Trendentwicklungen in der Windkraftanlagentechnologie und die Zukunft der Windenergie

Forscher in der Branche arbeiten an der Entwicklung besserer Turbinentechnologien, beispielsweise Generatoren mit höherer Effizienz und zuverlässigeren Rotorblättern, um die Energie- und Herstellungskosten zu minimieren.

Dr. Raj Shah, Herr Stanley Zhang, Herr Andrew Kim | Koehler Instrument Company

Windkraft ist eine wesentliche Stromquelle und macht etwa 8 % der heimischen Energie in den USA aus [1]. Moderne Windkraftanlagen haben in der Regel eine Betriebsdauer von 20 bis 25 Jahren. Abhängig von den Umgebungsbedingungen, der Größe der Turbine und den Windgeschwindigkeiten kann eine Turbine bis zu 6 Millionen kWh pro Jahr produzieren [2]. Windkraftanlagen erzeugen Strom aus Wind, der durch die Rotorblätter der Turbine strömt. Die kinetische Energie des Windes wird dann durch Rotation von den Rotorblättern aufgenommen und in mechanische Kraft umgewandelt. Durch die Drehung des Messers dreht sich die innere Welle, die mit dem Getriebe verbunden ist, 100-mal schneller und erzeugt so Strom [3]. In den letzten Jahrzehnten haben sich Windkraftanlagen in vielerlei Hinsicht weiterentwickelt und sind im heutigen Energiesektor immer wichtiger geworden. Heute gelten sie als eine der wichtigsten erneuerbaren Energiequellen, die dazu beitragen können, die Gasemissionen von Kohlekraftwerken zu senken. Obwohl Windkraftanlagen ihre Vorteile haben, haben sie auch Nachteile, darunter hohe Kosten, suboptimale Haltbarkeit und ständige Wartungsanforderungen bei rauen Wetterbedingungen, was insbesondere für Offshore-Windkraftanlagen gilt. Diese Probleme müssen minimiert werden, damit Windkraft eine dominierende Quelle erneuerbarer Energie wird und mit herkömmlichen fossilen Brennstoffen konkurriert.

Derzeit arbeiten Forscher in der Branche an der Entwicklung besserer Turbinentechnologien, wie beispielsweise Generatoren mit höherer Effizienz und zuverlässigeren Rotorblättern, um die Energie- und Herstellungskosten zu minimieren [3]. In der Windenergieindustrie haben kürzlich auch anders geformte und konfigurierte Rotorblätter entwickelt, um die Robustheit und Rotationsgeschwindigkeit zu verbessern [4]. Darüber hinaus wurde die Offshore-Windenergietechnologie weiter erforscht, und diese Forschung brachte Vorteile und Möglichkeiten zur Minimierung der Nachteile dieser schwimmenden Konstruktionen hervor. In tiefen Gewässern ergaben Studien, dass diese Offshore-Windturbinen im Vergleich zu Onshore-Turbinen zwar eine dynamischere Verkabelung erfordern und anfälliger für extremere Wetterbedingungen und Anlegekosten sind, jedoch die Transport-, Installations- und Montagekosten senken können. Darüber hinaus wurden Anstrengungen unternommen, um die Bau-/Reparaturkosten von Offshore-Windkraftanlagen zu senken. Deshalb wurden Plattformen, wie z. B. kettengebundene Halbtauchplattformen (CMSSP), Tension Leg Platforms (TLPs) und die Spierenboje, eingehend untersucht und weiterentwickelt . In Europa wurden bereits mehrere Offshore-Turbinen entwickelt. Ähnliche Entwicklungen dürften auch in den USA und Japan aufgrund ihrer langen Küstenlinien und steil abfallenden Meeresbodentiefen folgen. Es wird erwartet, dass diese Länder die ersten sein werden, die technische Fortschritte bei der schwimmenden Windenergie erleben werden. Obwohl die Maximierung der Haltbarkeit und Effizienz von Windkraftanlagen zentrale Prioritäten für die Konsolidierung der Windenergie als erstklassige Quelle erneuerbarer Energien darstellt, sind Überlegungen zu Kosten und Zuweisungen, unabhängig davon, ob es sich um mehr Installationen in Küstengebieten oder auf Bergen handelt, für die Bewertung der allgemeinen Machbarkeit von entscheidender Bedeutung. In diesem Artikel werden die jüngsten Fortschritte in der Windturbinentechnologie, ein Vergleich zwischen Onshore- und Offshore-Turbinen sowie zukünftige Entwicklungen für die Windenergie beleuchtet.

CMSSP

Was Offshore-Windkraftanlagen betrifft, handelt es sich bei der CMSSP um eine Plattform, die als Fundament für Offshore-Windkraftanlagen dienen soll. Sie wird derzeit zügig weiterentwickelt, damit diese schwimmenden Turbinen langlebig sind und in tiefen Gewässern betrieben werden können [5]. Diese Plattformen bestehen aus einer Reihe von Verbindungen zwischen Säulen und Stahlstreben. Diese Stahlstreben werden an Festmacherleinen befestigt, die im Meeresboden verankert werden, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Der Aufbau halbtauchender schwimmender Plattformen für Windkraftanlagen [5].

