Die Mehrertrag-Turbinen

Tilman Weber

Keine neuen Leistungssprünge, kein neues Rotor-Strecken. Selten zuvor dürften die führenden Windturbinenhersteller aus USA und Europa unabhängig voneinander auf die Frage nach ihren Entwicklungsplänen eine so einmütige Branchenbotschaft formuliert haben. Vor, während oder nach der Windenergiemesse Husum Wind im September signalisierten Vestas, Nordex, Enercon, Siemens Gamesa und auch GE – in Husum ohne Messestand und gleichwohl mit großer Marketing- und Managementdelegation anwesend: Ein acht Jahre langer Wettlauf um immer neue Größenrekorde hat jetzt Pause. In einer Reifephase der Windturbinentechnologie fokussieren sie sich nun darauf, die Ertragsausbeute ihrer Flaggschiffmodelle zu erhöhen. Dabei reizen sie durchaus die Leistungsreserven aus, die sich in den zuletzt immer schneller entwickelten, immer neuen Großanlagendesigns angesammelt haben.

Enercon baut Außenläufergenerator ein

Kurz vor der traditionellen Messe für den deutschen Windenergiemarkt in der nordfriesischen Küstenstadt hatte der ehemalige Deutschland-Marktführer Enercon dafür eine im Branchenvergleich vielleicht besonders weitreichende Maßnahme angekündigt. Ihrem mit sechs Megawatt (MW) Nennleistung angekündigten nächsten Windturbinentyp E-175 verpassen die Ostfriesen einen neuen Generator. Die zwischen Rotornabe und Maschinenhaus geklemmte Generatorscheibe fällt nun deutlich flacher, aber größer aus und ragt mit auf zehn Meter ausgedehntem Radius deutlich über den Querschnitt des Maschinenhauscontainers hinaus.

Statt weiter auf den bisher eingesetzten sogenannten Innenläufer ihrer getriebelosen Anlagen zu setzen, haben die Entwickler den drehenden Teil des Generators außen angebracht. Er ist mit dem Flügelrotor verkoppelt und erhält eine Ringdicke von nur einem halben Meter, wodurch er aufgrund seines großen Innenumfangs gegenüber dem stehenden inneren Generatorteil, enorm viele Permanentmagneten tragen kann. In den Spulen des stehenden Teils, des Stators, mit dessen 9,5 Meter Radius entsteht somit schon bei sehr langsamer Rotordrehung hohe Leistung oder ein starkes leistungtreibendes Drehmoment. Der große Luftspaltdurchmesser ermöglicht also bereits bei geringen Drehzahlen hohe Drehmomente.

6.X Megawatt: Die Mehrertragsturbine E-175 soll dank einem neuen Generatordesign und klugem Einsatz verschiedener Betriebsmodi je nach Standort und Kunde mehr Megawatt Leistung hinterm Komma herausholen.

Timo Müller ist Produktmanager der EP5-Windturbinen-Plattform, zu der Enercons 2022 angekündigte neue Topturbine E-175 wie auch die aktuell größte Enercon-Anlage E-160 mit 5,56 MW gehört. Beim Fraunhofer-Wind­energie-Forschungsinstitut IWES prüfe Enercon, wann die Belastungsgrenze dieser Großkomponente erreicht ist, sagt Produktmanager Müller. Erstmals greift Enercon somit zum Außenläufer. Außerdem greift das Unternehmen auf das Konzept eines geteilten Generators zurück, das es bei seiner EP-3-Plattform für die Anlagen mit vier MW schon nutzt. Der neue Generator wird demnach aus zwei Hälften modular entstehen. Jede wird 62 Tonnen wiegen.

Steuerungsmodi helfen, E-175 auszulasten

Ohne sonst etwas am Design der Anlage zu ändern, wollen die nordwestdeutschen Direktantriebsspezialisten bei der Weiterentwicklungder E-175 deutlich mehr Nennleistung als die bisher anvisierten 6,0 MW ansteuern. Das neue 6,x-MW-Modell kennzeichnen sie mit der Endziffer zwei. Wie schon vor einem Jahr für die E-175 EP5 E1 angekündigt, soll auch die leistungsstärkere Variante durch verschiedene Steuerungsmodi, die sogenannten „Yield Optimised Modes“, individuell an Standortbedingungen anpassbar sein und eine weitere Ertragssteigerung ermöglichen. Die Steuerung lässt damit also unterschiedliche Lasten und Generatorleistungen zu. Dies soll angepasst sowohl an die Standort-Windverhältnisse, als auch an Stromvermarktungskonzepte der Betreiber erfolgen.

