WinDrive Sonderdruck aus Artikel Es geht auch ohne, erschienen in Sonne, Wind & Wärme 09 / 2008 Autor: Detlef Koenemann
MARKT ANTRIEBSTECHNIK Panorama Die erste Dewind D8.2 wurde Ende 2006 auf dem Testfeld des DEWI- OCC in Cuxhaven errichtet und ist seit Januar 2007 am Netz. Foto: Jan Oelker Es geht auch ohne Der Prototyp der Dewind D8.2 in Cuxhaven läuft schon seit über einem Jahr. Die eigentliche Innovation ist das von Voith entwickelte Windrive-System, das den Umrichter überflüssig macht. Alle paar Wochen meldet sich ein neuer Hersteller zu Wort. Vor allem in Fernost steigen viele Maschinenbaufirmen in die Windenergietechnik ein, um am wachsenden Markt teilzunehmen. Wer sich als Newcomer nicht mit Kampfpreisen, sondern mit Technologie durchsetzen will, muss etwas anbieten, das sich deutlich vom Mainstream abhebt und dem Kunden klar erkennbare Vorteile bietet. Der schwäbische Maschinenbaukonzern Voith hat sich diese schwierige und langwierige Aufgabe gestellt. Gemessen an dem, was bisher auf dem Markt vorherrscht, wirkt der Anspruch verwegen: Wie kann eine Windturbine die von den Energieversorgern gewünschte Stromqualität liefern, ohne einen Umrichter einsetzen zu müssen? Bevor Voith auf den Plan trat, hatte niemand ernsthaft diese Frage gestellt. Es galt als ungeschriebenes Gesetz, dass moderne Windenergieanlagen auf den Umrichter einfach nicht verzichten können. Denn seitdem sich der drehzahlvariable Betrieb der Windturbinen weltweit durchgesetzt hat, muss es zwischen Rotor und Netz einen Baustein in der Energiewandlungskette geben, der dafür sorgt, dass der Strom mit der erforderlichen Qualität eingespeist wird. Und das war bisher ohne Ausnahme die Aufgabe des Umrichters. Doch die Monopolstellung der Elektronik wird an dieser Stelle nun angegriffen. Mit dem Windrive-System will Voith beweisen, dass die elektronische Frequenzwandlung durch eine mechatronische ersetzt werden kann. Zurück zu den Wurzeln Das Windrive-System definiert sich aber natürlich nicht durch den Verzicht auf den Umrichter, sondern durch eine Reihe von Funktionen, die letzten Endes das eigentliche Problem der Windenergietechnik lösen müssen: Die Anpassung der vom Wind gelieferten stark schwankenden Leistung an die Anforderungen des elektrischen Netzes. Es ist die Kunst, etwas zusammenzubringen, was nicht zusammen passt. Also zurück zu den physikalischen Wurzeln der Windenergietechnik: Da wir es hier mit rotierenden Massen zu tun haben (Rotor, Getriebe, Generator), ist die mechanische Leistung nichts anderes das Produkt aus Drehzahl und Drehmoment. Sowohl die Drehzahl des Rotors als auch sein Drehmoment ändern sich ständig. Wenn aber auf der anderen Seite der Generator ohne zusätzlichen Filter (Umrichter) direkt mit dem»frequenzstarren«netz gekoppelt werden soll, muss der Generator mit konstanter Drehzahl laufen. Um diese Bedingung zu erfüllen, baut Voith zwischen Getriebe und Generator den Windrive als Drehmomentwandler ein, der die vom Getriebe kommende, ständig schwankende Drehzahl aufnimmt und»glättet«johannes Eitdorf, für den Vertrieb des Windrive zuständig, beschreibt es anschaulich so:»der Windrive hat es mit zwei übermächtigen Kontrahenten zu tun. Vor sich hat es den Wind mit dem riesigen Rotor und hinter sich den Generator mit dem Netz.«Das heißt,»der Windrive hat vor und hinter sich Drehzahlen, die er gar nicht ändern kann, und wirkt somit als Momentenwaage«. 20 Sonne Wind & Wärme 9/2008
