Die Technologien für die Gewinnung von Strom aus Windkraft hat in den letzten Jahrzehnten eine große Entwicklung vollzogen. Mit smarten Systemen, neuen Materialien und innovativen Konzepten gewinnt sie immer mehr Energie aus dem Wind.
Windkraft ist eine der am schnellsten wachsenden Quellen für nachhaltige Energie. Die weltweit installierte Windenergiekapazität an Land und auf See ist in den letzten zwei Jahrzehnten fast um das 75fache gestiegen. Von 7,5 Gigawatt im Jahr 1997 auf rund 564 Gigawatt im Jahr 2018, so die Daten der International Renewable Energy Agency (IRENA). Christian Mildenberger, Geschäftsführer des Landesverband Erneuerbare Energien NRW: „In den vergangenen 20 Jahren hat die Technologie große Sprünge gemacht.“ Im Jahr 1985 hatten typische Anlagen eine Nennleistung von 0,05 Megawatt und einen Rotordurchmesser von 15 Metern. Die heutige Anlagen haben Turbinenkapazitäten von etwa zwei Megawatt onshore. Offshore-Anlagen haben sogar drei bis fünf Megawatt. In Planung sind bereits neue Anlagenklassen mit über sieben Megawatt Leistung, die in drei bis fünf Jahren verfügbar sein werden.
Windkraft richtig nutzen
Um einen größtmöglichen Energieertrag zu erzielen, müssen Anlagen so gesteuert werden, dass sie sich wechselnden Windbedingungen anpassen können. Dazu verarbeiten Steuerungen eine Vielzahl an Daten, die die unterschiedlichsten Sensoren liefern. Zum Beispiel erfassen absolute Drehgeber die Anstellwinkel der Rotorblätter, inkrementelle Drehgeber die Rotordrehzahl.
Damit die Einstellungen frühzeitig vorgenommen werden können, kann mittels LiDAR (Light detection and ranging) die Windgeschwindigkeit und -richtung gemessen werden. LiDAR-Geräte senden dazu Laserstrahlen aus, die von Partikeln reflektiert werden, die sich im Wind mitbewegen. So weiß die Anlage, welche Belastungen durch den Wind sehr kurzfristig, das heißt in den folgenden Sekunden, auf sie zukommen werden.
Strom effizienter umrichten
Ein anderer wichtiger Baustein, um die Effizienz der Anlage zu erhöhen, ist der Umrichter. Heute werden die meisten Windkraftanlagen mit variabler Rotordrehzahl betrieben. Entsprechend liefert auch der Generator Strom mit variablen Frequenzen und Spannungen. Die Leistungselektronik in den Umrichtern steuert und regelt den erzeugten Strom so, dass er immer mit der richtigen Netzfrequenz und -qualität in das öffentliche Netz eingespeist werden kann. Künftige Technologien versprechen eine Verdoppelung der Leistungsdichte im Halbleitermodul, was entscheidende Volumenreduzierungen des Umrichters zulässt. Zudem bietet Leistungselektronik auf Basis von Siliziumcarbid (SiC) deutliche Verbesserungen: SiC-MOSFETs erreichen höhere Schaltfrequenzen, was wiederum den Einsatz kleinerer Filterkomponenten ermöglicht. Gleichzeitig können Schaltverluste reduziert, höhere Leistungsdichten erreicht und in der Summe der Systemwirkungsgrad erhöht werden.
Eine der Schattenseiten bei der Gewinnung von Strom aus der Windkraft ist, dass viele Fledermäuse mit den Rotorblättern kollidieren und sterben. Daher bringt man Ultraschalldetektoren an den Anlagen an. Diese erfassen die Echoortungsrufe der Fledermäuse, wenn sie sich in der Risikozone der Rotorblätter aufhalten. Zusammen mit Wetterdaten lassen sich daraus Schwellenwerte für Temperatur und Windstärke für einen fledermaussicheren Betrieb der Windenergieanlagen ableiten. Windenergieanlagen produzieren dann nur Strom, wenn keine oder nur wenige Fledermäuse aktiv sind.
Mit KI Stillstände vermeiden
Elektronik spielt eine entscheidende Rolle, um Windkraftanlagen lange und wirtschaftlich nutzbar zu halten. Durch die immer stärkere Vernetzung und Digitalisierung ist eine Überwachung der Betriebsparameter in Echtzeit möglich. Dabei kommt zunehmend Künstliche Intelligenz (KI) zum -Einsatz. Relevante Parameter und Messdaten innerhalb eines ganzen Windparks werden erfasst und aufbereitet, um den aktuellen Betriebs- und Wartungszustand der Anlagen zu rekonstruieren. Dazu lernt die KI bestimmte Schwingungen oder die Erwärmung von Bauteilen als Symptom von Schäden zu erkennen. Diese Informationen lassen darauf schließen, ob bestimmte -Komponenten bald ausfallen werden, um sie auszutauschen, bevor eine Windenergieanlage ausfällt. -Außerdem lässt sich die Betriebsführung der Einzelanlagen aufeinander abstimmen. Dadurch gelingt es, dass sich hintereinanderstehende Anlagen so zum Wind ausrichten, um die Windenergie optimal zu nutzen.
Innovative Konzepte mit Windkraft
Weltweit hat sich bei Windkraftanlagen die Bauform mit horizontaler Achse und drei Rotorblättern durchgesetzt. Doch die klassischen Rotormodelle könnten durch spannende Projekte Konkurrenz bekommen. Zum Beispiel hat das Start-up Vortex Bladeless ein Konzept entwickelt, das komplett ohne Rotorblätter und Turbinen auskommt. Die Anlagen bestehen im Prinzip aus einer Säule. Der Wind regt diese zu Schwingungen an und ein Generator wandelt diese anschließend in Strom um. Vortex Bladeless schätzt, dass der Strom aus den vertikalen Windkraftanlagen um 40 Prozent günstiger sein kann als der aus herkömmlichen Windrädern. Allerdings ist der Stromertrag deutlich geringer als bei den klassischen Windrädern.
Auf einem anderen Prinzip basieren die Flugwindkraftanlagen von SkySails Power. Ein Lenkdrache zieht während seines Aufstiegs ein Seil in gesteuerten Flugfiguren von einer Winde ab – der verbundene Generator erzeugt dabei Strom. Sobald das Zugseil seine maximale Länge erreicht hat, beginnt die Rückholphase. Der Kite stellt sich automatisch in eine Position, in der seine Zugkraft sehr gering ist, er also ohne viel Widerstand eingeholt werden kann. Der Generator arbeitet jetzt als Motor und wickelt das Seil auf. „Die Systeme arbeiten sehr leise, fallen in der Landschaft praktisch nicht auf und werfen kaum Schatten“, sagt Stephan Wrage, CEO von SkySails Power. Diese Vorteile können nach seinen Worten dazu beitragen, die Akzeptanz für Windenergie weiter zu erhöhen. Wrage: „Damit ist die SkySails-Technologie eine faszinierende Variante der erneuerbaren Stromerzeugung mit Windkraft.“