Mit zunehmender Wassertiefe steigen die Herstellungs-/Reparaturkosten, es gibt aber auch viele Vorteile. Zu den Vorteilen gehören niedrigere Kosten als die Konfigurationen mit festem Boden in tiefen Gewässern, einfachere Installation, mühelose Teileentfernung und ein breiteres Spektrum an Installationsorten. Darüber hinaus haben diese Fundamente mehrere Vorteile gegenüber anderen weit verbreiteten Fundamenten, da sie im Gegensatz zu TLPs oder Spierenbojen am Dock installiert und zum Meer transportiert werden können. Zu den weiteren Vorteilen gehören geringere Installationskosten des Verankerungssystems im Vergleich zu anderen Fundamenten und ein besseres hydrodynamisches Verhalten aufgrund längerer Tiefgänge und weniger auf das Ankersystem einwirkenden Wellenanregungskräften.

Es wurden Techniken zur Simulation von Windfeldern entwickelt, beispielsweise die Verwendung von EllipSys3D mit FLEX5, einem dreidimensionalen Strömungslöser, der die Windgeschwindigkeiten in Blattabschnittskoordinaten schätzt [5]. Die Rotorströmung der Turbinen zeigt kaum Auswirkungen von Instabilitäten, was beweist, dass das Modell für die Windströmung an den Rotorblättern genau ist. Das Modell ist in der Lage, alle wichtigen Änderungen in den Windkraftanlagen mit vertikaler Achse mit einer guten quantitativen Auswertung des Strömungsfelds zu erfassen, die radiale Ausdehnungsverformung des Nachlaufs zu erfassen und die aerodynamische Leistung von Windkraftanlagen unter axialen stationären Bedingungen schnell zu berechnen [6].

TLPs

TLPs werden aufgrund ihrer günstigen Bewegungseigenschaften häufig für Tiefwasser-Öl-/Gas-Entwicklungen eingesetzt, sind jedoch teurer als Spierenbojen und fest verankerte Oberleitungsplattformen. Wenn TLPs jedoch als Plattformen für Windkraftanlagen verwendet werden, können ihre Verschiebung, Zugfestigkeit und Stahlmasse verringert werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass ihr Gesamtgewicht viel geringer ist als bei Öl-/Gasplattformen, wodurch die Wellen- und Windkräfte beim Auftreffen auf die TLPs abnehmen [7]. TLPs erfreuen sich immer größerer Beliebtheit, da ihr konzeptioneller Entwurf ein aktives Forschungsgebiet ist und sich Industriearbeiter zunehmend für den Einsatz dieser Plattformen für Tiefsee-Windkraftanlagen interessieren. Die meisten TLP-Strukturen bestehen aus einer einzelnen Säule und drei bis vier Pontons, die einen erheblichen Auftrieb ermöglichen. Der Rumpf besteht aus einem Stahlzylinder und einem hervorstehenden Zylinder zur Unterstützung der Spannbeine. Es ist wünschenswert, dass die Sehnen ein vernachlässigbares Gewicht haben.

Abbildung 2. (a) zeigt ein allgemeines TLP, das an einer Windkraftanlage angebracht ist, und die möglichen Windrichtungen. (b) zeigt das gleiche TLP, zeigt aber die dazugehörigen Parameter (h1, D1 und D2 stellen den Rumpf dar, rp, hp und wp zeigen die Pontons und die vertikalen unteren Linien sind die Spannbeine).

(c) ist ein anderes Design mit hohlen kreisförmigen Pontons und Sehnen [7].

Das Hauptziel des Rumpfs von TLP-Windkraftanlagen besteht darin, die Stromkosten durch Maximierung der Leistungsumwandlungseffizienz zu senken und gleichzeitig die Betriebs-, Herstellungs- und Wartungskosten zu minimieren. Um die Herstellungskosten zu minimieren, sollten Stahlmasse, Zugfestigkeit und Gesamtgröße minimiert werden. Um die Betriebs- und Wartungsgebühren zu begrenzen, müssen die Belastungen für Gondel, Sehnen, Turm und Rotorblätter reduziert werden. Die Optimierung der Struktur und des Designs des TLP ist entscheidend für seine Wirksamkeit und die Senkung der Wartungskosten. In einem Experiment, um zu ermitteln, welche Konfiguration die Leistungsumwandlungseffizienz optimieren, die Kosten senken und bei rauen Wetterbedingungen am stabilsten bleiben würde, wurden vier verschiedene TLPs für eine vergleichende Analyse entwickelt. Der erste Entwurf hatte den schwersten Rumpf, die größte Stabilität und die kürzeste Installationszeit dieser Entwürfe und hatte ähnliche Wartungs- und Betriebskosten wie die anderen; Allerdings war die Herstellung am teuersten. Der zweite Entwurf hatte 60 % der Verdrängung des ersten Entwurfs, war jedoch beim Herausschleppen instabil, da nur 30 % der Verdrängung auf den dreibeinigen Pontons stattfanden [7]. Der dritte und vierte Entwurf wurden erstellt, nachdem die Probleme beim ersten und zweiten Entwurf festgestellt wurden. Beide hatten 70 % der Verdrängung auf den Pontons und optimierten so die Verteilung des Gesamtgewichts des TLP, sodass die anderen 30 % vom Rumpf die Windkraftanlagen tragen konnten [7]. Obwohl die geringere Verdrängung im Vergleich zu den anderen beiden Konstruktionen die Turbine anfälliger für Beschädigungen machte, waren die Kosten deutlich geringer und die kleine Säule im Rumpf machte die Turbine durchlässiger für Wellen.