Die ertragsoptimierten Modi könnten allerdings die Blindleistungsabgabe reduzieren – eine für den Erhalt der elektrischen Qualität im Stromnetz wichtige Leistung zusätzlich zur Wirkleistung. Das ist bei der E1-Variante mit 6,0 MW zu boebachten. Um die höhere Generatorleistung dennoch in gute Stromqualität umzusetzen, setze Enercon auf ein teilweise neues Umrichterkonzept, deutet Müller an.

Wie viel Nennleistung die E-175 erhalten soll, wird Ende März pünktlich zum Druck der ersten Datenblätter entschieden sein. Die E2-Variante zielt ebenso wie das erste E-175-Konzept auf Projekte nicht nur an Schwach-, sondern auch an Mittelwindstandorten. Nun entwickelt Enercon noch einen speziellen Turm für die neue Flaggschiffklasse, damit die Anlagen die richtigen Windströmungen abgreifen können.

Vensys stellt auf 175-Meter-Rotor um

Aufs Ausreizen setzt letztendlich auch der saarländisch-chinesische Windturbinenbauer Vensys. Seine getriebelose Wind­energieanlage Vensys 170 wird das Unternehmen nach zwei angekündigten und dann jeweils verpassten Prototyp-Errichtungsjahren nun erst 2024 in ihrer Fortentwicklung als Vensys 175 errichten: mit 175 und damit fünf Meter mehr Rotordurchmesser.

Wie am Messestand des hierzulande nur kleinen Marktteilnehmers zu erfahren war, haben Lieferprobleme ein ganz besonderes Ausreizen des technischen Potenzials erfordert: Zum einen gab der Zulieferer der Generatoren voriger Vensys-Anlagengenerationen Partzsch die Komponentenherstellung auf. Größere Generatoren wie die der neuen Anlagenplattform bei Vensys ließen die vergleichsweise kleinformatigen Produktionsmöglichkeiten bei Partzsch zudem nicht mehr zu. Weil parallel Blattzulieferer LM die Herstellung von Vensys-relevanten Flügelgrößen der kleineren Anlagenklassen der Saarländer einstellte, stellte der Goldwind-Konzern seine Lieferketten breiter auf. Bei den Rotorblättern behielten die Chinesen zwar die Partnerschaft für größere Anlagen mit LM bei, setzten aber ergänzend mehr als bisher auf eine eigene Blattfertigung in Spanien.

Neue Rotorblattlieferquelle entscheidet

Aus dieser Neuaufstellung sei das jetzige Design erfolgt, sagt Theodor Peters, Geschäftsführer des US-Ablegers von Vensys. Schon seit 2016 produziert das spanische Vensys-Blattwerk in Granada. Derweil hat Goldwind ein Anlagenportolio speziell für den internationalen Markt entwickelt, das auf spezifische Anforderungen wie geräuscharme Rotorblätter ausgelegt ist. Damit kann die Goldwind-Technologie strenge Schallobergrenzen in der Nähe von Siedlungen besser einhalten. Zu diesen Europamodellen gehört die Goldwind-Anlage GW 175. Ihr Blatt soll nun auch für die Vensys 175 eingesetzt werden. Der Rotor fällt auf diese Weise leicht größer aus als noch für Vensys 170 geplant. Das sich herausschälende neue Flaggschiffmodell wird dank des höheren Drehmoments und einer knapp eine halbe Umdrehung pro Minute schnelleren Drehzahl 6,1 statt wie vorher geplant 5,6 MW erzeugen. Der Prototyp soll 2024 entstehen.

Heute liegt der Fokus klar auf Stabilität und Profitabilität – und auf Upgrades im Portfolio.

