Wie die WISUS-48 Windkraftanlagen schützt
Die Energiewende läuft auf vollen Touren und Windkraft liefert einen wichtigen Anteil am Energiemix. Für die Hersteller von Windkraftanlagen bedeutet das Hochkonjunktur. Um den steigenden Energiebedarf CO₂-neutral zu decken, werden immer mehr Windkraftanlagen mit immer größeren Kapazitäten gebaut. Sehr große Windräder an günstigen Standorten liefern bis zu 15 MW Leistung, der Durchschnitt liegt mittlerweile bei 5 bis 6 Megawatt. Mit einer Nennleistung von 6 MW können theoretisch etwa 3.500 Haushalte ein Jahr mit Strom versorgt werden. Ein modernes Windrad produziert gut 10.000 MW pro Jahr. 2020 erzeugten 31.000 Windenergieanlagen in Deutschland rund 134 Terawattstunden Strom. Dies entspricht einem Anteil von rund 23,7 % an der gesamten Bruttostromerzeugung. Mit einer installierten Leistung von rund 62 Gigawatt war Deutschland 2019 damit nach China und den USA weltweit auf Platz 3.
Funktionsweise moderner Windkraftanlagen
Moderne Windkraftanlagen arbeiten überwiegend nach dem Auftriebsprinzip. Dabei werden aerodynamisch geformte Rotorblätter eingesetzt, wie sie auch im Flugzeugbau Verwendung finden. Der Wind erzeugt Druck an der Vorder- und einen Sog an der Unterseite der Blätter. Die Gondel mit dem Rotor wird über Stellmotoren optimal zum Wind ausgerichtet. Wie viel Energie aus dem Wind generiert werden kann, hängt unter anderem von der Größe der Fläche ab, die der Luftstrom anweht. Die Rotorblätter sind daher möglichst lang. In Folge wachsen die Windräder immer mehr in die Höhe – 120 bis 160 Metern sind keine Seltenheit mehr. Doch diese großen Anlagen sind ab Windstärken von 25 bis 30 Metern in der Sekunde großen Kräften ausgesetzt. Um Schäden an der Windkraftanlage zu vermeiden, werden die Rotorblätter bei Überschreitung einer maximalen Windstärke, der Abschaltgeschwindigkeit, aus dem Wind gedreht. Sie stehen dann in der sogenannten „Fahnenstellung“, in der sie den geringsten Windwiderstand bilden. Der Rotor dreht sich dann langsam im Wind. Dieser Schutzmechanismus verhindert, dass die Rotationskräfte zu groß werden, welchen das Windrad nicht mehr standhalten kann.
Nachführung mit Stellmotoren
Stellmotoren in der Gondel sorgen für die Nachführung, sowohl um die Gondel auszurichten als auch um die „Fahnenstellung“ anzusteuern. Den Motoren kommt daher eine entscheidende Bedeutung für die Leistung und Verfügbarkeit des Windrades zu. Weht nicht genügend Wind, versorgt sich die Windkraftanlage selbst nicht mit genügend Strom. Die Anlage wird dann über die Mittelspannungsanbindung mit Strom versorgt. Doch bei einem starken Sturm können die Überlandleitungen beschädigt werden oder es kommt aus anderen Gründen zu einem Stromausfall im Netz. Dann wäre das Windrad reaktionsunfähig und damit wehrlos z.B. einem Orkan ausgeliefert.
Da bei Netzausfall die Flügel automatisch die „Fahnenstellung“ einnehmen müssen, könnte die Situation entstehen, dass der Wind die Flügel nicht von vorne, sondern von der Seite anweht. Hierbei können unzulässig hohe Kräfte entstehen. Um Schäden zu vermeiden, sorgt die WISUS-48 von Wöhrle dafür, dass die Stellmotoren auch bei Netzausfall in der Lage sind, die Gondel immer so auszurichten, dass sie immer „im Wind steht“. Das bedeutet der Wind weht immer von vorn auf die Anlage. Damit bilden die Flügel, die in „Fahnenstellung“ stehen den geringsten Windwiderstand und die Anlage ist auch bei starken Stürmen geschützt
Ein Windrad ist den Wetterelementen in besonderem Maß ausgesetzt. Egal ob der Standort zu Wasser oder an Land gewählt wird. Es herrschen Extrembedingungen bei Hitze, Feuchtigkeit und Kälte. Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung muss daher spezifisch auf den Einsatzbereich in einem Windrad zugeschnitten sein. Die Wöhrle Stromversorgungssysteme GmbH, seit vielen Jahren auf Stromversorgungen für besonders anspruchsvolle Industrieanwendungen spezialisiert, entwickelt und fertigt Gleichspannungs und Wechselspannungssysteme nach strengsten Kriterien. Mit der WISUS-48 hat Wöhrle eine Notfallstromversorgung im Portfolio, die bereits erfolgreich in Windrädern genutzt wird.