Sparbojen

Sparbojen sind eine weitere häufig verwendete Plattform für Windkraftanlagen und werden ähnlich wie TLPs häufig in der Offshore-Öl- und Gasindustrie eingesetzt. Dieses Holmkonzept wurde an der Südwestküste Norwegens eingesetzt und wird in anderen Küstengebieten eingesetzt, sobald die Grundvoraussetzungen einer ausreichenden Vertikal-, Roll- und Nickstabilität erfüllt sind. Die Holmboje besteht aus sechs Abschnitten, die alle zur Stabilität der Windkraftanlage beitragen. Tabelle 1 zeigt die sechs Abschnitte mit ihrer Rolle.

Tabelle 1. Verschiedene Abschnitte der Spierenboje mit ihren vorgesehenen Funktionen und Zwecken aufgelistet [8].

Abschnitt

Funktionalität

Wasserflugzeugbereich

Wasserebenenfläche zur Messung der vertikalen Steifigkeit

Übergang

Verbindet die Wasserleitung mit dem Auftriebsteil

Hauptauftrieb

Voluminöser Abschnitt, der den Hauptauftrieb bietet

Ballast (schwer)

Ein Ballast ist ein schweres Material, in diesem Fall aus Eisen, das tief in einem Schiff platziert wird, um für Stabilität zu sorgen

Fundament (unterster Abschnitt)

Bodenplatte, die auch zur Erhöhung der vertikalen Widerstandskraft und zur Erhöhung der Masse verwendet werden kann

Seilführung (wird zur Messung der Spannung verwendet)

Mit zunehmendem Gewicht des Ballasts nimmt die Spannung der Spierenboje selbst zu, wodurch sie anfälliger für Korrosion und Risse wird

Neben Plattformen gibt es neue Upgrades für Pitchlager, die sowohl in Onshore- als auch Offshore-Windkraftanlagen eingebaut werden können. Pitchlager verbinden den Spinner mit den Rotorblättern und können die Rotorblätter auf einen bestimmten Winkel einstellen, um den Wind optimal einzufangen. Die Nachteile typischer Pitchlager bestehen darin, dass sie sich nicht um mehr als 90 Grad drehen können, einen Oszillationswinkel von <5 Grad haben, über längere Zeiträume stationär gehalten werden und bei laufender Turbine ständigen Vibrationen ausgesetzt sind. Dies führt zu einer starken Belastung der Blattlagerkomponenten und kann zu einer Verschlechterung des Schmiermittels und adhäsivem Verschleiß führen [10]. Darüber hinaus werden diese Peilungen aufgrund der isolierten Standorte der meisten Windkraftanlagen entweder alle zwei Jahre oder jährlich beobachtet. Die Hauptursachen für Lagerausfälle sind schlechte Schmierung und Fettabbau, was zu Korrosion, Vibrationsverschleiß und Dellenbildung führen kann [10]. Aus diesem Grund sind die richtige Schmierstoff-/Fettauswahl und kontinuierliche Schmiermaschinen wichtig, um maximale Effizienz und minimalen Wartungsaufwand zu gewährleisten. Die Komponenten der Windkraftanlage, die Reibung und Verschleiß ausgesetzt sind und geschmiert werden müssen, sind die Blattlager, die Hauptwellenlager, das Getriebe, der Azimutantrieb und das Generatorlager [11].

Abbildung 3. Mechanische Komponenten einer Windkraftanlage [12].