Die ebenfalls seit 2019 anvisierte kleinere Anlage dieser Turbinenbauplattform, Vensys 155, werde mit einem leichten Leistungsplus folgen, sagt Peters. Dieses verdankt sie einer leicht höheren Rotordrehzahl, mit der sie trotzdem die Blatt­spitzen­geschwindigkeit der größeren Anlage unterbietet und leiser bleibt.

Während Vensys allerdings das Maschinenhaus noch nicht komplett in Standard-Containerbauweise umgestaltet, haben die marktführenden Unternehmen wie auch Enercon oder beispielsweise Siemens Gamesa das Gehäuse für die 5- bis 6-MW-Plattformen radikal umgestaltet. Nun drängen die Firmenführungen offenbar darauf, die Investitionen für die modularere Bauform vor nächsten größeren Entwicklungsschritten erst wieder einzuspielen.

Siemens Gamesa: das Fitnessprogramm

Bei Siemens Gamesa hatte Chefmanager Jochen Eickholt im Gespräch mit ERNEUERBARE ENERGIEN für die tägliche Husum-Wind-Messezeitung das Pausieren bei den Anlagenvergrößerungen der neuen Superturbinen zur aktuellen Devise erklärt: „Heute liegt der Fokus klar auf Stabilität und Profitabilität – und auf Upgrades im Portfolio wie dem neuen, 185 Meter hohen Hybridturm.“

Mit dem Turmdesign der unteren Betonfertigbauteil-Architektur und darauf geflanschtem Stahlzylinderturm will das Unternehmen die 2022 angekündigte Anlage auch im besonders kräftigen und steten Höhenwind ernten lassen.

Auch Siemens Gamesa hatte das künftige Flaggschiff im eigenen Portfolio, die SG 7.0-170, 2022 angekündigt. Mit 170 Meter Rotordurchmesser soll die Turbine bei 6,6 und 7,0 MW Nennleistung besonders viel Ertrag einfahren. Partner für den Turmbau ist Max Bögl aus Nordbayern. Geplant ist die Premiere zu Ende 2024.

Die Siemens-Gamesa-Ingenieure haben nun zusätzlich ein Fitnessprogramm für die Leistungskurven aller Turbinen im Portfolio entwickelt. Im Einschalt-Windbereich von drei Metern pro Sekunde lassen sie mithilfe eines selbstlernenden Steuerungsprogramms die Anlagen nach Windflauten auch schon in kürzeren Phasen von auffrischendem Wind wieder anlaufen und reduzieren nach und nach die Einschaltgeschwindigkeiten. Wo sich das abhängig vom Standort als rentabel und nicht belastend für die Einstellmechanik erweist, führt diese künstliche Intelligenz in diesem unteren Leistungskurvenbereich zu höherer Windernte.

185 Meter ist der neue Hybridturm von Siemens Gamesa hoch – das führt noch nicht zum Branchenrekord bei der Nabenhöhe. Aber laut Siemens Gamesa soll das aktuelle Topmodell SG 7.0-170 mit 170 Metern Rotordurchmesser dank kluger Steuerung vom steten Höhenwind ­profitieren.

Ein anderer Rechenalgorithmus prüft und entscheidet, inwiefern sich Gondelneuausrichtungen bei wechselhaftem Wind auch schon bei kleineren Winkel­abweichungen lohnen. Außerdem erlaubt diese künstliche Intelligenz (KI) ab Windströmungen von sieben Metern pro Sekunde, dass der Rotor früher als bisher immer schneller wird, sollte die Gondel­ausrichtung dank steter Windströmung stabil sein. Im oberen Bereich der Leistungskurve lässt die KI bei geringen Windturbulenzen ein Leistungsplus oberhalb der Nennleistung zu. Die Algorithmen nutzen dabei die Leistungsreserven der Trieb­strangauslegung.

Mehrerträge und wenig Designänderung

„Wir wollen ohne tiefgreifende Hardwareverbesserungen, also höchstens sehr kleinen Veränderungen am Design, weniger Geräuschemissionen oder weniger Abschaltungen erzielen und Mehrerträge schaffen“, sagt der Siemens-Gamesa-Verkaufsmanager im Geschäftsbereich Anlagenservice Robert Köhn. „Energy Up nennen die Windturbinenhersteller diese Effizienzkampagne.

