Der Energiehunger der Welt ist enorm. So fehlen etwa in Indien 16 000 Megawatt an Kraftwerksleistung, und es gibt keine Anzeichen dafür, dass diese Lücke in absehbarer Zeit geschlossen werden kann. Auch in den kommenden Jahren wird der Bau neuer Kraftwerke weit hinter dem Bedarf zurückbleiben. Das war in der Vergangenheit nicht anders, so dass Mitte der neunziger Jahre der Kunstfaserhersteller Tulsi Tanti aus dem östlich von Bombay gelegenen Pune häufiger, als ihm lieb war, die Produktion unterbrechen musste.
Tanti wusste einen Ausweg. Er kaufte zwei dänische Windräder, speiste den Strom ins lokale Netz ein und wurde von da an bevorzugt - und zuverlässig - mit Elektrizität versorgt. Sein Modell stieß bei anderen Fabrikanten auf Interesse, so dass Tanti sich entschloss, das Textilgewerbe sausen zu lassen und gemeinsam mit seinen drei Brüdern Girish, Jitendra und Vinod ins Windradgeschäft einzusteigen. Heute baut das Unternehmen Suzlon Energy Windmühlen in Indien, China und Nordamerika. Zudem betreibt Tanti mehrere Windparks, in die man sich einkaufen und privilegierter Strombezieher werden kann. Im indischen Bundesstaat Tamil Nadu steht der größte des Kontinents; 464 Windräder mit einer Kapazität von 547 Megawatt bedienen sich hier der kostenlos zur Verfügung stehenden Windkraft.
Windräder wie Autos oder Staubsauger fertigen
Dank seines Modells „Bauen und Betreiben” ist Tanti mittlerweile zum Dollarmilliardär avanciert. Nachdem er zu Beginn des Jahres die Mehrheit beim zweitgrößten deutschen Windradhersteller Repower übernommen und dabei den französischen Atomkonzern Areva überboten hatte, wird er als fünftgrößter Windkraftproduzent der Welt gehandelt. Und sein Streben nach weiteren Marktanteilen ist keineswegs gebremst. In den kommenden zwölf Monaten will er die Kapazitäten der Suzlon-Werke, bei Repower und beim ebenfalls zur Tanti-Gruppe zählenden belgischen Getriebehersteller Hansen in etwa verdoppeln. Windräder mit einer Leistung von 7400 Megawatt sollen dann jedes Jahr seine Fabriken verlassen.
Für dieses Ziel müssen Windräder wie Autos oder Staubsauger in Serie gefertigt werden. Um Abhängigkeiten von Lieferanten klein zu halten, baut Tanti die wesentlichen Komponenten wie Flügel, Generatoren und Getriebe selbst. Ihm ist wichtig, dass seine Windräder vor allem einfach, zuverlässig und billig sind, daher setzt er konsequent auf erprobte Antriebskonzepte. Aufgrund der derzeit großen Nachfrage nach Windrädern überall auf der Welt, die bereits zu Lieferfristen von bis zu zwei Jahren führte, wird es nach der Meinung von Tanti in naher Zukunft bei Windrädern keinen Wettbewerb unterschiedlicher technischer Konzepte geben.
Für die Kaufentscheidung wesentlich sei vielmehr der Preis für eine Kilowattstunde Windstrom, die eine Anlage generieren kann. Doch das stimmt nicht ganz. Denn nicht nur Lohn- und Materialkosten bestimmen den Preis eines Windrads, sondern auch die Technik hat Einfluss darauf. Und ganz entscheidend: Die Technik bestimmt die Qualität des Windstroms. Und die muss besser werden, je mehr Windräder ans Netz gehen.
