Windkraftanlage Haliade 150-6MW ^TM

Für den geplanten Ausbau der erneuerbaren Energien sind Off-shore-Windparks unerlässlich. Zugunsten maximaler Erträge und Verfügbarkeit hat Alstom seine jüngste Windkraftanlage, die Haliade 150-6MW^TM, konsequent für den Offshore-Einsatz konzipiert: Große Rotorblätter sorgen für eine reiche Windernte und ein kompakter, effizienter Sechs-Megawatt-Generator für einen hohen Ertrag pro Anlage. Doch ebenso wichtig wie die Leistung sind konstruktive Merkmale wie der Verzicht auf ein Getriebe, eine besonders robuste Lagerung oder die redundante Auslegung sensibler Anlagenteile, denn diese sorgen für einen geringen Verschleiß bzw. eine hohe Verfügbarkeit über die gesamte Lebensdauer der Anlage und Komponenten. Ihre positiven Eigenschaften beweist die erste Haliade 150-6MW^TM (Prototyp) bereits unter realen Bedingungen in einer küstennahen Aufstellung an der Mündung der Loire in Frankreich.

 

Konstruktiver Neuanfang

Während viele der bisher in Betrieb befindlichen Offshore-Wind-kraftanlagen konstruktiv auf Onshore-Anlagen basieren, hat Alstom bei der Entwicklung der Haliade 150-6MW^TM darauf Wert gelegt, sie konsequent für ihren Einsatzzweck – den Betrieb in auf hoher See – zu optimieren. Ausgelegt ist sie für den Betrieb bei Windgeschwindigkeiten von 3 bis 25 Metern pro Sekunde (Zehn-Minuten-Mittel), hält aber auch Windgeschwindigkeiten bis zu 50 Meter pro Sekunde über zehn Minuten oder bis zu drei Sekunden dauernden Böen mit maximal 70 Metern pro Sekunde stand.

Einer der wichtigsten Designaspekte für die Offshore-Anlage war eine große Leistung gepaart mit einem hohen Leistungsfaktor: Die Nennleistung beträgt 6 Megawatt netto. Die hohe Anlagenleistung mündet wiederum in eine hohe Leistungsdichte der Windparks. Eine höhere Leistung bzw. ein höherer jährlicher Stromertrag pro Anlage hat ebenso positive Auswirkungen auf die Investitionskosten: Sind für einen bestimmten Jahresertrag weniger Windkraftanlagen erforderlich, fallen die Logistik- und Investitionskosten im Verhältnis kleiner aus. Dies hilft aktiv die Kosten für Offshore-Windstrom zu senken.

Große Erträge durch hohe Verfügbarkeit

Langfristig zählen neben der Leistung auch die Verfügbarkeit der Anlage und deren Betriebskosten. Daher wurden bei der neuen Haliade 150-6MW^TM diverse konstruktive Verbesserungen vorgenommen. Dazu gehören unter anderem gegen salzhaltige Luft beständige Materialien. Weiterhin vermeidet eine Lüftungstechnik weitgehend das Eindringen salzhaltiger Luft. Eine Entfeuchtung hält die Luftfeuchtigkeit gering genug, um den sicheren Betrieb mechanischer und elektrischer Komponenten dauerhaft zu sichern. Wesentlich sind auch das Mindern der mechanischen Belastung und das Reduzieren der Zahl der beweglichen Teile. Derartige Maßnahmen senken das Risiko eines Ausfalls. Zusammen mit den umgesetzten Wartungsmöglichkeiten und -hilfen ergibt sich daraus eine höhere Verfügbarkeit der Windkraftanlagen bei niedrigen Servicekosten.

Bei der Planung und Entwicklung der Offshore-Windkraftanlage wurden die etablierten Konzepte in Frage gestellt und neue Lösungswege gesucht. Dazu gehört auch der Fertigungsprozess. Er wird in neuen Fabriken stattfinden, damit die Produktion, Qualitätssicherung und Logistik optimal auf den Einsatz im Meer vorbereitet sind.

Hohe Leistung und Leistungsdichte

Ein Merkmal der neuen Haliade 150-6MW^TM ist ihr großer Rotor. Die Rotorblätter sind mit 73,5 Metern die längsten, die derzeit bei Windkraftanlagen im Einsatz sind (Stand August 2012). Das Energiefeld, also die von den Rotorblättern überstrichene Kreisfläche, hat eine Fläche von 17.860 Quadratmetern bzw. einen Durchmesser von 150 Metern. Damit übertrifft es das bisheriger 6-MW-Anla-gen und führt zu einer etwa 15 Prozent höheren Jahresstromerzeugung bei gleichen Windverhältnissen.