Siemens Gamesa will dann auch die Anlage mit den längeren Rotorblättern auf seiner aktuellen Plattform 5.X der 5- bis 6-MW-Anlagen in mittelstarke Windströmungen stellen. Die nicht ganz so weit ausgreifende Schwesteranlage SG 6.6-155 ist dagegen künftig für Mittel- und Starkwindstandorte vorgesehen. Das Unternehmen hat allerdings noch keinen Prototyptermin für die 2022 angekündigte 7,0-MW-Variante SG 7.0-170.

Vestas: effizientes Schwachwindmodell …

Hauptwettbewerber Vestas will dagegen auf jeden Fall im kommenden Jahr den Prototyp seines angekündigten Modells V172-7.2 aufstellen. Ausgewiesen ist die 2022 angekündigte Anlage als Schwach- bis Mittelwindmodell. Das Verhältnis von 172 Meter Rotordurchmesser zu 7,2 MW Nennleistung diene der hohen Ertragsausbeute im Niedrigwindbereich, lässt Vestas auf Anfrage wissen. Damit verweist es auf die höhere Auslastung der Anlage, die mit den Rotorblättern nämlich weiter als bisher in den Luftraum ausgreift und die räumlich oft begrenzten Schwachwindströmungen verlässlich einfängt.

Auch die neue Anlage wird wieder wie die anderen Modelle der 5- bis 6-MW-Bauplattform Enventus ein nur mittelschnell drehendes und mit einzig zwei Planetenstufen kurzes Getriebe enthalten.

Damit die Turbine gleichwohl flexibel das immer Beste aus dem Standort herausholen oder Leistungsreserven in ihrer jetzigen Auslegung weiter ausschöpfen kann, wird Vestas auf einen neuen modularen Aufbau des elektrischen Systems setzen. Gemäß dem Branchentrend stellte der dänische Weltmarktführer 2019 die Maschinenhäuser auf lastwagengerechte Containerform um.

... und ein modulares elektrisches System

Nun lässt das Design auch ein seitliches Andocken schmalerer und niedrigerer Container zu, in die Vestas das elektrische System mit Umrichtern und Transformator aus dem mittigen Hauptmaschinenhaus auslagert. Wartungsteams kommen durch Öffnungen an den Containerseiten leicht in den jeweiligen Nachbarcontainer. Wollen Betreibende das Leistungspotenzial mehr ausreizen, lässt sich ein zweiter Container an der anderen Maschinenhausflanke mit Platz für weitere Module der Umrichter anpflocken. Die flankierenden Container erleichterten „Service-Upgrades“, heißt es bei Vestas.

Der im deutschen Markt aktuell nächste Vestas-Verfolger Nordex konzentriert die Entwicklung für das 2022 angekündigte Topmodell N175 ebenfalls vorerst auf Schwachwindlagen. „Wir wollen eine Anlage anbieten, die in schwachen Windlagen viel Strom erntet, wenn im Markt aufgrund geringere r Windstromeinspeisung der Strommarktwert hoch ist“, sagt der in die N175-Entwicklung eingebundene Senior-Produktmanager von Nordex, Nils Lehming.

Bei 175 Meter Rotordurchmesser und der variablen 6,x-MW-Nennleistung – 6 MW und mehr – ergibt das Verhältnis für die Auslastung eine „Leistungsdichte“ wie sonst nur bei Enercon und Vensys.

Nordex: bisher 6,8 MW maximal für N175

Bislang arbeite die Entwicklungsabteilung an einer maximalen Nennleistung von 6,8 MW, so heißt es am Nordex-Messestand. Diese Entwicklung sei nach wie gewöhnlich mehreren Entwicklungsschleifen intern freigegeben und als Standard für den deutschen Markt vorgesehen. Erstmals seit dem vorvorigen Flaggschiff N149 in der 4-MW-Klasse setze Nordex für N175 auf ein komplett neues, auf Schwachwindauftrieb ausgelegtes Blattprofil.