Ein weiterer Bereich, der Anlass zur Sorge gibt, ist die Überlastung, die auftritt, wenn die Lager nicht fest abgestützt sind und dazu führt, dass ein Teil der Laufbahn die meiste Last trägt. Eine Überlastung kann zu Kontaktabbrüchen (die Wahrscheinlichkeit kann aufgrund der abnehmenden externen Unterstützung steigen), zur Quetschung des Laufbahnkerns und zu Komponentenbrüchen führen. Durch Lageraufrüstungen können jedoch all diese Probleme minimiert oder ganz gelöst werden. Zu den Upgrades können die Verstärkung der Laufringe, die Kantenbelastung, die Beseitigung des Abscheiderverschleißes und die direkte Zusammenarbeit mit einem Hersteller gehören, der fortschrittliche Lagerlösungen anbieten kann, mit denen Sie Zeit und Geld sparen können. Darüber hinaus können mit induzierenden Trennringen, wie in Abbildung 4 dargestellt, Zug- und Druckbelastungen reduziert werden. Darüber hinaus kann eine strikte geometrische Dimensionierung eine nahezu perfekte Form erzeugen, was zu weniger Reibung, Schleudern und Engstellen führt, was interne Beeinträchtigungen minimiert und die Reaktion und Effizienz des Pitch-Systems verbessert. Pitch-Lagerdichtungen spielen zwei entscheidende Rollen: Sie verhindern die interne Exposition und halten Schmiermittel fest. Leider bestehen die altmodischen Dichtungen aus hydriertem Nitril-Butadien-Kautschuk, der sich bei UV-Einwirkung schnell zersetzt, das Lagerinnere nicht schützt und nur langsam auf Änderungen der Wellenfrequenzen reagiert. Eine verbesserte Dichtung namens „H-Profil“ (siehe Abbildung 4) besteht jedoch aus thermoplastischem Polyurethan und verbessert die Dichtungswirksamkeit erheblich [10]. Sie reagiert sehr gut, arbeitet auch bei Verformung effizient, reduziert den Fettaustritt und weist eine deutlich geringere Verschleißrate als eine Gummidichtung auf. Diese kollektiven Verbesserungen tragen dazu bei, die Robustheit zu erhöhen und die Wartungskosten zu senken.

Abbildung 4. Die Aufteilung des Trennrings in Segmente ermöglicht eine eingeschränkte individuelle Bewegungsfreiheit und reduziert die Zug- und Druckbelastung (oben). Die ausgefallenen Lager (rot) bestehen aus Gummi, während die verbesserten Lager (blau) die H-Dichtung (unten) aufweisen [10].

Schließlich ist die richtige Verpackung und Handhabung für die Lagerung von entscheidender Bedeutung, um die Lager in einwandfreiem Zustand zu halten. Lager sollten in flüchtigem Korrosionshemmpapier und korrosionsschützenden Beschichtungen verpackt sein, um Verunreinigungen, Zersetzung und Korrosion durch Gefahren während des Transports zu verhindern. Es ist außerdem wichtig, dass das Lager vor dem Einbau der Lager in Windkraftanlagen noch umwickelt wird, da eine geringe Einwirkung von Verunreinigungen, insbesondere Schmutz und Wasser, zu Korrosion, wasserstoffbedingten Brüchen, statischer Ätzung und Reibverschleiß führen kann [10].

Offshore-Windenergieanlagen gelten im Vergleich zu herkömmlichen Onshore-Windenergieanlagen als neuere Entwicklungen. Schwimmende Offshore-Windkraftanlagen sind schwerer zu erreichen, anfälliger für Beschädigungen und teurer in der Installation und im Betrieb. Allerdings können aktuelle technologische Fortschritte den Turm stärken und durch die Bewältigung der Kräfte von Wellen oder Eisströmen mehr Schutz bieten. Darüber hinaus kann durch die Modernisierung der Gondeln dieser Turbinen verhindert werden, dass Korrosion durch das Meerwasser die elektrischen Innenkomponenten beschädigt. Da die Richtung und Geschwindigkeit der Winde auf See aufgrund der Fortschritte in der Technologie tatsächlich immer vorhersehbarer wird als an Land, werden Investitionen in Offshore-Windenergie schneller als normal zunehmen und sich möglicherweise als wichtigste erneuerbare Energiequelle erweisen. Die spezifischen Vor- und Nachteile beider Arten von Windkraftanlagen sind unten in Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2. Die Vor- und Nachteile von Onshore- und Offshore-Windkraftanlagen [13].

Onshore-Turbinen

Offshore-Turbinen

Vorteile

Nachteile

Vorteile

Nachteile

Deutlich günstiger

Begrenzte Effizienz aufgrund unvorhersehbarer Windgeschwindigkeit und -richtung

Effizienter durch konstante Windgeschwindigkeiten und -richtungen

Teure Technologie im Zusammenhang mit der Energieübertragung von den Turbinen

Eine der günstigsten Formen erneuerbarer Energie

Kann fliegende Wildtiere wie Vögel und Fledermäuse gefährden

Zur Erzeugung der gleichen Strommenge sind weniger Turbinen erforderlich

Erhöhte Betriebs- und Wartungskosten durch erhöhten Verschleiß durch Wind und Wellen

Ankurbeln Sie die lokale Wirtschaft

Kann Lärmbelästigung und negative visuelle Auswirkungen verursachen

Es besteht keine Gefahr optischer Beeinträchtigungen und Beeinträchtigungen der Landnutzung

Aufgrund des eingeschränkteren Zugangs sind längere Wartezeiten erforderlich, um mögliche Probleme zu beheben

Weniger Emissionen beim Transport von Windkraftanlagen

Aufgrund der Abhängigkeit von optimalen Windbedingungen ist es nicht möglich, das ganze Jahr über Energie zu produzieren