 

Bereits in den Dimensionen spiegelt sich die Ausrichtung auf Off-shore-Anwendungen wieder: An Land wäre der Markt für Anlagen mit einer solchen Größe und Höhe (Masthöhe etwa 100 Meter) – auch aufgrund der möglichen Geräuschentwicklung – klein, auf offener See hingegen spielt die Haliade 150-6MW^TM dies als Vorteil aus. Ein derart großer Rotor ist jedoch nur bei konsequenter Gewichtsersparnis sinnvoll. Die in Kooperation mit dem Partner LM Wind Power entwickelten Rotorblätter beispielsweise verfügen daher über ein spezielles Leichtbaudesign. Gemeinsam mit anderen Maßnahmen zur Gewichtseinsparung bewirkt dies eine gegenüber heutigen Anlagen um 40 Prozent höhere Leistung pro Kilogramm Gesamtgewicht.

Verringerter Verschleiß

Zur Zuverlässigkeit der Windkraftanlagen trägt bei, dass auf bewegliche Teile soweit möglich verzichtet wurde. Unter anderem macht ein Direktantrieb ein Getriebe entbehrlich. Zudem wurden die Anlagen für niedrige und verschleißminimierende Betriebsdrehzahlen von 4 bis 11,5 Umdrehungen pro Minute ausgelegt. Ein selbsterregender, effizienter und kompakter Permanentmagnet-Generator senkt das Gewicht und zugleich den Verschleiß, denn er verfügt über weniger elektrische Bauteile. Im Sinne einer hohen Gesamtverfügbarkeit wird der in drei Phasen erzeugte Strom von drei getrennten Frequenzumwandlern bei 900 Volt auf die Netzfrequenz gebracht. Durch die strikte Trennung der Strompfade würde der Ausfall eines Kabels nicht zum Ausfall des Gesamtsystems führen.

Zur Überwachung der elektrischen Funktionen und Steuerung liegt in der Windkraftanlage ein Netzwerkring, so dass auch bei einer Unterbrechung des Netzwerks an einer Stelle die Kommunikation erhalten bliebe.

Die Pure-Torque-Technik, ein von Alstom entwickeltes Konzept zur Lagerung des Rotors, macht die Anlage besonders langlebig: Die Gewichtskraft des Rotors und die Kräfte aufgrund wechselnden Winddrucks (Taumelbewegungen etc.) werden hierbei über ein System aus zwei Lagern in den Mast abgeleitet. Auf den direkt angetrieben Generator wirken sie nicht ein, an ihn wird über die elastische Kupplung (mit Längenkompensation der Antriebswelle) ausschließlich das zur Stromerzeugung erwünschte Drehmoment übertragen.

Zugunsten einer hohen Betriebssicherheit werden für das Schwenken der Gondel sieben Motoren verwendet. Sollte einer dieser Motoren ausfallen genügen die verbleibenden, um die Gondel mit 95 Prozent der normalen Leistung in den Wind zu drehen. Dies ist bei wechselnden Windverhältnissen entscheidend, um die Anlage mit hoher Reaktionsgeschwindigkeit in den Wind zu drehen und die Anlagenleistung konstant zu halten. Aus ähnlichen Gründen setzten die Konstrukteure bei der Winkelverstellung der Rotorblätter auf Einzelantriebe und sahen je Blatt eine unabhängig von den Nachbarn agierende Bremsvorrichtung vor. Dies soll die Sicherheit insbesondere bei Notabschaltungen, etwa bei Sturm, erhöhen.

Damit das Personal für Wartungsarbeiten oder zur Instandhaltung möglichst oft und einfach zur Windkraftanlage gelangen kann, verfügt die Gondel über ein sogenanntes Helipad. Dies ist eine Plattform, auf der Servicetechniker vom Hubschrauber aus abgesetzt werden können.

Qualitätssicherung im Werk

Damit die Montage auf See wenig Einfluss auf das Gesamtsystem hat, wird die Gondel inklusive Nabe im Werk komplett vormontiert. Dazu wird zunächst der Teil gefertigt, der die Verbindung zwischen Mast und Maschinenhaus herstellt und der die Motoren zum Schwenken der Gondel enthält. Diese Komponente wird mit dem Generator zu einer Einheit ergänzt. Anschließend wird die Nabe aufgesetzt und die Gondel ist komplett. Vollständig montiert wiegt sie etwa 360 Tonnen. Die Gondel wird im Werk auf korrekte Montage untersucht und dann in einem Teil zum Montage-Ort befördert.