Im Detail kompliziert Der mechatronische Aufbau des Windrive ist relativ aufwendig. Er basiert auf einem Drehmomentwandler in Kombination mit einem als Überlagerungsgetriebe ausgelegten Planetengetriebe, besteht also aus zwei zusammenwirkenden Elementen (siehe Grafik): Das Überlagerungsgetriebe (rot) addiert zwei variable Drehzahlen. Es handelt sich um die Drehzahl des Rotors und die im Windrive existierende Korrekturdrehzahl, die gemeinsam eine konstante Ausgangsdrehzahl ergeben. Der Drehmomentwandler liefert die variable Korrekturdrehzahl. Dieser Wandler wird von Hydrauliköl durchflutet (gelb) und besteht aus einem Pumpenrad (dunkelblau), das von der Hauptwelle angetrieben wird, aus einem Turbinenrad, das die Korrekturdrehzahl ans Überlagerungsgetriebe liefert, und aus verstellbaren Leitschaufeln (grün), die das Übertragungsverhalten des Wandlers verändern. Das Standgetriebe (hellblau) überträgt die Korrekturdrehzahl auf das Überlagerungsgetriebe. Das klingt kompliziert und hat viel mit Strömungsmechanik zu tun, die nur wenigen geläufig ist. Denjenigen, die sich nicht unbedingt in die Materie vertiefen wollen, bietet Voith eine griffige Erklärung an:»der Drehmomentwandler besitzt als Strömungsmaschine eine vergleichbare Leistungscharakteristik wie der Windrotor und lässt sich deshalb ideal mit diesem koppeln.«verstellung der Leitschaufeln genügt Um zu verhindern, dass Schwankungen der Windgeschwindigkeit, insbesondere Böen, auf den mit konstanter Drehzahl laufenden Generator durchschlagen, genügt es, die Längsschnitt des Windrive: Gut erkennbar sind das Überlagerungsgetriebe (rot), das Standgetriebe (hellblau) und die Hydraulik (gelb). Die verstellbaren Leitschaufeln sind grün dargestellt. Grafik: Voith Leitschaufeln zu verstellen. Diese Regelung muss allerdings ziemlich schnell geschehen:»es erforderte viel Entwicklungsaufwand, um die Reaktionszeit auf 20 ms zu drücken«, betont Andreas Basteck, der als Geschäftsführer der Voith Turbo Wind GmbH für den Windrive verantwortlich ist. Der Windrive muss aber nicht auf jede Leistungsschwankung mit einer Verstellung der Leitschaufeln reagieren, denn weil die Leistungscharakteristik des Rotors in etwa der des Wandlers entspricht,»folgt der Wandler quasi selbstständig dem Rotor, das heißt verzugsfrei und weich. Dadurch wird der gesamte Antriebsstrang der Windturbine geschont«, er- Industrie Marine Schiene Straße WinDrive hochdynamisches Antriebssystem für Windturbinen im Megawattbereich Ausgezeichnete Netzqualität durch bewährte Synchrongeneratoren Hervorragende Verfügbarkeit und reduzierter Wartungsaufwand durch Wegfall der Frequenzumrichtertechnologie Hohe Effizienz aufgrund hydrodynamisch regelbarer Technologie Moderate Anfangsinvestition durch maßgebliche Gewichteinsparungen Voith Turbo Wind GmbH & Co. KG Voithstr. 1 74564 Crailsheim, Germany Tel. +49 7951 32-1867 Fax +49 7321 37-138149 www.voithturbo.com / windtechnologie
MARKT ANTRIEBSTECHNIK Panorama Antriebsstrang der Dewind 8.2: Zwischen Synchrongenerator (links) und Getriebe wirkt der Windrive relativ klein. Er hat einen Durchmesser von 1,30 m und ist 1,70 m lang. Foto: Voith Technische Daten der Dewind 8.2 Nennleistung 2.000 kw Rotordurchmesser 80 m Rotorkreisfläche 5.027 m² Drehzahl des Rotors 11,1 bis 20,7 min -1 Getriebe-Übersetzung 1:25 Windrive-Übersetzung 1:3 bis 1:5,5 Drehzahl des Generators 1.500 min -1 bei 50 Hz 1.800 min -1 bei 60 Hz Ausgangsspannung 4,16 bis 13,8 kv Dr. Andreas Basteck, Geschäftsführer der Voith Turbo Wind GmbH, in der Gondel der Dewind D8.2 in Cuxhaven. Anfang Mai begleitete er im Rahmen einer Pressereise 18 Journalisten bei ihrem Aufstieg in 80 m Nabenhöhe. Foto: Detlef Koenemann Der Synchrongenerator liefert eine Ausgangsspannung im kv-bereich und spart dadurch den Transformator ein. Das Niveau der Ausgangsspannung wird den jeweiligen Netzanforderungen angepasst. Quelle: www.compositetechcorp.com gänzt Johannes Eitdorf.»Weil es sich im Grunde um ein selbstregelndes System handelt, müssen nur die Leistungsspitzen durch Verstellung der Leitschaufeln ausgeglichen werden.