Schützt aquatische Lebensräume, indem der Zugang zu bestimmten Gewässern eingeschränkt wird

Die Fähigkeit, der lokalen Wirtschaft zugute zu kommen, ist derzeit begrenzt

Weniger Spannungsabfälle zwischen Windkraftanlage und Verbraucher

An diesen Standorten gibt es keine physischen Einschränkungen, die den Windfluss blockieren könnten

Rotorgröße und Blattform

Um die Kosten für die Energieumwandlung zu senken und die Energieproduktion zu optimieren, arbeiten Forscher des National Renewable Energy Laboratory (NREL) und der Sandia National Laboratories (SNL) zusammen, um 206-Meter-Rotoren für landgestützte Turbinen zu entwerfen [14]. Mit größeren Rotorblättern kann mehr kinetische Energie des Windes genutzt und zur Stromerzeugung genutzt werden. Allerdings werden die Transport- und Herstellungskosten als Reaktion auf die zunehmende Materialmasse und -nachfrage steigen. Das NREL und die SNL haben außerdem eine Möglichkeit gefunden, die Steifigkeit der Rotorblätter zu verringern und dafür zu sorgen, dass die Turbine ungeachtet der Geschwindigkeit mehr aufkommenden Wind aufnehmen kann [14]. Die nach unten gerichtete Rotorkonfiguration verringert die Steifigkeitsanforderungen, da der Wind die Rotorblätter vom Turm wegdrückt, wodurch die Rotorblätter leichter werden und die Sicherheit/Freiraum des Turms gewährleistet wird. Abbildung 6 vergleicht die traditionellen, nach oben gerichteten Windkraftanlagen mit hohen Anforderungen an die Blattsteifigkeit und die neu entwickelten, nach unten gerichteten, kegelförmigen Rotorblätter, die mithilfe ihres Kegelmechanismus dem Wind folgen können. Die Wind Blade Division von Carver und die Sandia National Laboratories entwickeln einen Windturbinenflügel, der potenziell 12 % mehr Wind einfangen könnte als normale Turbinen. Das Rotorblatt hat im Gegensatz zu anderen Turbinen eine kleine, gebogene Spitze, die die Winderfassung optimieren kann [14].

Abbildung 5. Variable Konuskonfiguration (links) [15] und traditionelle Rotorkonfiguration (rechts) [16].

Durch die Änderung der Form herkömmlicher Turbinenschaufeln können leichtere Schaufeln hergestellt werden. Dieser Ansatz ermöglicht aeroelastische Stabilität, allerdings auf Kosten einer erhöhten Komplexität bei Herstellung und Steuerung. Forscher des NREL arbeiten derzeit daran, leichtere Rotorblätter zu entwerfen und die Platzierung der Holmkappen auf den Rotorblättern zu optimieren, ohne die Dicke zu erhöhen. Dies würde die Klingenmasse minimieren und die Festigkeit erhöhen. Beim Transport dieser großen, zusammengebauten Rotorblätter gibt es jedoch auch Transportprobleme. Aus diesem Grund werden Windkraftanlagenkomponenten in Abschnitten hergestellt, die anschließend zur Montage vor Ort transportiert werden [14].

Ursprünglich war die primäre Methode zur Identifizierung von Schäden an Windkraftanlagen die manuelle Inspektion, bei der eine Kamera und ein Teleobjektiv zum Einsatz kamen. Aufgrund menschlicher Einschränkungen werden Schäden an Windkraftanlagen jedoch selten erkannt, bevor kritische Zustände erreicht werden. SNL, International Climbing Machines und Dolphitech arbeiten zusammen, um einen autonomen Roboter zu entwickeln, der vertikal an einer Windkraftanlage befestigt werden kann, sich bewegt und alle externen oder internen Probleme mit Bordkameras und seiner „Phased-Array-Ultraschallbildgebung“ autonom erkennt [17] . Der Zweck dieser Entwicklung besteht darin, Turbinenschäden schnell zu lokalisieren, um Wartungskosten und Turbinenausfallzeiten zu minimieren, was die Lebensdauer und Effizienz der Turbine verbessern kann. Autonome Roboterinspektoren können sowohl für Onshore- als auch für Offshore-Windkraftanlagen eingesetzt werden und können Anomalien an Windkraftanlagen bei jeder Rotorblattgröße erkennen.

SNL arbeitet außerdem daran, die Drohnen mit Infrarotkameras auszustatten, um Schäden mithilfe von Wärmebildern zu erkennen. Bei diesem Verfahren werden die Rotorblätter dem Sonnenlicht ausgesetzt und anschließend mit einer Jalousie abgedeckt. Wenn kein Sonnenlicht auf die Klingen scheint, verteilt sich die Hitze der Klingen im Inneren, ohne dass irgendetwas Schaden nimmt. Schadstellen verhindern jedoch, dass die Wärme nach innen diffundiert, wodurch die Oberfläche heiß wird und diese Hotspots auf der Infrarotkamera Schäden zeigen.

