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Über dieses Buch

Das Buch beantwortet die Frage, wie Windkraftanlagen durch Regelung und Führung von Turbinen und Generatoren den Eigenschaften konventioneller Kraftwerke näher gebracht werden können. Eine Netzintegration der Anlagen, ihr Einsatz in Smart Grids bzw. als Teil Virtueller Kraftwerke werden in Zukunft eine größere Rolle spielen. Betriebsergebnisse und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen runden den Inhalt ab. Die 6. Auflage ist um Themen zu neuen Generatorentwicklungen sowie zur On- und Offshore-Integration erweitert.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Windenergieanlagen

Steigende Umweltbelastungen und zunehmend zu beobachtende Klimaveränderungen, die in hohem Maße durch energetische Prozesse hervorgerufen werden, erfordern eine Reduzierung der immer noch größer werdenden umweltschädigenden Emissionen. Bei der Elektrizitätserzeugung lassen sich insbesondere durch die Nutzung erneuerbarer Energien nennenswerte Entlastungen erreichen. Dabei kommen – neben der weltweit genutzten Wasserkraft – den immensen Potentialen der Sonnen- und Windenergie große Bedeutung zu. Ihre Angebote sind allerdings den zeitlichen Abläufen der Natur unterworfen. Für ihre Nutzung notwendige Wandlersysteme befinden sich nach intensiven Entwicklungs- und Einführungsschritten noch immer in der Anfangsphase einer großtechnischen Anwendung. In Deutschland werden z. B. etwa \(\text{13}\,\mathrm{\%}\), in den Bundesländern Schleswig-Holstein und Mecklenburg-Vorpommern ca. \(\text{80}\,\mathrm{\%}\) bis \(\text{80}\,\mathrm{\%}\) des Stromes aus Windkraftanlagen beigetragen. Mitte 2003 hat bei der Stromeinspeisung in Deutschland der Anteil an Windenergie die Wasserkraft bzw. inzwischen auch die Kernenergie überstiegen.
Um sich an einem Markt mit sehr hohem technischen Standard etablieren und behaupten zu können, sind insbesondere für diese umweltverträgliche Technik angemessene Zeiträume notwendig. Die Windenergie ist auf dem besten Weg. Sie hat sich bereits zu einer Leittechnologie entwickelt.
In Kapitel 1 werden unterschiedliche Entwicklungs- und Herstellungstendenzen aufgezeigt und in einem historischen Abriss diskutiert.
Siegfried Heier

2. System zur Windenergiewandlung

Eine Windkraftanlage kann durch ihre Rotorblätter der bewegten Luft einen Teil der Strömungsenergie entziehen, in Rotationsenergie umwandeln, über den mechanischen Triebstrang (Wellen, Kupplungen und Getriebe) bzw. direkt dem Läufer des Generators zuführen und durch mechanisch-elektrische Konversion auf den Stator übertragen. Die dem Generator entnommene elektrische Energie lässt sich über Schalt- und Schutzeinrichtungen sowie über Leitungen und eventuell erforderliche Transformatoren dem Netz bzw. den Verbrauchern oder einem Speicher zuführen. Bei der weiterführenden Behandlung der relevanten Systemkomponenten in Kap. 2 muss einerseits der Antriebsmomentbildung bzw. dem Leistungsverhalten, dem darauf ausgerichteten Aufbau und den Eingriffen zur Leistungsbegrenzung am Windrad sowie andererseits Rückwirkungen von der Übertragungskette auf die Turbine besondere Bedeutung beigemessen werden. Darüber hinaus werden Beratungs- und Ausführungsbeispiele dargestellt sowie Anlagen- und Systemparameter aufgezeigt.
Siegfried Heier

3. Mechanisch-elektrische Energiewandlung durch Generatoren

Für Untersuchungen zur Wirkungsweise und zum Verhalten von Windenergieanlagen kommt dem Generator als widerstandsmomentbildendem Teil entsprechend seiner Lage und Verknüpfungen zentrale Bedeutung zu.
Windkraftwerke sollen global gesehen, wie andere elektrische Energieversorgungseinrichtungen mit vergleichbarem Leistungsvermögen (z. B. Wasserkraftanlagen, Gas- und Dieselaggregate), einfach bedienbar sein, hohe Lebensdauer aufweisen, geringen Wartungsaufwand und möglichst niedrige Anschaffungskosten haben.
Diese Ansprüche erfordern die Wahl eines geeigneten Generators. Bei Windkraftanlagen kommen daher für die mechanisch-elektrische Energiewandlung im wesentlichen – aufgrund ihrer robusten Ausführungsmöglichkeiten – nur Asynchron- und Synchrongeneratoren zum Einsatz. Bei der Wahl kommt den durch das Umfeld gegebenen Randbedingungen mit den daraus resultierenden Anforderungen an die elektrische Maschine sowie den am Generator entstehenden Drehmomenten besondere Bedeutung zu. Diese werden in Kapitel 3 aufgezeigt sowie daraus resultierende elektrische Eigenschaften und Verhaltensweisen in allen relevanten Leistungsgrößen diskutiert sowie wichtige Maschinenparameter dargestellt. Die Ausführungen sind insbesondere auf direkt netzgekoppelte und doppeltgespeiste Asynchrongeneratoren sowie elektrisch und permanent erregte Synchrongeneratoren mit und ohne Getriebe ausgerichtet.
Siegfried Heier

