Windenergie Unterbrechungsfreie Stromversorgungen – Lebensversicherung für Windräder

Wenn eine Windkraftanlage ausfällt, kann das mit einem hohen finanziellen Schaden verbunden sein. Unterbrechungsfreie Stromversorgungen können solche Ausfälle verhindern.

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Die Energiewende läuft auf vollen Touren und Windkraft liefert einen wichtigen Anteil am Energiemix. Für die Hersteller von Windkraftanlagen ist deshalb Hochkonjunktur. Um den steigenden Energiebedarf CO₂-neutral decken zu können, werden immer mehr Windkraftanlagen mit immer größeren Kapazitäten gebaut. Das bedeutet aber auch, dass der Ausfall einer Windkraftanlage einen hohen finanziellen Schaden nach sich zieht. Dies gilt es zu verhindern. Genau an diesem Punkt setzt das unterbrechungsfreie Stromversorgungssystem WISUS-48 von Wöhrle an: Windkraftanlagen bei Wind und Wetter und bei dadurch verursachten Stromausfällen zu schützen.

Damit die Energiewende gelingt, benötigt es eine möglichst große Vielzahl an erneuerbaren Energiequellen. Windkraft ist ein wichtiger Baustein in diesem Energiemix. Inzwischen liefern sehr große Windräder an günstigen Standorten bis zu 15 MW Leistung, der Durchschnitt liegt mittlerweile bei 5 bis 6 MW. 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 MWh pro Jahr. 2020 erzeugten 31.000 Windenergieanlagen in Deutschland rund 134 TWh. Dies entspricht einem Anteil von rund 23,7 Prozent 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 (Bild 1).

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. Deshalb wachsen die Windräder immer mehr in die Höhe – 120 bis 160 Meter sind inzwischen keine Seltenheit mehr. Doch so große Anlagen sind ab Windstärken von 25 bis 30 m/s hohen 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 so groß werden, dass das Windrad ihnen nicht mehr standhalten kann.

Nachführung der Anlage 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. Dabei können unzulässig hohe Kräfte entstehen. Um Schäden zu vermeiden, sorgt die USV-Anlaage WISUS-48 (Bild 2) dafür, dass die Stellmotoren auch bei Netzausfall die Gondel immer so ausrichten können, 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. Wöhrle, seit vielen Jahren auf Stromversorgungen für besonders anspruchsvolle Industrieanwendungen spezialisiert, entwickelt und fertigt Gleichspannungs­ und Wechselspannungssysteme nach strengsten Kriterien. Die WISUS-48 ist eine Notfallstromversorgung, die bereits erfolgreich in Windrädern genutzt wird.

Höhere Leistungen verlangen erweiterte Risikoabsicherung

Mit immer höheren Leistungen und Anlagengrößen von Windrädern gehen 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 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 zugute kommt.

Die im Fuß des Masts untergebrachte USV WISUS-48 nutzt Lithium-Ionen-Akkus mit der LiFe-Phosphat-Technik als Energiespeicher. Dies ergibt sehr kurze Ladezyklen und allgemein gilt diese Lithium-Ionen-Technik als die sicherste. Außerdem sind Lithium-Ionen-Akkus sehr beständig gegenüber Temperaturschwankungen. Während die früher verwendeten Bleiakkus nur bei 20 °C ihre Nennkapazität erreichen und bei Abweichungen rasch deutlich an Kapazität einbüßen, sind Lithium-Ionen-Akkus deutlich unempfindlicher und zudem 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.

Auch für schlechtes Wetter ausgelegt

Zudem hat Wöhrle die komplette WISUS-48-Einheit für raue Umgebungsbedingungen ausgelegt. Alle Bauteile verkraften dank spezieller Beschichtung einen erweiterten Temperatur- und Feuchtigkeitsbereich von –40 bis 60 °C. Neben der größeren Unempfindlichkeit führt das auch dazu, dass keine energiefressende Heizung für die Elektronik notwendig ist. Das System liefert im Standardausbau 3 x 400 V. Die Außenleiter lassen sich aber je nach Anforderung einstellen. Zur Steuerung und zum Monitoring bietet Wöhrle in der WiSUS-48 zahlreiche Schnittstellen an. Neben der grundsätzlichen Steuerung auf Zweidrahtbasis mit Relais verfügt die Notfallstromversorgung über eine Netzwerkschnittstelle mit TCP/IP-Stack. Ein eingebauter Webserver liefert über eine 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.

Mehrere Eingangs- und Ausgangsmodi

Das intelligente und flexible 48-V-Stromversorgungssystem WISUS-48 unterstützt mehrere Eingangs- und Ausgangsmodi (Multiple In, Multiple Out). Eingangsseitig wird die Einspeisung von Strom aus Photovoltaik sowie durch Dieselgeneratoren und das Stromnetz unterstützt. Am Ausgang bietet das System je nach Konfiguration der Module mögliche Ausgangspannungen von 24, 230 und 400 V_AC sowie 12, 24, 26, 48 und 57 V_DC.

Die flexible Integration der Einzelkomponenten in ein modulares und skalierbares Gesamtsystem ist platzsparend und vereinfacht Installation und Wartung. Das System besteht aus verschiedenen Komponenten wie einer Stromverteilereinheit, Gleich- und Wechselrichter und vielem mehr für die Installation im 19-Zoll-Rack oder Schrank (Bild 3). Damit ist eine optimale kundenspezifische Konfiguration möglich.

Als Energiespeicher werden neben Standard-Bleibatterien auch Lithium-Ionen-Batteriemodule eingesetzt, die sich besonders durch ihre hohe Energiedichte, Lebensdauer und Temperaturstabilität auszeichnen. Optional sind diese mit integriertem Feuerlöschsystem verfügbar, um größtmögliche Sicherheit zu gewährleisten.

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