Abbildung 6. Roboterraupe führt Inspektion an einer Onshore-Windkraftanlage durch [17].

Jüngsten Nachrichten zufolge wurde der Bundesstaat Texas Ende Februar 2021 von Winterstürmen heimgesucht, die während der Spitzenzeiten der Ausfälle über vier Millionen Texaner ohne Strom und Heizung zurückließen [18]. Die Hauptursache für diese Stromausfälle wurde auf Störungen der Erdgas-, Kohle- und Kernkraftwerke des Staates aufgrund der Frostbedingungen zurückgeführt. Darüber hinaus führten die extrem kalten Temperaturen zum Einfrieren von Windkraftanlagen, was zu weiteren Ausfällen führte, wie in Texas

verfügt über fast 15.000 Windkraftanlagen und Windenergie machte im Jahr 2020 23 % des Stroms des Staates aus [19]. Obwohl fossile Brennstoffe die Hauptquelle der Stromerzeugung in Texas sind, hat der Ausfall von Windkraftanlagen die Energieknappheit während der Wetterkrise erheblich verstärkt, da der Energiebedarf in die Höhe schoss.

Abbildung 7. Eine Aufschlüsselung der primären Stromquellen in Texas und damit der am stärksten von den Winterstürmen betroffenen Sektoren [20].

Die schlechte Funktionalität bei niedrigen Temperaturen und das Fehlen von Kaltwetterpaketen sind die Hauptgründe für das Einfrieren der Windkraftanlagen in Texas. Typischerweise sind Windkraftanlagen, die in kälteren Regionen eingesetzt werden, mit Enteisungsvorrichtungen und integrierter Heizung ausgestattet, um wichtige Turbinenkomponenten wie Pitch- und Giermotoren, Getriebe und Batterie vor extremen Minustemperaturen zu schützen [21]. Spezielle Kaltwetter- und Vereisungsschutztechnologien sollen die Bildung von Eis auf den Rotorblättern von Turbinen verhindern und unter unvermeidbaren Umständen Eis erkennen und entfernen. Eisbildung auf den Rotorblättern von Windkraftanlagen kann deren Leistung erheblich beeinträchtigen, da sie das Gewicht erhöht und die Aerodynamik der Rotorblätter verändert, was dazu führen kann, dass die rotierenden Rotorblätter aus dem Gleichgewicht geraten oder die Rotation der Rotorblätter vollständig verhindert wird [19].

Aufgrund des historisch warmen Klimas in Texas wird jedoch zugunsten von Kosteneinsparungen auf den Einbau von Anti-Icing-Mechanismen verzichtet. Die jüngsten Winterstürme könnten dazu führen, dass die Einführung von Kaltwettertechnologien zur Verbesserung der Funktionalität von Windkraftanlagen bei kalten Temperaturen befürwortet wird, um wetterbedingte Krisen in der Zukunft zu verhindern.

Im Windpark Lac Alfred in der Nähe von Amqui, Quebec, kam es zuvor zu erheblichen Turbinenausfällen aufgrund von Eisansammlungen, was zur Implementierung des Ice Prevention System (WIPS) von Wicetec Oy führte [22]. Dieses System nutzt integrierte elektrische Heizgeräte auf Kohlenstoffbasis, um die Oberfläche von Turbinenschaufeln schnell auf eine kontrollierte Temperatur zu erwärmen, wenn Eis erkannt wird [23]. Der Caribou-Windpark in New Brunswick, Kanada, hat die WIPS-Technologie getestet, konnte jedoch nicht die kostspielige Implementierung bei allen Rotorblättern seiner Windkraftanlagen rechtfertigen. Das Fehlen nennenswerter Vereisungsbedingungen hat dazu geführt, dass Caribou Wind Farm auf andere Enteisungsoptionen umgestiegen ist, wie zum Beispiel elektrisch beheizte Fliesen, die Verwendung schwarzer Farbe auf Rotorblättern zur Absorption von UV-Energie und per Hubschrauber aufgetragene Beschichtungen [22]. Obwohl das Klima viel wärmer ist, könnte Texas ähnliche Lösungen für kaltes Wetter einführen, die optimal für Gebiete sind, in denen es selten zu Vereisungen kommt, da weitere Entwicklungen vorgenommen werden, um die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der oben genannten Technologien zu verbessern.

Abbildung 8. Ein Hubschrauber sprüht Vereisungsschutzmittel direkt auf die Rotorblätter einer Windkraftanlage, getestet von Caribou Wind Farms [23].