4. Elektrische Energieübergabe an Versorgungsnetze

Im Hinblick auf die Energieübergabe an elektrische Versorgungsnetze sind Unterschiede zu beachten zwischen Systemen mit begrenzten Einspeisemöglichkeiten, die im Inselbetrieb und bei Einspeisung in schwache Netze gegeben sind, bzw. im unbegrenzt aufnahmefähigen Verbund mit dem starren Netz. Windkraftanlagen sollten in beiden Einsatzbereichen einen sicheren Betrieb ermöglichen.
Das sogenannte starre Verbundnetz kann aufgrund seines sehr hohen Leistungsvermögens (gegenüber den Nennwerten angeschlossener Verbraucher) als unendlich ergiebige Wirk- und Blindstromquelle und für kleine Einspeisesysteme, die Windkraftanlagen im Verhältnis zu Großkraftwerken i. Allg. darstellen, als unbegrenzt aufnahmefähige Senke mit konstanter Spannung und Frequenz betrachtet werden.
Im Gegensatz zu thermischen Kraftwerken werden Windturbinen meist an entlegenen Stellen mit begrenzten Einspeisemöglichkeiten errichtet. Dadurch ist vielfach eine schwache Netzanbindung über z. T. lange Stichleitungen anzutreffen. Bei großen Windkraftanlagen und Windparks kann somit die Einspeiseleistung durchaus in die Größenordnung oder gar in die Nähe der Netzübertragungsleistung gelangen, so dass gegenseitige Einflüsse Berücksichtigung finden müssen.
In Kap. 4 werden die gestellten Anforderungen sowie die notwendigen Einrichtungen (Umrichter, Filter, etc.) zum (On- und Offshore-) Netzanschluss von Windkraftanlagen wiedergegeben, Schutz- und Abhilfemaßnahmen dargestellt, Möglichkeiten zur Netzstützung, Netzregelung und Netzsystemdienstleistung aufgezeigt, Netzausbau, Bereitstellung von Regel- und Reserveleistungen sowie interkontinentale Netzverbindungen diskutiert.
Siegfried Heier

5. Regelung und Führung von Windkraftanlagen

Thermische Kraftwerke erlauben stets Eingriffe in die Turbinenantriebsleistung. Bei ihnen muss unterschieden werden zwischen Reaktionen auf langfristig notwendige Veränderungen durch die Energiezufuhr und kurzzeitigen Leistungsangleichungen in begrenztem Maße über den Dampfkreislauf oder entsprechende Energietransportwege. Demgegenüber ermöglichen Dieselaggregate, Gasturbinen o. ä. Systeme über den Netzzustand und die Anlagenregelung (bzw. Statik) die Brennstoffzufuhr und somit die Energieeinspeisung lang- und kurzfristig an die sich ändernden Verbraucherverhältnisse im vorgegebenen Leistungsrahmen anzugleichen.
Windturbinen sind hingegen der Luftströmung ausgesetzt. Diese unterliegt jedoch hauptsächlich witterungs- und standortbedingten Einwirkungen. Entsprechende Variationen des Primärenergieangebotes sind die Folge. Auf dieses Einfluss zu nehmen entfällt bei Windenergieanlagen. Eine Veränderung der Leistung ist nur in Richtung geringeren Energieumsatzes möglich. Somit wird das Netz nicht nur durch Schwankungen auf der Energieabnehmerseite, sondern bei unkoordinierter Speisung aus Windkraftanlagen auch durch die Witterung bedingt in der Energiezufuhr beeinflusst.
In Kapitel 5 werden Konzeptionen zur Regelung unterschiedlicher Konfigurationen dargestellt und die Auslegung von Reglern (selbsteinstellend, systemorientiert, neuronal, etc.) für feststehende und schwimmende Anlagen aufgezeigt sowie Betriebsführungs-, Überwachungs- und Sicherheitssysteme bis hin zur Fehler-Früherkennung umrissen.
Siegfried Heier

6. Nutzung der Windenergie

Die Anwendung der Windenergie zur Elektrizitätsversorgung bringt eine Verbreiterung der Energiebasis und vermindert die Umweltbelastung. Sie ist besonders sinnvoll, wenn wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit mit üblicherweise verwendeten Energieträgern besteht. In Ländern wie Dänemark oder deutschen Regionen wie Schleswig-Holstein und Mecklenburg-Vorpommern trägt die Windenergie bereits signifikant zur Stromversorgung bei.
Kenntnisse über die Anlagenkosten und über die zu erwartende Energielieferung sind von grundlegender Bedeutung. Dabei müssen gute Windverhältnisse am geplanten Standort als wichtigste Voraussetzung für eine wirtschaftliche Nutzung der Windenergie angesehen werden. Darüber hinaus spielen in dicht besiedelten Gebieten, in ebenen, gebirgigen, bewaldeten Regionen, an der Küste und im Meer Genehmigungsfragen zunehmend eine entscheidende Rolle.
In Kapitel 6 werden von Windverhältnissen ausgehend Energieerträge bestimmt, Potenziale und Ausbau- sowie Repower-Möglichkeiten aufgezeigt und unfassende Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen mit internen und externen Kosten angestellt. Abschließend sind Planungs- und Baurecht mit Immissions-, Natur- und Landschaftsschutz sowie Vorgehen zur Errichtung von Anlagen ausgeführt und Ökobilanz rundet den Themenbereich auch in Hinblick auf Industrie 4.0 ab.
Siegfried Heier

Backmatter

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