Welcher Generatortyp eignet sich für die Windenergieerzeugung?
Die Hauptaufgabe einer Windkraftanlage besteht darin, die sich mit der Windgeschwindigkeit ständig ändernde mechanische Energie effizient und stabil in elektrische Energie umzuwandeln, die ins Stromnetz eingespeist werden kann. Daher sind für die Windenergieerzeugung geeignete Generatoren keine Standardmodelle; sie müssen sich an unterschiedliche Windgeschwindigkeiten anpassen, komplexen Belastungen standhalten und einfach netzsteuerbar sein. Die moderne Windkraftbranche konzentriert sich im Wesentlichen auf drei technologische Ansätze, von denen jeder seine eigenen Vorteile bietet und für verschiedene Anwendungsszenarien geeignet ist.
1. Doppelt gespeister Asynchrongenerator: ehemaliger Industriestandard
Doppelt gespeiste Asynchrongeneratoren sind seit Langem der absolute Standard auf dem Windenergiemarkt. Ihr Funktionsprinzip ist raffiniert: Der Generatorrotor ist über Schleifringe und Kohlebürsten mit einem kleineren Frequenzumrichter verbunden, während der Stator direkt an das Stromnetz angeschlossen ist.
Der größte Vorteil dieser Konstruktion liegt in ihrer Wirtschaftlichkeit. Da der Frequenzumrichter nur etwa ein Drittel der Leistung im Rotorkreis verarbeiten muss, sind die Anlagenkosten geringer und die Energieverluste minimal. Dank ausgereifter Technologie und einer vollständigen Wertschöpfungskette hat sie sich in den letzten zwei Jahrzehnten zudem als gängige Lösung für Onshore-Windkraftanlagen, insbesondere für Megawatt-Anlagen, etabliert.
Mit der Weiterentwicklung der Branche traten die Nachteile der Windkraftanlage jedoch immer deutlicher zutage. Kohlebürsten und Schleifringe sind mechanische Kontaktbauteile, die in der rauen Betriebsumgebung von Windparks regelmäßige Wartung erfordern und potenzielle Ausfallpunkte darstellen. Zudem ist die Fähigkeit des Stators, Spannungsschwankungen im Netz auszugleichen (sog. „Unterspannungsdurchfahrtsfähigkeit“), aufgrund der direkten Verbindung zum Stromnetz relativ gering.
2. Permanentmagnet-Direktantrieb-Synchrongenerator: Ein Musterbeispiel an Zuverlässigkeit
Die Direktantriebstechnologie verfolgt einen völlig anderen Ansatz. Sie eliminiert das Hochgeschwindigkeitsgetriebe vollständig und ermöglicht es der Windkraftanlage, einen mehrpoligen Permanentmagnet-Synchrongenerator direkt anzutreiben. Aufgrund der niedrigen Drehzahl variiert die Frequenz des erzeugten Stroms stark, weshalb die gesamte elektrische Energie vor der Einspeisung ins Netz von einem Wechselrichter aufbereitet werden muss.
Dieses Konzept bietet revolutionäre Vorteile. Durch den Wegfall des Getriebes mit der höchsten Ausfallrate werden Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit der Anlage deutlich verbessert, was sich besonders für schwer zugängliche Offshore-Windparks eignet. Permanentmagnete erzeugen ein Magnetfeld ohne Erregungsverluste, was zu einem höheren Wirkungsgrad führt. Noch wichtiger ist, dass der Frequenzumrichter als „Firewall“ fungiert und den Generator perfekt vom Netz trennt. Dadurch ist die Windkraftanlage extrem unempfindlich gegenüber Netzschwankungen und kann das Netz aktiv stützen, was zu einer exzellenten Stromqualität führt.
Die Herausforderung besteht darin, einen Generator mit enormem Durchmesser und zahlreichen Polen zu entwickeln, um bei niedrigen Drehzahlen ausreichend hohe Stromfrequenzen zu erzeugen. Dies führt zu einem enormen Volumen und Gewicht und erschwert Transport und Heben. Zudem benötigt er Permanentmagnete aus Seltenerdmaterialien, was die Kosten weiter in die Höhe treibt.
3. Mittelschnelllaufender Permanentmagnet-Synchrongenerator (halbdirekter Antrieb): der aktuelle technologische Liebling
Um ein Gleichgewicht zwischen der Zuverlässigkeit des Direktantriebs und der Kompaktheit traditioneller Bauweisen zu erreichen, haben sich Kompromisslösungen wie der „Halbdirektantrieb“ oder der „Mittelgeschwindigkeitsantrieb“ herausgebildet und sind schnell zur gängigen Wahl für große Windkraftanlagen geworden, insbesondere für Offshore-Modelle.
Es verfügt über ein einfaches und robustes Mittelgeschwindigkeitsgetriebe (in der Regel mit nur einem Planetenrad), das die Drehzahl der Windkraftanlage auf ein moderates Niveau erhöht, einen kompakten Permanentmagnet-Synchrongenerator antreibt und schließlich über einen Vollfrequenzumrichter an das Stromnetz angeschlossen wird.
Dies kann als optimale Kombination bezeichnet werden. Durch ein einfaches Getriebe werden Größe und Gewicht des Generators deutlich reduziert, wodurch das Transportproblem von Direktantrieben gelöst wird. Gleichzeitig bleiben der hohe Wirkungsgrad von Permanentmagnetmotoren und die hervorragende Netzfreundlichkeit von Vollfrequenzumrichtern erhalten. Die Zuverlässigkeit ist wesentlich höher als bei herkömmlichen doppelt gespeisten Systemen. Obwohl die Technologieintegration anspruchsvoll und die Anschaffungskosten nicht gering sind, überwiegen die Vorteile hinsichtlich der gesamten Stromkosten über den Lebenszyklus hinweg erheblich.
Zusammenfassung und Trends
Insgesamt ist der technologische Entwicklungspfad von Windkraftanlagen klar:
Doppelt gespeiste Asynchrongeneratoren sind aufgrund ihrer ausgereiften Technologie und Wirtschaftlichkeit in bestimmten Onshore-Märkten nach wie vor relevant.
Permanentmagnet-Direktantriebs-Synchrongeneratoren haben sich mit ihrer unübertroffenen Zuverlässigkeit einen festen Platz auf See und in Gebieten mit niedrigen Windgeschwindigkeiten erobert.
Der mittelschnelllaufende Permanentmagnet-Synchrongenerator vereint die Vorteile der beiden erstgenannten Typen und ist damit der absolute Technologieführer in der aktuellen Entwicklung von großflächigen und Offshore-Windparks. Er repräsentiert die zukünftige Richtung der Branche.
Die Wahl des Generators ist im Wesentlichen eine Suche nach dem optimalen Gleichgewicht zwischen Investitionskosten, Betriebs- und Wartungskosten, Stromerzeugungseffizienz und Netzanschlussbedingungen. Mit zunehmender Größe und dem Offshore-Einsatz von Windkraftanlagen steigen die Anforderungen an Zuverlässigkeit und Netzstützfähigkeit enorm. Dies ist auch der Hauptgrund, warum sich die Technologie der Permanentmagnetgeneratoren in Kombination mit Frequenzumrichtern durchgesetzt hat.