Windkraft ist eine wachsende alternative Energiequelle und könnte bei ausreichender Forschung und Entwicklung in Zukunft herkömmliche fossile Brennstoffe ersetzen. Es gibt viele aktuelle Fortschritte/Entwicklungen im Bereich der Windenergie, wie zum Beispiel Offshore-Plattformen, die die Stromkosten senken können und leicht auf Oberflächen tiefer Gewässer installiert werden können. Tiefe Gewässer in Küstennähe weisen vorhersehbare Windgeschwindigkeiten und -richtungen auf, was eine optimale Stromerzeugung ermöglicht. Darüber hinaus können zukünftige Entwicklungen wie Roboterraupen Probleme an großen Windkraftanlagen untersuchen und erkennen, während neue Fortschritte bei Rotorgrößen und Rotorblättern eine optimale Windnutzung bei minimalen Herstellungskosten ermöglichen. Darüber hinaus wird wahrscheinlich noch mehr Wert auf die Funktionalität von Windkraftanlagen bei kaltem Wetter gelegt, da extrem niedrige Temperaturen dazu führen können, dass Turbinen einfrieren und große Bevölkerungsgruppen ohne Strom und Wärme zurückbleiben, wie die jüngsten Winterstürme in Texas gezeigt haben. Beim Vergleich von Onshore- und Offshore-Windkraftanlagen werden die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen beiden deutlich. Onshore-Windkraftanlagen sind in der Verwaltung und Herstellung kostengünstiger, können aber nicht das ganze Jahr über Energie produzieren. Darüber hinaus sind die Standorte ihrer Installationsorte unvorhersehbaren Windgeschwindigkeiten und -richtungen ausgesetzt. Offshore-Windkraftanlagen sind teurer in der Herstellung und Wartung, aber mit Investitionen und technologischen Fortschritten können sie viel mehr Energie liefern als Onshore-Windkraftanlagen.

Das US-Energieministerium (DOE) prognostiziert, dass das Land bis 2050 über eine Windkraftkapazität von 404 Gigawatt verfügen wird, genug, um mehr als ein Drittel des Strombedarfs des Landes zu decken [24]. Angesichts der wachsenden Verbrauchernachfrage nach sauberer, erneuerbarer Energie ist die Windindustrie laut dem US Bureau of Labor die am zweitschnellsten wachsende erneuerbare Energiequelle [25]. Allerdings gibt es einige Nachteile, wie hohe Baukosten und die geringe Haltbarkeit von Windkraftanlagen. Eine technologische Innovation, die entwickelt wurde und derzeit weiterentwickelt wird, ist das Spider-Float-Design. Diese schwimmende Unterkonstruktionstechnologie wurde entwickelt, um die Stromerzeugung zu maximieren, die Kosten zu senken und die Wirtschaftlichkeit von Offshore-Windkraftanlagen zu verbessern. Eine weitere wichtige Innovation bei Windkraftanlagen sind Direktantriebsgeneratoren (DDGs), die Strom mit der Drehzahl des Rotors erzeugen können [26]. Um eine bestimmte Frequenz zu erreichen, sind jedoch teure Magnete erforderlich, um die ursprünglichen Magnete zu ersetzen. Bei leichten DDGs und Supraleitergeneratoren ist jedoch kein teures Material erforderlich, um eine optimale Leistung zu erreichen [26]. Die kommenden Jahrzehnte werden wahrscheinlich weitere Verbesserungen an den Komponenten und Konfigurationen von Windkraftanlagen mit sich bringen und die Windenergietechnologie weiter ins Rampenlicht der erneuerbaren Energien rücken.

Über Dr. Raj Shah

Dr. Raj Shah ist Direktor der Koehler Instrument Company in New York, wo er seit 25 Jahren arbeitet. Er ist ein von seinen Kollegen bei IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSTMC, The Energy Institute und The Royal Society of Chemistry gewählter Fellow. Als Empfänger des ASTM Eagle Award war Dr. Shah kürzlich Mitherausgeber des Bestsellers „Fuels and Lubricants Handbook“. Einzelheiten dazu finden Sie unter https://www.astm.org/DIGITAL_LIBRARY/MNL/SOURCE_PAGES/MNL37-2ND_foreword.pdf

Dr. Shah hat einen Doktortitel in Chemieingenieurwesen von der Penn State University und ist Fellow des Chartered Management Institute in London. Außerdem ist er Chartered Scientist beim Science Council, Chartered Petroleum Engineer beim Energy Institute und Chartered Engineer beim Engineering Council, Großbritannien. Als außerordentlicher Professor am Fachbereich Materialwissenschaften und Chemieingenieurwesen der State University of New York, Stony Brook, hat Raj über 330 Veröffentlichungen veröffentlicht und ist seit drei Jahrzehnten im Erdölbereich tätig. Weitere Informationen zu Raj finden Sie unter https://www.petro-online.com/news/fuel-for-thought/13/koehler-instrument-company/dr-raj-shah-director-at-koehler-instrument- unternehmen-ausgezeichnet-mit-vielfältigen-auszeichnungen/53404

Über Stanley Zhang und Andrew Kim

Stanley Zhang und Andrew Kim sind Studenten an der State University of New York, Stony Brook, wo Dr. Shah den Vorsitz des externen Beratungsausschusses in der Abteilung für Materialwissenschaft und Chemieingenieurwesen innehat.

