Giganten im Test

Für die vor Europas Küsten nach und nach entstehenden offshore-Windparks werden die größten Windturbinen gebraucht. Drei Prototypen werden bereits getestet, zwei weitere folgen in Kürze. Die Turmkopfmassen liegen zwischen 100 und 500 Tonnen.

Die Windenergieanlage der Zukunft steht auf dem Meer und leistet 5 MW. Man braucht kein Prophet zu sein, um diese Prognose zu stellen. Die ersten Prototypen stehen bereits oder werden in Kürze aufgestellt. Es handelt sich um einen enormen Leistungssprung, und der Massenzuwachs ist enorm.

Beispiel Enercon: Gondel und Rotor der E-112 (4,5 MW) wiegen 504 t, das ist fünfmal so viel wie bei der E-66 (1,8 MW).
Mit Massenzuwachs aufgrund größerer Rotoren und überproportional anwachsender Lasten haben alle Hersteller zu kämpfen. Sie lösen das Problem jedoch unterschiedlich, wie der folgende Vergleich zeigt.

Daten der fünf Prototypen: Leistung, Rotordurchmesser, Rotorfläche, Turmkopfmasse TKM (Gondel mit Nabe und Rotor) und flächenspezifische Turmkopfmasse (Herstellerangaben).

Warum die Entwicklung der Nennleistung so große Sprünge macht, ist nicht ganz klar. Faktor 2 genügt in der Windenergiebranche nicht, es muss offenbar Faktor 3 sein: Die 500/600-kW-Klasse wurde vor sechs Jahren abgelöst durch die 1,5-MW-Klasse. Nun folgen Prototypen mit 4,5 und 5 MW. Nur GE Wind Energy und Vestas bevorzugen kleinere Schritte (siehe Tabelle).

Repower: Der aufstrebende deutsche Hersteller, im vergangenen Jahr weltweit die Nummer 9, kam im ersten Halbjahr 2003 in Deutschland auf Rang 4 und versucht nun, sich mit einem Prototypen an die Spitze zu setzen. Leistung und Rotorfläche der 5M werden von keinem Konkurrenten übertroffen.

Im Frühsommer soll der Gigant in Brunsbüttel errichtet werden. Details sind aber schon jetzt bekannt, denn der Schleier, der das technische Konzept noch während der Hannovermesse umhüllte, wurde bereits gelüftet1. Das Grundkonzept ist konservativ, denn Repower will das Risiko, das ohnehin mit dem Leistungssprung verbunden ist, möglichst nicht noch zusätzlich durch den Einstieg in neue Technologien überstrapazieren. Am Einsatz von Kohlefasern im Rotorblatt führt jedoch kein Weg vorbei. Ergebnis: Der Massezuwachs ist moderat, die spezifische Masse (Verhältnis von Turmkopfmasse zu Rotorfläche) wächst von 23 kg/m² (MD 70) auf 29 kg/m² (5M).

Pfleiderer: Noch ehrgeiziger als Repower kann Pfleiderers Ziel bewertet werden. Der Newcomer, der bisher erst einige Windtec-Anlagen mit 600 und 1.500 kW errichtete, will nun hoch hinaus und mit der Nennleistung die Marktführer Vestas und Enercon überflügeln. Mit der Multibrid-Technologie geht Pfleiderer einen vollkommen eigenständigen Weg. Der Prototyp steht bereits auf dem Prüfstand (siehe Seite 84). Das Ziel, mit möglichst wenig Masse auszukommen, wird offenbar erreicht.

Enercon: Die E-112, mit 504 t Kopfmasse der "Jumbo" unter den fünf Prototypen, wird seit August 2002 am Standort Egeln, 25 km südwestlich von Magdeburg getestet. Der zweite Prototyp wird zurzeit in Wilhelmshaven errichtet, der dritte soll in Kürze - ebenfalls in Wilhelmshaven - ins Wasser gestellt werden.

Die große Kopfmasse von über 500 t kommt vor allem durch den Ringgenerator zu Stande. Die niedrige Drehzahl erfordert einen großen Durchmesser. Die zweite Anforderung - ein geringer Luftspalt zwischen den Polschuhen von Rotor und Stator - ist nur durch hohe Steifigkeit zu erfüllen. Beide Anforderungen steigern die Turmkopfmasse. Die E-112 kommt auf die größte spezifische Masse aller fünf Prototypen, knapp 50 kg/m².

