offshore wind farm

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Doch um den Prototyp zu erproben, fehlt ihnen ein Anlagenhersteller.

Hydrostatisches Getriebe Prüfstand

Der Prüfstand simuliert Rotor, Wind und hydrostatisches Getriebe einer Ein-Megawatt-Anlage. Das Konzept soll nun seine Bewährungsprobe in der Praxis antreten. Mit ihrer Idee, die Getriebe in Windenergieanlagen durch eine Hydrauliklösung zu ersetzen, sind die Forscher aus Aachen allerdings nicht allein. Bild: RWTH Aachen

Von 2008 bis 2014 hatte ein Forscherteam von der RWTH Aachen an dem Projekt gearbeitet, dann war das hydrostatische Getriebe reif für die Erprobung in einer Windenergieanlage. Ein Windparkbetreiber, der eines seiner Windräder zur Verfügung gestellt hätte, war gefunden. Doch dann machte der Hersteller der Anlage den Technikern und Wissenschaftlern um Johannes Schmitz und Nils Vatheuer einen Strich durch die Rechnung: Er weigerte sich, den Forschern Unterlagen zur Verfügung zu stellen, die sie für eine zeitsparende Teil-Zertifizierung benötigt hätten. So wären sie gezwungen gewesen, die Anlage komplett neu zu zertifizieren. Diesen Kraftakt konnte das Institut nicht leisten – und die Gelegenheit verstrich ungenutzt.

Getriebe für Offshore hochskalieren

Gunnar Matthiesen, der das Projekt seit Mai als wissenschaftlicher Mitarbeiter betreut, hat aus dieser Erfahrung gelernt: Er sucht nun zunächst unter den Anlagenbauern nach einem Kooperationspartner, der sich bei der Erprobung einbringen will. Die Forscher arbeiten zu Testzwecken mit einem Getriebe für eine ein-Megawatt-Anlage. „Eine solche Leistungsklasse wird heute seltener eingesetzt“, kommentiert der Ingenieur. „Leistungen von zwei Megawatt und darüber sind eher der Regelfall. Insbesondere im Offshore-Sektor gehen die Entwicklungen in Richtung fünf Megawatt und mehr.“

Je nach Leistungsklasse ist eine rein hydraulische Lösung für große Anlagen unwahrscheinlich. Denn im aktuellen Entwurf werden zwei Pumpen als Tandem direkt auf die Rotorwelle montiert. Insbesondere bei einer Anlage im Multimegawatt-Bereich wäre die Drehzahl deutlich geringer. Gegenwärtig gibt es aber keine Pumpen, die groß genug sind, um sie dann noch in gleicher Anordnung auf die Rotorwelle zu montieren.

Matthiesen sieht darin kein Problem. „Das Getriebe lässt sich verhältnismäßig leicht skalieren, indem wir die Leistung über eine einzelne mechanische Stufe auf mehrere Triebstränge verzweigen und dort parallel verarbeiten“, sagt der Forscher. „Darüber hinaus sind wir in der Lage, den Leistungsfluss in jedem Zweig präzise zu regeln und so die Belastungen innerhalb des Triebstranges gezielt zu verteilen. Wir gehen davon aus, dass sich durch eine geschickte Aufteilung der Eingangsleistung weitere Lebensdauerzuwächse erzielen lassen.

Technik im Detail

Prüfstand IFAS

Blick auf die „Getriebeseite“ des Prüfstandes am IFAS in Aachen. Bild: RWTH Aachen

Der Prüfstand am IFAS

Hydromotoren treiben am Prüfstand die „Rotorwelle“ an und simulieren so Rotor und Wind. Zwei hydraulische Pumpen sind in Tandemanordnung an die Welle gekoppelt. Sie fördern Hochdrucköl zum Ventilblock, wo die notwendigen Sicherheitsventile und Schaltventile verbaut sind. Von dort ausgehend wird das Öl auf vier Hydraulikmotoren verteilt. Je zwei dieser Motoren sind in Tandemanordnung zusammengefasst und mit einem Generator verbunden.

Die Forscher verwendeten Radialkolbenpumpen ohne Niederhalter. Diese können das Öl nicht aus einem offenen Tank ansaugen. Daher haben Nebenaggregate die Aufgabe, den Niederdruck im Hauptkreislauf auf einen Mindestdruck vorzuspannen und während des Betriebes sowie in Notfallsituationen aufrechtzuerhalten.

Konkurrenz aus der Wirtschaft

Der Ingenieur ist zuversichtlich, dass sich ein Kooperationspartner für das Projekt finden wird, denn die Universität ist mit ihrem Vorhaben nicht allein. Auch Mitsubishi Power Systems steckt ordentlich Forschungsgeld in hydrostatische Getriebe für Windenergieanlagen. Um sich die passende Hydraulik-Technik zu sichern, übernahm das Unternehmen 2010 Artemis Intelligent Power. Die sieben-Megawatt-Anlagen der Firma enthalten anstelle eines Getriebes eine Pumpe, zwei Motoren und zwei Generatoren. Dabei setzt das Unternehmen auf eine Digitalhydraulik-Lösung mit vollständig neu entwickelten Komponenten.

Eine Anlage wurde vor der Küste der Provinz Fukushima gebaut, weitere erprobt das Unternehmen dieses Jahr in europäischen Gewässern. Ein für den Handel geeignetes Serienmodell soll möglicherweise 2015 auf den Markt kommen. Davon sind die Aachener noch ein gutes Stück entfernt. Bis ein Kooperationspartner gefunden ist, forschen sie weiter am Prüfstand im Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS).

