Verbessern Statt Nachrüsten: Ein Technischer, Umweltfreundlicher und Wirtschaftlicher Ansatz

Im Vergleich zu einem Nachrüstungsprojekt für einen Windpark stellt die Technik der Rotorblattverlängerung einen wirtschaftlicheren und umweltfreundlicheren Ansatz zur Verbesserung der Stromerzeugung dar.

In der Vergangenheit wurden Windparks teilweise an Standorten aufgestellt, an denen die entsprechenden Windklassen nicht gegeben waren. Dafür gibt es unterschiedliche Gründe wie ungenügende Planungswerkzeuge oder fehlende Erfahrung der Windparkentwickler. Das führte zu Verlusten in der jährlichen Stromproduktion, und so mancher Windpark geriet in wirtschaftlich kritische Bereiche. Zur Steigerung der jährlichen Stromproduktion eines Windparks oder einer einzelnen Windkraftanlage wurde an solchen Standorten eine Vielzahl von Verbesserungslösungen untersucht und experimentell getestet.

Das hier behandelte Projekt wurde vom Windparkbesitzer und -betreiber Energiekontor ins Leben gerufen. Als Forschungspartner war die Hochschule für angewandte Wissenschaften Bremerhaven für Entwurf, Lastberechnungen und Messungen zuständig. Die Blattspitzenverlängerung wurde in Deutschland konstruiert, und DEWI-OCC hat das Projekt als akkreditierte Zertifizierungsstelle begleitet.

Um die Effizienz des Rotors zu steigern, sind genaue Kenntnisse der Konstruktion des Windrads erforderlich. Dementsprechend können sich durch die Änderung der Rotorblätter zur Steigerung der Stromproduktion auch andere Eigenschaften der Windkraftanlage ändern. Dabei handelt es sich zum Beispiel um höhere Grenz- und Ermüdungslasten, die Änderung der natürlichen Frequenzen der Bauteile, Steuerungsverhalten, Geräuschemissionen und letztendlich das Dokument, durch das der Windkraftanlagentyp zertifiziert wird. Diese Untersuchung basierte auf der Gleichung der Leistungskurve einer Windkraftanlage, die folgendermaßen ausgedrückt werden kann

P = ρ/2 · v3 · cp · Arotor

P – elektrische Leistung

ρ – Luftdichte

v – Windgeschwindigkeit auf Nabenhöhe

cp – Leistungskoeffizient Rotor

Arotor – überstrichene Rotorfläche

Nicht alle Parameter können geändert werden, um eine vorhandene Windkraftanlage zu optimieren. Je nach vertikalem Windprofil kann der Turm vergrößert werden, um eine höhere Windgeschwindigkeit zu erreichen. Da die Leistung kubisch ansteigt, stellt eine höhere Lage der Nabe eine wirtschaftliche Lösung für die neue Anlage dar. An Standorten mit niedriger Windgeschwindigkeit kann ein kleinerer Generator verbaut werden, der im Vergleich zu einer leistungsfähigeren Anlage einen besseren Wirkungsgrad bei niedrigen Windgeschwindigkeiten besitzt. Beide Methoden ziehen hohe Kosten nach sich. Außerdem kann die Rotoreffizienz durch Optimierung der Aerodynamik oder der Steuerungstrategie gesteigert werden. Schließlich kann die Rotorfläche durch Erhöhung des Rotordurchmessers vergrößert werden. All diese Modifikationen können angewandt werden, wenn eine Windkraftanlage in ihrer ursprünglichen Auslegung vom Hersteller für einen Binnenlandstandort optimiert wird.

Hat der Windparkplaner jedoch die „falsche“ Windkraftanlage ausgewählt, oder wenn sich herausstellt, dass das langfristige Windpotenzial zu optimistisch angesetzt war, dann können die meisten der oben genannten Parameter nicht ohne eine Preisspirale nach oben geändert werden. Die Erhöhung des Rotordurchmessers wurde als die Lösung mit dem besten Preisleistungsverhältnis identifiziert. Zwei Methoden können angewandt werden:

  • Der Einsatz einer Verlängerung, die zwischen der Nabe und dem Rotorblatt eingebaut wird
  • Eine Verlängerung an der Blattspitze

Bei der ersten Option müssen die Rotorblätter abgenommen werden, was einen weitreichenden Eingriff an der Struktur erforderlich macht. Außerdem zieht sie eine zu große Steigerung der deterministischen Lasten an den Windradkomponenten nach sich. Die zweite Lösung kann direkt am Rotor angebracht werden, wodurch das Problem am effektivsten gelöst wird.

Was den untersuchten Windpark anbelangt, haben elf 1-MW-Windräder, die für IEC Klasse II oder Windzone 3 nach dem Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) ausgelegt waren, 8 Jahre lang weniger produziert als erwartet. Messungen der Windbedingungen sowie die Überwachung der Stromproduktion seit der Errichtung des Windparks haben gezeigt, dass das Windpotenzial weit unter den ursprünglichen Erwartungen lag und die Windkraftanlagen für höhere Windzonen ausgelegt waren.

Der Prototyp einer Rotorblattspitzenverlängerung wurde entworfen, hergestellt und im Labor sowie im Feld erfolgreich getestet. Die Messreihen zeigten erwartete Änderungen der natürlichen Frequenzen von ca. -2.5 %, und keinerlei Resonanzen oder unzulässige Schwingungen wurden festgestellt. Das modifizierte Windrad wurde bei hohen und sehr hohen Windgeschwindigkeiten getestet. Kein zusätzlicher Lärm war zu erkennen. Das begleitende Zertifizierungsverfahren hat sich als ein effizientes Werkzeug für diese Art von Projekt erwiesen.

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Die installierte Rotorblattverlängerung hat die erwartete Produktionssteigerung erbracht. Dies konnte in einem mehrere Betriebsmonate dauernden Vergleich zur benachbarten Windkraftanlage validiert werden, die in einer früheren langfristigen Kampagne überwacht wurde. Die Amortisationszeit der Serienmodifikation beträgt drei Jahre.

Die Montage der Blattspitzen vor Ort an den hängenden Rotorblättern vermeidet den Einsatz von schweren Kränen und langen Ausfallzeiten und hat sich als gute Methode erwiesen. So stellen die Gesamtkosten für die Modifizierung einer einzelnen Windkraftanlage eine wirtschaftliche und umweltfreundliche Verbesserung dar, ohne einen Windpark vollständig nachzurüsten.

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Erfahren Sie hier mehr über die Installation der Rotorblattverlängerung an einem hängenden Rotorblatt oder setzen Sie sich mit uns in Verbindung, um weitere Einzelheiten darüber zu erhalten, wie Sie die Produktion Ihres Windparks steigern können.

Bitte lesen Sie die vollständige Abhandlung „Improving instead of Repowering: a Technical, Ecological and Economic approach“, herausgegeben von Henry Seifert (Hochschule Bremerhaven; Institut für Windenergie fk-wind), Jürgen Kröning (DEWI – OCC GmbH), Hergen Bolte und Torsten Rotermund (Energiekontor AG).