Alstom hat nicht nur die Windkraftanlage Haliade 150-6MW^TM komplett neu entwickelt, sondern zugleich auch den Fertigungsprozess von den bestehenden Werken entkoppelt. Vier Fabriken an zwei französischen Standorten sollen die wichtigen Komponenten der Haliade 150-6MW^TM fertigen. In Saint-Nazaire sind die Gondelmontage und eine Fertigung geplant, in Cherbourg sollen der Mastbau und die Fertigung der Rotorblätter (in Partnerschaft mit LM Wind Power) erfolgen. Die erste der Fabriken ist bereits in Betrieb und stellt sich auf die Gondelmontage der ersten Serie ein. Einen Gondel-Prototyp hat das Werk bereits gebaut. Er ist Teil der Pilotanlage, die Alstom dieses Jahr in Le Carnet an der französischen Küste nahe Saint-Nazaire errichtet und in Betrieb genommen hat.

Pilotanlage an Land und vor der Küste

Die erste Haliade 150-6MW^TM wurde mit Absicht Onshore aufgestellt, um an diesem Prototyp möglichst einfach diverse Messungen durchzuführen. Der küstennahe Standort bietet aber offshore-ähnliche Bedingungen. Er verfügt sogar über eine dem Meeresboden ähnliche geologische Beschaffenheit, so dass das Fundament der Anlage realitätsnah konzipiert werden konnte. Die Unterkonstruktion in Jacket-Bauweise ist 25 Meter hoch und fußt auf Pfeilern, die 30 Meter tief in den Boden getrieben wurden. Auf dem Unterbau ist der 75 Meter hohe Turm montiert. Neben der Anlage wurde ein Messturm errichtet, der die aktuellen Wetterbedingungen registriert. Außerdem bietet die Onshore-Anlage den Technikern Zugriff auf die Messeinrichtungen und gestattet das Ändern von Einstellungen. In Anbetracht der unzähligen Sensoren an der Windkraftanlage ist der spontane Zugriff wichtig für die Messungen, die schlussendlich zur Validierung der Anlage führen sollen.

Die Sensoren erfassen u. a. die Vibrationen in der Gondel, die Temperatur im Generator (insbesondere des Magneten) und überwachen die Funktion der Luftspaltkühlung am Generator. Es wird außerdem überprüft, ob sich die Computer-Simulationen aus der Entwicklungsphase in der Praxis bestätigen. Die Haliade 1506MW^TM hat im ersten Halbjahr 2012 den Betrieb aufgenommen. Zunächst wurde sie mit der geringen Leistung von einem halben Megawatt betrieben. Die Leistung wird schrittweise bis zur Nennleistung gesteigert. Für die Validierung der Anlage ist nicht nur ein problemloser Langzeitbetrieb in den verschiedenen Laststufen nachzuweisen, sondern auch der dreimalige Betrieb bei Windgeschwindigkeiten von 20 Metern pro Sekunde über mindestens zehn Minuten Dauer. Während die Messungen bei der landaufgestellten Haliade 150-6MW^TM laufen, wird bereits die zweite Anlage für den belgischen Offshore-Windpark Bligh Bank gefertigt. Sie wird voraussichtlich im vierten Quartal dieses Jahres aufgestellt.

Einsatz in drei französischen Windparks

Für das Jahr 2016 ist der Bau dreier Windparks geplant, in denen zusammen 240 Haliade 150-6MW^TM zum Einsatz kommen sollen. Die Offshore-Parks Fécamp, Courseulles-Sur-Mer und Saint-Nazaire im Nord-Atlantik werden später zusammen eine Nennleistung von 1,4 Gigawatt haben. Die Parks werden von einem Konsortium unter Führung der EDF Energies Nouvelles errichtet, das drei der vier von der französischen Regierung ausgeschriebenen Offshore-Pro-jekte für sich gewinnen konnte. Zu diesem Konsortium, das von Alstom exklusiv mit Windkraftanlagen beliefert wird, gehören auch der Windkraftspezialist Dong Energy sowie die Entwickler Nass & Wind und wpd Offshore.

Mit einer Auslegung für Betriebstemperaturen von minus zehn bis plus 40 Grad Celsius ist die Haliade 150-6MW^TM gut für den europäischen Markt gerüstet, steht aber ebenso dem Weltmarkt zur Verfügung: Sie wird in einer Variante mit Zusatzheizung für Temperaturen bis zu minus 30 Grad Celsius ebenso erhältlich sein wie in einer Ausführung, deren Schmiermittel und Lager auf den Betrieb bei bis zu 45 Grad Celsius ausgelegt sind.

 

Alle Bilder: Copyright Alstom