Höhere Leistungen verlangen erweiterte Risikoabsicherung
Mit den immer höheren Leistungen und Anlagengrößen von Windrädern gehen besonders bei terrestrischer Aufstellung auch höhere Risiken einher. Betreiber rechnen im Zeitraum von zehn Jahren mit zwei bis drei Situationen, die den Verlust der Mittelspannungsversorgung mit sich bringen. Für genau solche Fälle ist die WISUS-48 optimal ausgelegt. Sie kann sechs Stellmotoren mit einer Gesamtleistung von knapp 30 kVA im Worst Case einige Stunden lang alle fünf Minuten mit Strom versorgen und so auch länger andauernde Ausfälle überbrücken. Zusätzlich ist noch eine deutliche Leistungsreserve eingebaut. Schon nach etwa zwei bis drei Stunden ist der Stromspeicher wieder vollgeladen, was der Verfügbarkeit der Notfallstromversorgung zugutekommt.
Die im Fuß des Masts untergebrachte unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlage WISUS-48 nutzt Lithium-Ionen-Batterien mit der LiFe-Phosphat-Technik als Energiespeicher. Dies ergibt sehr kurze Ladezyklen und allgemein gilt diese Li-Ion-Technik als die sicherste. Außerdem sind Li-Ion Batterien sehr beständig gegenüber Temperaturschwankungen. Während die früher verwendeten Bleiakkus bei nur 20 Grad Celsius ihre Nennkapazität erreichen und bei Abweichungen rasch deutlich an Kapazität einbüßen, sind Li-Ion-Akkus erheblich unempfindlicher und dazu kompakter. Kleinere Abmessungen sind bei den sehr begrenzten Platzverhältnissen im Fuß des Windrads ein großer Vorteil. Zwar wird die WISUS-48 beim Neubau mit dem Kran von oben in den Sockel gehoben, durch die Montage in einem Standard-19 Zoll Schrank lässt sie sich aber auch zur Nachrüstung durch die Tür im Fuß des Sockels transportieren.
Für schlechtes Wetter ausgelegt
Zudem hat Wöhrle Stromversorgungssysteme die komplette WISUS-48 Einheit für raue Umgebungsbedingungen ausgelegt. Alle Bauteile verkraften durch spezielle Beschichtung einen ausgeweiteten Temperatur- und Feuchtigkeitsbereich von -40 bis +60 Grad. Neben der größeren Unempfindlichkeit führt das auch dazu, dass keine energiefressende Heizung für die Elektronik notwendig ist. Das System liefert im Standardausbau 3x 400V. Die Außenleiter lassen sich aber je nach Anforderung einstellen. Zur Steuerung und zum Monitoring bietet Wöhrle Stromversorgungssysteme in der WiSUS-48 zahlreiche Schnittstellen an. Neben der grundsätzlichen Steuerung auf Zweidraht-Basis mit Relais verfügt die Notfallstromversorgung über eine Netzwerkschnittstelle mit TCP/IP-Stack. Ein eingebauter Webserver liefert über eine aussagekräftige GUI zahlreiche Betriebsdaten und kann auch weitere WISUS-48 Systeme verwalten.
Zusätzlich zu den Stellmotoren fordert der Gesetzgeber auch, dass die Gondel sowie die Rotorspitzen mit Beleuchtungseinrichtungen abgesichert werden, weil sonst tief fliegende Flugzeuge und Hubschrauber gefährdet wären. Am Tag erfolgt die Markierung in der Regel durch Farbe, für die Nachtkennzeichnung der Hindernisse ist ein Hindernisfeuer und/oder Gefahrenfeuer vorgesehen. Auch bei Stillstand des Rotors muss mindestens ein Feuer aus jeder Richtung sichtbar bleiben, was sich ebenfalls über die WISUS-48 absichern lässt. So senkt die spezialisierte Notfallstromversorgung die Kosten und Komplexität der Windkraftanlage.