Veränderung der Drehzahl bis zum dreifachen Wert der Anlaufdrehzahl
Rund drei Viertel der auf der Welt aufgestellten Windräder mit einer (Nenn-) Leistung von 94.000 Megawatt nutzen für die Stromproduktion Asynchrongeneratoren. Während man mit diesem Konzept anfangs die Windräder lediglich mit konstanter Geschwindigkeit und damit nur recht selten mit einer optimalen Drehzahl (und damit Stromausbeute) rotieren lassen konnte, kann man seit rund 20 Jahren Windräder mit drehzahlvariablen Asynchronmaschinen bauen. Bei ihnen ist wie bei den „starren” Maschinen der Ständer des Generators direkt mit dem Netz gekoppelt, während dem Generatorläufer durch einen Umrichter genau die Stromfrequenz aufgeprägt oder entnommen wird, die zum Einstellen der gewünschten Drehzahl erforderlich ist. Bei derartigen doppelt gespeisten Asynchronanlagen arbeitet der Rotor nahe an seinem aerodynamischen Optimum. Sie haben aber den Nachteil, auf ein Getriebe angewiesen zu sein - eine der Schwachstellen von Windrädern, wie (Total-)Ausfälle dieser mechanischen Drehzahlwandler immer wieder zeigen. Zudem kosten Getriebe Geld, produzieren Verluste und Wärme und verlangen in regelmäßigen Abständen nach einem Ölwechsel.
Völlig anders funktioniert ein von dem deutschen Marktführer unter den Windradherstellern, dem Auricher Unternehmen Enercon, entwickeltes Konzept. Mitte der neunziger Jahre hat Enercon die mechanischen Kraftwandler aus ihren Windmühlen vertrieben und durch den getriebelosen Antrieb mit einem Synchrongenerator ersetzt. Im Gegensatz zum Asynchrongenerator wird hier nicht nur ein Teil, sondern die gesamte Leistung durch den Frequenzumrichter geführt. Indem man die Erregung im Läufer des Generators verändert, lässt sich die Drehzahl bis zum dreifachen Wert der Anlaufdrehzahl verändern. Wie bei den doppelt gespeisten Asynchronmaschinen übernimmt die Leistungsregelung die Blattwinkelverstellung an den Rotorblättern: Ganz in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit werden die Flügel mehr oder weniger „aufgedreht”.
Windstromausbeute wird nicht geschmälert
Diese Pitch-Regelung ist auch Teil zweier anderer, getriebeloser Windradkonzepte. Ähnlich den Enercon-Maschinen arbeitet eine vom japanischen Windradhersteller Harakosan übernommene, ursprünglich von dem niederländischen Unternehmen Lagerwey entwickelte Technik, mit dem Unterschied, dass Stator und Rotor ihre Positionen getauscht haben. So kann der Platz beanspruchende Ständer mit seinen Wicklungen und den sich anschließenden Kühlrippen nach innen auf die Nabe zu gebaut werden, wodurch der Antrieb deutlich kompakter ausfällt als bei den Enercon-Maschinen. Und ein weiterer Unterschied: Der Rotor ist mit Permanentmagneten bestückt, so dass keine Erregerverluste die Windstromausbeute schmälern, was vor allem den Teillastbetrieb verbessert.
Völlig anders funktioniert der von Ingenieuren des schwäbischen Maschinenbaukonzerns Voith erdachte Windradantrieb. Die Entwickler des Windrive-Konzepts haben das ungeschriebene Gesetz über den Haufen geworfen, dass Windräder einen (Frequenz-)Umrichter haben müssen. Seit Windmühlen drehzahlvariabel betrieben werden, ist dieses zwischen Generator und Netz geschaltete elektronische Bauteil dafür zuständig, dass Windstrom den Qualitätsansprüchen der Netzbetreiber entspricht.