Forschungsarbeit geht weiter

Die Ingenieure verwendeten für den Aufbau am IFAS weitgehend herkömmliche Serienkomponenten. Das eigentliche Getriebe macht etwa ein Drittel der Konstruktion aus. Der andere, größere Teil dient dazu, den Rotor der Windkraftanlage zu simulieren. Mögliche Einsatzfelder gibt es genügend: Obwohl die Arbeit der Forscher auf die Windkraft ausgerichtet ist, eignet sich das Getriebe als hydrostatischer Schwerlastantrieb für viele Anwendungen.

Das Thema Windkraft ist aus Forschersicht aber keineswegs abgegrast: „In Bezug auf den Wirkungsgrad könnte ein leistungsverzweigtes Getriebe interessant sein, also ein hydrostatisches Getriebe, gepaart mit einem mechanischen“, führt Matthiesen aus. In deutlich kleinerer Ausführung haben sich diese Art Getriebe beispielsweise in Landmaschinen bewährt. Hochskaliert könnte das für die Windkraft spannend sein, vermutet der Wissenschaftler.

Allerdings wäre das Institut auch in diesem Fall auf eine Kooperation angewiesen. Denn für die Konstruktion und Fertigung der mechanischen Seite mangelt es den Fluidforschern an Erfahrung und Ausstattung. „Da bräuchten wir jemanden, der über die Technik sowie Know-how verfügt und der daran teilnehmen will“, erklärt Matthiesen.

Die beteiligten Wissenschaftler und Unternehmen versprechen sich von der Hydraulik-Lösung eine ganze Reihe von Vorteilen in Windenergieanlagen:

  • Drehzahlvariabilität: Durch das hydrostatische Getriebe kann die Windkraftanlage in sämtlichen Betriebspunkten gefahren werden.
  • Elektronik: Die Anlage erzeugt den Strom mit Netzfrequenz, sie benötigt also keinen Frequenzumrichter. Außerdem konnten die Ingenieure auf einen Synchrongenerator zurückgreifen.
  • Bauraum: Die Anordnung der Hydraulikkomponenten ist flexibel, sodass sich der Bauraum der Gondel besser nutzen lässt.
  • Lastspitzen: Über Druckbegrenzungsventile lässt sich Überlast leicht ausgleichen.
  • Erprobte Komponenten: Das hydrostatische Getriebe ist aus Serienkomponenten gebaut, die seit vielen Jahren auf dem Markt sind.
  • Dämpfung: Da es keine feste, starre Übersetzung gibt, fängt das System Stöße relativ gut ab. Lastspitzen machen sich auf der Abtriebsseite nicht so stark bemerkbar.

Matthiesen hat den Eindruck, die mechanischen Getriebe würden in den großen Leistungsklassen gegenwärtig technisch und wirtschaftlich an ihre Grenzen stoßen: „Mit der Hydraulik kann man in diesem Bereich einfacher ein Getriebe entwerfen“, urteilt der Ingenieur. Einen ähnlichen Standpunkt vertritt auch Mitsubishi: Das Unternehmen verspricht sich von der Hydraulik-Lösung größere Effizienz und Zuverlässigkeit.

Eine Frage des Wirkungsgrades

Bleibt die Frage, ob eine Windenergieanlage mit hydrostatischem Getriebe mehr Energie erzeugt als das mechanische Pendant. Vergleicht man den Wirkungsgrad des hydrostatischen Systems mit dem eines mechanischen Getriebes an sich, so schneidet die Hydrauliklösung schlechter ab. Matthiesen verspricht jedoch: „Wenn man die gesamte Anlage über den gesamten Betriebsbereich und einen längeren Zeitraum bilanziert, über die verschiedenen Arbeitspunkte, an denen die Anlage operiert, dann glauben wir äußerst konkurrenzfähig zu sein!“

Die Erwartungen sind also groß. Wie viel davon sich im täglichen Betrieb bewahrheitet, muss der Praxistest zeigen. Trotz aller Forschungsideen für Anwendungen außerhalb der Windkraft bleibt für die Forscher in Aachen daher das oberste Ziel, einen Hersteller von Windanlagen zu finden, der sich bei der Erprobung des Systems beteiligt.

Autorin: Dagmar Oberndorfer, Redaktion

Hydraulik in Windenergieanlagen

Ideen für luftige Höhen

Getriebe mit Fluid-Technik sind in Windanlagen eine Seltenheit, hydraulisch betriebene Bremsen und Pitchsysteme hingegen gehören zum geläufigen Zubehör. Neuigkeiten auf diesem Sektor gibt es beispielsweise bei Bolenz & Schäfer. Das Unternehmen stellt Hydro-Speichersysteme für Offshore-Anlagen her. Vor Kurzem brachte es eine neue Version heraus, die deutlich seltener gewartet werden muss als der Vorgänger.

Auch Hawe ist auf dem Sektor aktiv. Das Unternehmen stellte Anfang August ein Modul vor, das dem Quietschen der Azimutbremsen ein Ende bereiten soll. Die Azimutantriebe arbeiten bei der Drehung der Gondel in den Wind gegen einen geringen Restbremsdruck. Dieser nimmt das Zahnflankenspiel aus dem Antrieb und wird so eingestellt, dass die Azimutbremsen möglichst wenig quietschen.

In der Praxis entstehen die lästigen Geräusche trotzdem, da der Bremsscheibenring nicht mit gleichmäßiger Stärke gefertigt ist. Bewegen sich die Bremsbeläge bei der Gondeldrehung über unebene Stellen, erzeugt dies einen schwankenden Druck im Bremssystem und somit Geräusche an den Bremsen. Das Unternehmen änderte die hydraulische Verschaltung nun so, dass der Restbremsdruck dynamisch nachgeführt und konstant gehalten wird. Damit bleibt das Quietschen aus. do