Getriebelose Windkraftanlagen der Siemens D3-Plattform

2009 brachte Siemens seine erste Windturbine der 3 MW-Klasse als direkt angetriebene Anlage auf den Markt. Seitdem wurde die moderne getriebelose Technologie ständig weiterentwickelt. Im März 2014 kündigte Siemens weiterentwickelte Anlagentypen seiner D3-Plattform an. Die Modelle SWT-3.2-101, SWT-3.2-108 und SWT-3.2-113 leisten jetzt 3,2 Megawatt (MW) statt der bisherigen 3 MW der voran gegangenen Produktgeneration. Bereits Ende 2014 sollen die neuen Anlagen in Serienproduktion gehen.

Mit über 13.000 installierten Windkraftanlagen unterschiedlicher Typen kann Siemens auf eine langfristige Erfahrung in der Wind-industrie zurückblicken. Diese Anlagenflotte steht nicht nur für Verlässlichkeit und anhaltende Erfolge – sie speist auch mit einer Gesamtleistung von mehr als 22.000 MW Strom in die weltweiten Versorgungsnetze ein. Lag die Nennleistung der Anlagen noch in den 90er Jahren bei einigen Kilowatt, bieten die Bestseller im Siemens-Programm heute 2,3 bis 6 Megawatt.

Eines der wichtigsten Ziele von Siemens sind geringere Kosten in der Windstromerzeugung. Schon in wenigen Jahren soll Windenergie auch ohne Subventionen wettbewerbsfähig sein. Der Fortschritt zeigt sich nicht nur in stetig größer werdenden Windkraftanlagen. Auch bei den begleitenden Prozessen bringen Innovationen das Unternehmen voran. Eine weitgehend industrialisierte Fertigung, modulare Produktstrategien und Verbesserungen bei Transport und Installation zählen zu den zentralen Maßnahmen, mit denen Siemens Windenergie preiswerter macht. Kontinuierliche Verbesserungen spielen vor allem bei Herstellungs- und Montageverfahren für die eingeführten Produktplattformen eine entscheidende Rolle. Bereits vor einigen Jahren hat Siemens sein Windanlagenportfolio auf nur vier Plattformen reduziert: Siemens G2 – Anlagen mit Getriebe in der 2,3 MW-Klasse, Siemens D3 – direkt angetriebene (Direct Drive) Anlagen mit 3 MW bzw. jetzt 3,2 MW Nennleistung sowie die vornehmlich für den Offshore-Einsatz bestimmten Siemens Plattformen G4 und D6.

Bild 1: Offene Darstellung einer Windenergieanlage der Siemens D3-Plattform

Der Aufbau der Windenergieanlagen der Siemens D3-Plattform ist in Bild 1 dargestellt. Wo bei Getriebeanlagen ein markanter Antriebsstrang mit Getriebe und Generator liegen würde, endet das Maschinenhaus bereits. Eine als Bogenstück geformte Grundstruktur dominiert den Gondelinnenraum. An diesem Bogen ist der Generator fest  montiert. Ein Kranz aus starken Dauermagneten rotiert kurz hinter der Nabe um den Synchrongenerator. Durch die Öffnung des Bogenstücks sowie durch den Innenraum des Generators ist die Nabe für Personen erreichbar, um z.B. die hydraulische Rotorblattverstellung und sämtliche Anschlüsse warten zu können.

Im hinteren Bereich der Gondel befindet sich die Hydraulik-Station, die den Druck für die hydraulische Rotorblattverstellung bereit stellt. Die Windrichtungsnachführung der Anlage erfolgt über Elektroantriebe mit Planetengetriebe. Der Maschinenhauskran hilft Technikern, Werkzeug und Ersatzteile in den Turmkopf zu heben. Auf der Gondel befindet sich der Kühler mit Aufbauten wie z.B. den Windmessgeräten und Leuchten für die Nachtkennzeichnung.

Dank Permanentmagnetgenerator starten Siemens D3-Anlagen praktisch verlustfrei aus jeder Flaute. Geringe Reibung und wenig bewegte Teile verleihen dem Direktantrieb einen erhöhten Wirkungsgrad. Der kompakte Aufbau spart darüber hinaus Gewicht. Mit nur 78 Tonnen (ohne Rotor) lässt sich das Maschinenhaus recht unproblematisch transportieren und installieren. Die kompakten Abmessungen lösen darüber hinaus manches logistische Problem auf dem Weg zum Einsatzort. So reist die D3-Gondel normalerweise fertig in einem Stück – lediglich Kühler und Rotor müssen montiert werden. Alle Anlagen der Siemens D3-Plattform verfügen über einen Vollumrichter, über ein Condition-Monitoring-System und das Siemens WebWPS SCADA-System.

Die Rotorblätter der D3-Plattform werden nach der patentierten Siemens IntegralBlade®-Technologie hergestellt. Siemens fertigt sie in einem Stück aus glasfaserverstärktem Epoxidharz. So vermeidet das Unternehmen Klebefugen, die durch jahrelange Wettereinflüsse zu Schwachstellen führen können. Für die D3-Plattform gibt es drei Rotorgrößen und dementsprechend drei Rotorblattgrößen – siehe Bild 2.

Bild 2: Drei Rotorgrößen der Siemens D3-Plattform und unterschiedliche Nabenhöhen zur Optimierung der Konfiguration für den jeweiligen Standort

Die im März 2014 vorgestellte modernisierte D3-Plattform mit 3,2 MW Leistung verfügt über eine verbesserte Steuerungseinheit. Mehr Effizienz erreicht die Windturbine zudem durch stärkere Permanentmagnete. Siemens hat dabei auf der Basis von fünf Jahren Erfahrung mit seinen direkt angetriebenen Anlagen die in der Konstruktion steckenden strukturellen Reserven weiter ausgenutzt. Der jährliche Energieertrag steigt so um bis zu 4 Prozent.

Die Anlage von Typ SWT-3.2-101 ist für extreme Windbedingungen ausgelegt. Auch die SWT-3.2-108 eignet sich für Starkwindstandorte. Bei deren Rotorblättern kommt die innovative aeroelastische Blattkonstruktion zum Einsatz. Sie ermöglicht einen größeren Rotordurchmesser und damit einhergehend höheren Jahresertrag ohne negative Auswirkungen auf die Statik. Die Anlage vom Typ SWT-3.2-113 ist besonders für Standorte mit mäßigen Windgeschwindigkeiten geeignet. Durch eine geringere Rotorgeschwindigkeit werden sehr gute Schallwerte erreicht, was für viele Binnenlandstandorte von großer Bedeutung ist. Für die Anlagen der D3-Plattform stehen Türme für verschiedene Nabenhöhen zur Verfügung. Dabei stellt die Nabenhöhe von 142,5 m für die Anlage vom Typ SWT-3.2-113 die größte Anlagenkonfiguration dieser Plattform dar mit einer Gesamthöhe von fast 200 m.

In der Summe bieten die neuen Windenergieanlagen der Siemens D3-Plattform klare Vorteile für den Betreiber. Der direkte Antrieb ohne Getriebe erlaubt eine kompakte Bauweise, die im Vergleich zu einer Getriebeanlage mit rund der Hälfte an Teilen auskommt. D3-Anlagen bieten durch das innovative Generator- und Rotorblattdesign Effizienzvorteile. Mit den drei verfügbaren Rotorgrößen und den verschiedenen Nabenhöhen ergibt sich eine große Anzahl an Konfigurationen für den optimalen Einsatz an unterschiedlichen Standorten.