Eine klassische Aufgabe für ein stufenloses Automatikgetriebe
Doch es geht auch anders. Dabei ist der Verzicht auf den Umrichter quasi nur Abfallprodukt und nicht Ziel der Entwicklung gewesen. Maßgeblich war vielmehr die Überlegung, ein Windrad zu bauen, bei dem, wie bei jedem konventionellen (Wärme-)Kraftwerk, ein netzgekoppelter Synchrongenerator die Elektrizitätserzeugung übernimmt und - systembedingt - hochwertigen Kraftwerksstrom erzeugt. Benötigt wurde also eine Apparatur, mit der sowohl die Drehzahl des Rotors als auch sein Drehmoment, die sich ständig verändern, ohne einen „Filter” (Umrichter) mit dem frequenzstarren Netz verbunden werden können: eine klassische Aufgabe für ein stufenloses Automatikgetriebe, das aus variablen Rotordrehzahlen konstante Ausgangsdrehzahlen machen kann.
Das ist aber hier keine einfache Aufgabe, so dass es nicht erstaunt, dass der Aufbau des Windrive vergleichsweise aufwendig ist. Zwei Elemente sind hier zum harmonischen Zusammenspiel verdammt: ein hydrodynamischer Drehmomentwandler und ein als Überlagerungsgetriebe ausgelegtes Planentengetriebe.
Bei Spannungseinbrüchen am Netz bleiben
Und so funktioniert das Ganze: Um die geforderte konstante Ausgangsdrehzahl zu erreichen, addiert das Überlagerungsgetriebe zwei variable Drehzahlen. Das ist zum einen die des Rotors und zum anderen eine vom hydrodynamischen Drehmomentwandler erzeugte Korrekturdrehzahl. Sie schnell und präzise zu ermitteln ist das Geheimnis dieses Antriebs. Reaktionszeiten von 20 Millisekunden sind möglich, aber nicht bei jeder Änderung der Windgeschwindigkeit (und damit Leistungsschwankung) erforderlich. Der Grund: Die Leistungscharakteristik des Rotors entspricht weitgehend der des von Hydrauliköl durchfluteten und mit verstellbaren Leitschaufeln ausgestatteten Wandlers. Dadurch folgt der hydrodynamische Wandler „selbständig” dem Rotor, das heißt verzugsfrei und sanft. Der gesamte Antriebsstrang wird geschont.
Windrive-Windräder arbeiten wie konventionelle Kraftwerke - vorausgesetzt, der Wind weht. Das schafft das Gros der in Deutschland aufgestellten Windmühlen jedoch nicht, und zwar wegen zweier Besonderheiten: Sie schalten sich bei größeren Spannungsänderungen im Netz ab. Das war in Ordnung, als Windräder nur kleinere Zugaben zur Stromversorgung lieferten. Im Zuge der gestiegenen Windleistung gelten jedoch andere Voraussetzungen. Windräder müssen künftig bei Spannungseinbrüchen etwa als Folge eines Kurzschlusses am Netz bleiben und, sobald dieser überstanden ist, sofort wieder Leistung einspeisen. Damit sie das schaffen, müssen sie während des Durchfahrens des Kurzschlusses weiterdrehen und ihre Energie vorübergehend über elektrische Widerstände als Wärme abgeben.
Blindleistung ist wichtiger, als der Name vermuten lässt
Deutlich mehr Aufwand erfordert die Beseitigung der zweiten Besonderheit: Windräder müssen wie konventionelle Kraftwerke außer Wirkleistung (sie ist für die Leistungsumwandlung in mechanische und thermische Leistung zuständig) auch Blindleistung zur Verfügung stellen und zudem erkennen, wann wie viel davon im Netz gebraucht wird. Blindleistung ist wichtiger, als der Name vermuten lässt. Sie wird benötigt, um die Spannung im Netz stabil zu halten, kann aber nur über kurze Entfernungen transportiert werden, was ihre dezentrale Produktion erforderlich macht. Und ohne Blindleistung lassen sich keine elektrischen und magnetischen Felder aufbauen.
Windstrom ist demnach nicht gleich Windstrom. Das haben auch die Macher des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) erkannt und gewähren allen Windmüllern, die Strom in Kraftwerksqualität liefern, einen Aufschlag auf die Vergütung. Systemdienstleistungs-Bonus nennt sich dieser Zuschlag, und er bringt je Kilowattstunde zusätzliche 0,5 Cent.
F.A.Z.
Georg Küffner