«blindleistung ist kein Problem Das Windrive-System erscheint etwa so komplex wie der Umrichter, den es ja ersetzen soll. Um zu zeigen, dass sich der erhebliche konstruktive Aufwand trotzdem lohnt, hebt Andreas Basteck die Vorteile hervor, die das neue System verspricht: Windrive ermöglicht den Einsatz eines Synchrongenerators, dessen hohes Spannungsniveau (siehe Tabelle) den Einsatz eines Transformators überflüssig macht. Der direkt mit dem Netz gekoppelte Synchrongenerator kann sowohl Blindstrom aufnehmen als auch abgeben und dadurch das Netz stützen. Die jeweils benötigte Blind- leistung wird einfach über den Erregerstrom eingestellt. Windrive spart unter dem Strich Masse ein. Zwar wiegt das Windrive-System, das zurzeit in der Dewind 8.2 erprobt wird, rund 5,6 t, doch dafür fällt im Hauptgetriebe eine Stufe weg (das zweistufige Getriebe der D8.2 wiegt 18 Tonnen). Die eigentliche Masseneinsparung wird durch den Wegfall von Umrichter und Trafo bewirkt. Bei Anlagen, die deutlich größer sind als 2 MW, werde sich das noch deutlicher auswirken, prophezeit Basteck. Dann werde sich auch ein deutlicher Kostenvorteil zeigen. Das Wandlerprinzip, das dem Windrive zugrunde liegt, ist seit Jahrzehnten erprobt und hat sich als äußerst robust erwiesen, zum Beispiel beim Betrieb großer Pumpen auf Ölund Gasplattformen.»Die MTBF (Mean Time Between Failure) liegt bei über 39 Jahren«, betont Johannes Eitdorf. Ob das Konzept auch hält, was es verspricht, wird zurzeit an drei Standorten getestet. Der in Cuxhaven errichtete Prototyp ist bereits seit 16 Monaten in Betrieb ohne besondere Vorkommnisse, wie Dewind und Voith versichern. Die Qualität des eingespeisten Stroms sei wie erwartet gut. Im Dezember 2007 erfolgte die Errichtung der zweiten D8.2 in Argentinien in 4.200 m Höhe. Wegen der dünnen Luft wird die Nennleistung erst bei hohen Windgeschwindigkeiten erreicht. In Texas läuft seit kurzem die 60-Hz-Version. Sie soll den US- Markt für das Windrive- System öffnen. Um die erhoffte Nachfrage zu decken, hat Voith bereits in Crailsheim eine Montagelinie errichtet, die demnächst 400 Windrive-Einheiten pro Jahr produzieren kann. Detlef Koenemann 22 Sonne Wind & Wärme 9/2008
Projektreport WinDrive März 2003 Die Idee des WinDrive wird geboren Juli 2003 Start der Konzeptstudie WinDrive für Windenergieanlagen zu bestehenden Technologien und über zukünftige Marktchancen für WinDrive Dezember 2003 Der WinDrive hält konzeptionell sämtliche Anforderungen von Windenergieanlagen ein März 2004 Das Projekt WinDrive wird offi ziell gestartet August 2005 Mit DeWind wird ein bekanntes Unternehmen der Windenergiebranche als Partner für die Entwicklung einer 2000 kw Turbine gewonnen November 2006 Erste Testfeldergebnisse Dezember 2006 Erster Prototyp auf dem DEWI OCC Testfeld, Cuxhaven Januar 2007 Erste Kilowattstunde ins Netz gespeist Gründung der Voith Turbo Wind GmbH & Co. KG Februar 2007 Erfolgreiche Inbetriebnahme des Prototyps in Cuxhaven März 2007 Versuch Dauerhaltbarkeit Leitschaufelverstellung WinDrive Die DeWind Turbine D8.2-2000 kw (50 Hz) mit WinDrive ist zertifi ziert August 2007 Produktionsfreigabe für die ersten 18 Einheiten Felderprobung September 2007 Erster Liefervertrag und zwei weitere Prototypen für Nordund Südamerika Oktober 2007 Einweihung einer neuen Montagehalle November 2007 NREL testet Windturbine mit WinDrive (weltweit erstmaliger Test von dynamischen Lasten einer Windenergieanlage auf einem Versuchsfeld) Januar 2008 Finalist beim Innovationspreis der deutschen Wirtschaft WinDrive wird in der höchstgelegenen Windturbine der Welt installiert (Veladero, Argentinien 4200m ü.n.n.) Februar 2008 Dauerlauf bestanden (Abbildung von 175.000 Stunden Lebensdauer) März 2008 Erste 2000 kw (60 Hz) Windturbine mit WinDrive in den USA am Netz April 2008 DeWind Turbine D 8.2 2000 kw (60 Hz) mit WinDrive ist zertifi ziert Mai 2008 Erfolgreicher Test Graufl eckigkeit im erweiterten Betriebsbereich Juli 2008 WinDrive Kältetest (Einsatztemperatur bis zu - 40 C)
Voith Turbo Wind GmbH & Co. KG Voithstraße 1 74564 Crailsheim, Germany Tel. +49 7951 32-1867 Fax +49 7321 37-138149 www.voithturbo.com/windtechnologie cr606 de, aik / BVA-Tiemann, 12.2008, 500. Änderungen, die sich durch technische Weiterentwicklung ergeben, vorbehalten.