Verweise

[1] „Windturbinen stellen 8 % der US-amerikanischen Stromerzeugungskapazität bereit, mehr als jede andere erneuerbare Energiequelle.“ UVP, 2. Mai 2017

[2] „Wie lange halten Windkraftanlagen? Kann ihre Lebensdauer verlängert werden?“ TWI, TWI

[3] „Grundlagen der Windenergie.“ AWEA, AWEA

[4] „Windtechnologie der nächsten Generation.“ Energy.gov, Energieeffizienz und erneuerbare Energien

[5] Liu, Yichao et al. „Entwicklungen bei halbtauchbaren schwimmenden Fundamenten zur Unterstützung von Windkraftanlagen: Eine umfassende Übersicht.“ Renewable and Sustainable Energy Reviews, Pergamon, 6. Februar 2016

[6] Tescione, G., et al. „Analyse eines Freiwirbel-Nachlaufmodells zur Untersuchung des Rotors und der Nachlaufströmung in der Nähe einer Windkraftanlage mit vertikaler Achse.“ Erneuerbare Energien, Pergamon, 10. November 2015

[7] Bachynski, Erin E. und Torgeir Moan. „Konstruktionsüberlegungen für Windkraftanlagen mit Zugbeinplattform.“ Marine Structures, Elsevier, 3. November 2012

[8] Cheng, Zhengshun et al. „Eine vergleichende Studie über dynamische Reaktionen von schwimmenden Windkraftanlagen mit horizontaler und vertikaler Achse vom Spar-Typ.“ Wiley Online Library, John Wiley & Sons, Ltd, 7. Juli 2016

[9] Fylling, Ivar & Berthelsen, Petter. WINDOPT: „An Optimization Tool for Floating Support Structures for Deep Water Wind Turbines. Proceedings of the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering“, 2011

[10] Bayles, Corey. „Verlängerung der Lebensdauer von Windkraftanlagen durch Upgrades der Pitchlager.“ Windkrafttechnik und -entwicklung, Windkrafttechnik, 3. Februar 2020

[11] McGuire, von: Nancy. „Schmierungsherausforderungen in der Windkraftanlagenindustrie.“ Energy Central, Tribologie und Schmiertechnik, 18. September 2019

[12] Saurabhjain. „Komponenten für industrielle Windkraftanlagen.“ Maschinenbau, Invision Community, 21. November 2015

[13] Cuffari, Benedette. „Offshore vs. Onshore-Windparks.“ AZOCleantech.com, AZO Cleantech, 11. Dezember 2019

[14] „Größer ist besser, wenn es um das Windenergiepotenzial geht.“ Energy.gov, 21. Okt. 2019

[15] Von. „FCPS.“ Die Hybrid-Windkraftanlage und das Solarpanel von Lanier sind in den Nachrichten! | Lanier Middle School, Spotlight, 14. November 2017

[16] Bortolotti, Pietro et al. „Vergleich zwischen Upwind- und Downwind-Designs eines 10-MW-Windturbinenrotors.“ Wind Energy Science, Copernicus GmbH, 31.01.2019

[17] Dormehl, Lukas. „Raupenroboter und bildgebende Drohnen überwachen Windkraftanlagen auf Schäden.“ Digitale Trends, Digitale Trends, 27. Juni 2019

[18] Bogel-Burroughs, Nicholas et al. „Wintersturm in Texas: Was Sie wissen sollten.“ Die New York Times. 20. Februar 2021.

[19] Moriarty, Rick. „Warum Windkraftanlagen in New York im Gegensatz zu denen in Texas auch bei bitterkaltem Wetter weiterarbeiten.“ Syracuse.com. 19. Februar 2021.

[20] Browne, Ed. „Warum sind Windkraftanlagen in Texas eingefroren, wenn sie in der Arktis arbeiten?“ Newsweek. 18. Februar 2021.

[21] Carpenter, Scott. „Warum Windkraftanlagen in kalten Klimazonen nicht einfrieren: Enteisung und Kohlefaser.“ Forbes. 16. Februar 2021.

[22] Froese, Michelle. „Die kalte, harte Wahrheit über Eis auf Turbinenschaufeln.“ Windkrafttechnik und -entwicklung. 25. Okt. 2018.

[23] „Wie verhindert man die Vereisung von Windkraftanlagen? – Die WIPS-Technologie.“ Wicetec Oy. 2019.

[24] Marketing, GME. „Was Sie über die Zukunft der Windenergie wissen müssen: Grüne Bergenergie.“ Green Mountain Energy Company, Green Mountain Energy Company, 18. Dezember 2018

[25] Torpey, Elka. „Grünes Wachstum: Beschäftigungsprognosen in umweltorientierten Berufen: Karriereaussichten.“ US Bureau of Labor Statistics, US Bureau of Labor Statistics, April 2018

[26] Osmanbasic, E. (nd). „Die Zukunft von Windkraftanlagen: Vergleich von Direktantrieb und Getriebe.“ 13. August 2020

Zu diesem Beitrag gibt es keine Kommentare. Seien Sie der Erste, der unten einen Kommentar hinterlässt.

Sie müssen angemeldet sein, bevor Sie einen Kommentar abgeben können. Jetzt einloggen.