätter in Eigenregie so entwickelt, dass anlageninduzierte Turbulenzen minimiert werden. Eine Optimierung der Profile mit dem Fokus auf einen reduzierten Widerstandsbeiwert in Verbindung mit einer niedrigen Drehzahl führt letztendlich zu einem geringeren Rotorschub und damit auch zu geringeren Nachlaufturbulenzen.

Weiterhin sind die Rotorblätter so konzipiert, dass deren gute aerodynamische Eigenschaften auch bei kleineren Abweichungen von der Sollposition infolge von schnell wechselnden Windgeschwindigkeiten und -richtungen bzw. eines über die Rotorfläche nicht homogenen Windfeldes erhalten bleiben. Dieses stabile Betriebsverhalten verhindert somit in heutigen und zukünftigen Windparkkonfigurationen mit zunehmend turbulenten Windverhältnissen Ertragseinbrüche durch Strömungsabriss.

Die Kombination einer robusteren Auslegung sowohl der Rotorblätter als auch der gesamten Plattform in Verbindung mit der Fokussierung auf eine verminderte Nachlaufturbulenz durch die speziell an die Plattform angepassten Rotorblätter führt dazu, dass die Anlagendichte bei der Planung von Windparks erhöht werden kann, wenn die neue e.n.o. energy 3,5 MW-Plattform mit gleichartigen Anlagen nach herkömmlicher Auslegung verglichen wird. Auf einer gegebenen Fläche kann damit die Anlagenanzahl und somit der Energieertrag erhöht werden. Folglich ist auch eine Steigerung des absoluten Gewinns möglich.

Schematische Darstellung der Vierpunkt-Lagerung des Triebstrangs

Wird beispielsweise ein Standort mit einer mittleren Windgeschwindigkeit von 7,4 m/s in Nabenhöhe und einer Umgebungsturbulenzintensität von ca. 11% (nach IEC 61400-1 ed. 3) betrachtet, können z.B. auf einer Fläche von etwa 117 ha insgesamt 14 Anlagen des Typs e.n.o. 114 mit einer Gesamthöhe von fast 200 m aufgestellt werden, während auf der gleichen Fläche nur 12 oder 13 Anlagen mit ähnlichen Eckdaten anderer Hersteller umsetzbar sind. Damit kann der Jahresenergieertrag auf dieser Fläche um bis zu 15% gesteigert werden, wobei die Anlagenrentabilität, d.h. die Rendite als Verhältnis zwischen den Einnahmen aus dem Verkauf der eingespeisten Energie und den Kosten, nahezu konstant bleibt. Die Flächenrentabilität, d.h. der Gewinn bezogen auf die knappe Ressource ‚geeignete Windparkfläche‘ steigt dagegen aber deutlich und trägt somit der besseren Ausnutzung von Windeignungsgebieten Rechnung.

Durch die hohe Turbulenzfestigkeit und die niedrige anlageninduzierte Turbulenz ist die e.n.o. energy 3,5 MW-Plattform zusätzlich auch für die Lückenbebauung in Bestandwindparks oder für Vorhaben, bei denen einzelne Altanlagen durch neue ersetzt werden (Repowering) besonders gut geeignet, da auch geringe Abstände zu benachbarten Windenergieanlagen realisiert werden können.

Ausstellung des Maschinenhauses zur HUSUM-Messe (September 2012)

– Mitte des Jahres 2013 wird der Prototyp errichtet