Mit welchen Dimensionen (und Massen) man es zu tun hat, wird auch deutlich, wenn die Zahlen betrachtet, die Enercon kürzlich bekanntgab. Anlass war die Fertigstellung des Fundamentsockels am Standort Wilhelmshaven. Das kreisförmige Fundament hat einen Durchmesser von 21,40 m und eine Höhe von 4,40 m. Rund 1.000 m³ Fundamentbeton und über 100 t Stahlbewehrung wurden darin verarbeitet. Der Stahlbetonturm wird eine Höhe von 118 m erreichen und ein 2 m langes abschließendes Stahlsegment tragen.

Einiges spricht dafür, dass der Rotordurchmesser, ebenso wie bei der E-40 und der E-66, noch größer wird. Auch die maximale Nennleistung ist vermutlich noch nicht ausgeschöpft. Der Rotor wurde bereits von 112 auf 114 m vergrößert, dadurch wuchs die Rotorfläche auf über 10.000 m² an.

GE Wind Energy: Über die 3.6, die seit April 2002 in Spanien getestet wird, ist relativ wenig bekannt. Seit September 2002 speist der Prototyp Strom ins Netz des regionalen Energieversorgers ein. Die ersten Betriebsergebnisse sollen nach der Husumwind veröffentlicht werden. Die Nullserie ist bereits so gut wie fertig. Sieben Anlagen des Typs 3.6 werden in Kürze in der Irischen See aufgestellt, als Pilotprojekt im Windpark Arklow Banks. Die Fundamente sind dort bereits in Arbeit.

Logistische Meisterleistung: Transport eines Rotorblattes der E-112 nach Egeln
Foto: Enercon

Vestas testet den kleinsten und - nicht nur absolut, sondern auch spezifisch - leichtesten aller Offshore-Prototypen. Der dänische Hersteller will beweisen, dass eine Steigerung der Leistung nicht zwangsläufig mit einer größeren und schwereren Anlage verbunden ist. Masse kostet Geld. "So kann das Ziel, preiswertere Energie zu erzeugen, nicht erreicht werden", heißt es in dem Prospekt der V90.
Vestas hat die V90 so weit wie möglich "abgespeckt". Ohne Steigerung von Größe und Gewicht soll das Maschinenhaus 50% mehr Leistung bringen als sein Vorgänger, die 2-MW-Anlage V80. Die Rotornabe ist über das Hauptlager direkt mit dem Getriebe verbunden. Eine konventionelle Hauptwelle wird dadurch überflüssig. Nebeneffekt der verbesserten Konstruktion: Die Länge des Maschinenhauses konnte reduziert werden. Dadurch verringern sich die Gierlasten.

Auch die Rotorblätter sind extrem leicht. In der tragenden Struktur setzt Vestas anstelle von Glasfaser jetzt Kohlefaser ein. Ergebnis: Die neuen 44 m langen Rotorblätter der V90 sind leichter als die 39 m langen Blätter der V80. In Zusammenarbeit mit dem dänischen Forschungszentrum Risø hat Vestas das Profil der Rotorblätter überarbeitet mit dem Ziel, die Energieausbeute zu steigern und die Belastung der Gesamtkonstruktion zu vermindern.

Der Vorteil der Masseneinsparung liegt auf der Hand: Eine geringere Masse bedeutet nicht nur geringere Materialkosten in der Gondel, sondern auch die tragende Struktur kann leichter werden. Deshalb kann auch an Turm und Fundament gespart werden. Der 80 m hohe Turm der V90 wiegt nur 165 t - das sind 18% weniger als die 200 t des Turms der V80 (78 m Höhe).

Das Prinzip "Mit kleinen Schritten zum Erfolg" ist offenbar erfolgreich. Mehrere Prototypen der V90 stehen bereits, und der erste Großauftrag ist offenbar auch schon unter Dach und Fach. Im britischen Offshore-Windpark North Hoyle werden zurzeit 30 Anlagen des neuen Typs errichtet.

Was machen die übrigen großen Hersteller? Als nächstes wird NEG Micon in den Wettbewerb der Offshore-Protoypen einsteigen. Der Prototyp der NM110 soll im Oktober errichtet werden. Mit einem Rotordurchmesser von 110 m und einer Nennleistung von 4,2 MW tastet sich der dänische Hersteller an die 5-MW-Grenze heran. AN und Bonus haben einen Prototyp mit 3,5 MW angekündigt. Was Nordex plant, ist bisher erst andeutungsweise bekannt. Die Messe Husumwind wird sicherlich weitere Informationen liefern.

Chefredakteur Detlef Koenemann schrieb diesen Beitrag, der erstmals in der Sonne Wind & Wärme 9/2003 erschien. Informationen zum Branchenblatt Sonne Wind & Wärme: www.bva-solar.de.

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