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WID-WHITEPAPER Die Grenzen des Wachstums sind noch nicht erreicht

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Gemeinsames Papier der deutschen Windenergieforscher Von der Garagen-Werkstatt zum Weltmarkt – in der Vergangenheit hat die Windenergie alle ihr vorhergesagten Wachstumsgrenzen überschritten. Der Blick zurück zeigt: Jetzt steht die Branche vor neuen technischen Herausforderungen. Der Fokus gerade auch der Forschung wird in den nächsten Jahren auf Netzverträglichkeit und genauerer Ressourcenabschätzung liegen.

WiD

WiD WHITEPAPER | Grenzen des Wachstums 6 die durchschnittliche Nabenhöhe der heute im Binnenland installierten Anlagen bereits 135 Meter und wird wohl auch zukünftig weiterhin wachsen. Die gezielte Auslegung für geringere Windgeschwindigkeiten resultiert u. a. in einer größeren Rotorfläche bei gleicher Nennleistung. Unter ansonsten gleichbleibenden Bedingungen wird auf diese Weise die Effizienz in Form von mehr Betriebsstunden, höheren Erträgen und eines höheren Kapazitätsfaktors verbessert. Langfristig werden in Deutschland Windenergieanlagen an Land im Durchschnitt sicherlich rund 2250 Volllaststunden erreichen. Einige der frühen Offshore-Windparks erreichten zunächst relativ geringe Verfügbarkeiten und damit auch weniger Volllaststunden als erwartet [IWES2015]. Nach Behebung von Anfangsschwierigkeiten und mit einer besser angepassten Technologie werden inzwischen von einigen Windparks regelmäßig 4000 Volllaststunden und mehr erreicht. Eine weitere Vergrößerung der Nabenhöhen wird offshore keine großen Ertragssteigerungen erzielen, aber bei weiter verbesserter Technologie und effizienter Instandhaltung kann offshore langfristig wahrscheinlich mit etwa 4500 Volllaststunden gerechnet werden. Mechanische Konzepte werden kontinuierlich verfeinert Viele konstruktive Ansätze wurden in den vergangenen Jahren wieder verworfen. Bei der heutigen WEA wird der 3-blättrige Rotor mit horizontaler Achse durch eine aktive Windrichtungsnachführung im Luv des Turms gehalten. Die Rotorblätter sind in ihrer Längsachse drehbar gelagert und die Rotordrehzahl kann der Windgeschwindigkeit entsprechend variabel eingestellt werden. Dennoch ist die Entwicklung bei Weitem noch nicht abgeschlossen. Um den heterogenen und turbulenten Windfeldern bei immer größeren Rotor-Durchmessern flexibel und lastschonend begegnen zu können, werden u. a. sogenannte intelligente Rotorblätter erforscht. Diese sogenannten „smart blades“ sollen die Strömungsverhältnisse z.B. durch Klappen lokal beeinflussen können und damit die Lasten auf die Anlage reduzieren, Material und Gewicht einsparen und so Logistikkosten reduzieren und die Lebensdauer der Anlage erhöhen. Die Größenentwicklung führt zu Rotorblattlängen, bei denen die Grenzen bestimmter Materialeigenschaften erreicht werden. Außerdem sind große Rotorblätter an Land nur noch mit erheblichem Aufwand zu den Standorten zu transportieren. Mit hochwertigen Materialien und Kombinationen aus Glas- und Kohlenstofffasern, oder herausfordernden Konstruktionen, wie in ihrer Länge teilbare Blätter, wird versucht, die Herausforderungen zu meistern. Es ist aktuell nicht abzusehen, ob die genannten Limitierungen zumindest für WEA an Land zu einer Größenbeschränkung führen werden. Immerhin stehen den Entwicklern inzwischen Prüfstände mit umfangreichen Testund Messmöglichkeiten für Blätter bis 90 Meter Länge zur Verfügung, so dass Blätter mit neuen Design-Ansätzen ausgiebig erprobt werden können.

WiD WHITEPAPER | Grenzen des Wachstums 7 Bild 3: Prinzipdarstellung der drei verbreiteten elektrischen Konzepte FESTE DREHZAHL DREHZAHLVARIABEL GETRIEBE GETRIEBE Wie bei den Rotorblättern sind bei den Türmen begrenzte Materialeigenschaften und Transportschwierigkeiten Anlass für ständig neue Entwicklungen. Konstruktionen aus Beton-Fertigteilen, vollständig aus Stahl gefertigte Schweißkonstruktionen, Hybridtürme aus Beton und Stahl sowie Gitterkonstruktionen existieren nebeneinander. Die Entwicklung eines Turms aus Holz wird ebenfalls seit Jahren ernsthaft verfolgt und wurde bereits in einem Prototyp mit 100 Meter Höhe realisiert. Der Druck in Richtung Kostensenkung und Ertragssteigerung wird zur Weiterentwicklung der aktuellen mechanischen Konzepte führen, wobei sich wohl keine Abkehr vom oben erwähnten Grundprinzip ergeben wird. Vielmehr wird es um die standort-spezifische Auslegung gehen. Elektronik zielt immer stärker auf Netzstabilität Wie die mechanischen haben sich auch die elektrischen Konzepte erheblich weiterentwickelt. Mit zunehmendem Anteil an der Stromerzeugung erlangte der Einfluss der WEA auf das elektrische Versorgungssystem eine größere Bedeutung. Der nicht regelbare Blindleistungsbedarf der früher fast durchweg eingesetzten einfachen Asynchrongeneratoren und die zuvor genannte Erfordernis der Lastreduktion machten neue elektrische Konzepte erforderlich. Im Laufe der Jahre wurden deshalb drehzahlvariable Konzepte entwickelt, bei denen die schwankende Frequenz von Strom und Spannung mit Stromrichtern der Netzfrequenz angepasst wird (Abbildung 3). Einen wesentlichen Beitrag zur Erschließung dieser Generatorkonzepte leistete die rasante Entwicklung leistungselektronischer Bauteile in den 80er und 90er Jahren. Ein wichtiger Vorteil bei der Verwendung von Stromrichtern liegt - neben der Möglichkeit der variierenden Rotordrehzahl - darin, dass der Leistungsfaktor der

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