Um dieselben äußeren Abmaße der 5- bis 6-MW-Plattform Delta 4.000 beibehalten zu können, hatte Nordex die elektrische Spannung im Generator schon für die 6-MW-Anlage N163 erhöht. Vor knapp zwei Jahren erhöhten die Nordex-Ingenieure damals die Generatorspannung von 750 auf 950 Volt.

Den Prototyp der N175-Anlage hat Nordex im Portfolio-Fahrplan für Mitte 2024 eingetragen. Das Schwachwindmodell werde im niedrigen Windbereich bei fünf und acht Meter pro Sekunde Luftbewegung 20 bis 22 Prozent mehr Ertrag einfahren als das aktuelle Flaggschiff N163/6.X, richtet Unternehmenssprecher Felix Losada aus.

Das US-amerikanische GE, dessen Erneuerbaren-Sparte sich nun Vernova nennt – als Kombination des spanischen Wortes „verde“ für grün und des lateinischen „nova“, ist Pionier der modularen Containerplattformen. Schon 2020 hatte das Unternehmen seinen künftig größten Rotor mit 164 Metern Durchmesser für eine 6,0-MW-Anlage angekündigt. Die vorige Turbine mit 158 Meter Durchmesser hatte GE in vielen kleinen Entwicklungsstufen von 4,8 auf 6,1 MW angehoben. Zur neuen Superanlage 6.0-164 versichert GE vorerst nur, derzeit stehe kein zusätzliches Heraufsetzen der Nennleistung im Plan. Gleichwohl wolle GE der 6.0-164 innerhalb ihrer angekündigten Abmaße durch Weiterentwicklungen zu mehr „Nutzwertigkeit“ verhelfen.

Sprung zur Eno175 mit vielleicht 8 MW

Einzig der Rostocker Hersteller Eno sieht sich offenbar aktuell zu einem Größensprung in der Anlagenplattform Enoventum gedrängt. Eno hatte 2020 die Plattform mit der Anlage Eno152-5.6 MW vorgestellt und 2021 die Eno160-6.0 angekündigt. Mitte August errichteten die Nordostdeutschen allerdings erst den Prototyp des kleineren der beiden Anlagentypen. Mitte November werde die Errichtung der Pilotanlage zur Eno160 folgen, heißt es in Rostock.

Es werden derzeit innovative Topologien untersucht, die im elektrischen Triebstrang Nennleistungen bis etwa acht Megawatt ermöglichen könnten.

Am Messestand machte das Unternehmen schon mit dem Schriftzug Eno175 auf eine dritte Turbine auf der Plattform aufmerksam. Die neue soll mindestens 7 MW leisten. Die Entwickler lassen ihre Rechenprogramme allerdings ein Nennleistungspotenzial bis 8 MW durchkalkulieren. Mit „innovativen Topologien … im elektrischen Triebstrang“ soll die hohe Leistung möglich werden, sagt Vertriebsleiter Patrick Rudolf. Das Unternehmen, für das Rudolf spricht, setzt zudem auf einen sogenannten Hochsetzsteller – ein Gleichrichterelement, das die Gleichstrom­elektrizität im wechselhaften Teillastbereich auf eine immer gleiche Ausgangsspannung hochsetzt. Darüber hinaus wollen die Eno-Entwickler es bei ihrem stark aufgelösten langen Triebstrang mit Getriebe belassen.

Auch auf reine Containerbauweise verzichten sie noch. Umrichter und Trafo wollen sie aber im Turmfuß belassen, damit Personal ohne gesonderte Maschinenhauszugangsfähigkeiten diese warten kann. Das senkt die Servicekosten. Dafür planen die Rostocker, die Gleichspannung in den Kabeln durch den Turm aufs Zwei- bis Dreifache anzuheben. So muss bei ihrer Anlage nicht viel Strom unter hohen Verlusten durch lange dicke Leitungen fließen. W

Variabler Mehrertrag

E-175.EP5.2 Mehr Effizienz durch neuen Generator

Vensys.175 Neue Rotorblattquelle

SG.7.0-170 Fitness für die Leistungskurve

V172-7.2 Modulares elektrisches System

N175/6.x–6,8 MW Schwachwindanlage

GE.164-6.0 Ziel ist mehr Nutzwert.

Eno175-7.X Hohe Leistung bis 8 MW ist angedacht.