Anpassungsfähige Windmühlen

Ein neues Lichtleiterlasersystem kann Windgeschwindigkeiten und Windrichtung in einem Abstand von bis zu 1000 Metern vor einer Windkraftanlage messen und den riesigen Maschinen dadurch die Möglichkeit geben, sich rechtzeitig automatisch anzupassen. Das Gerät vom Start-up Catch the Wind aus dem US-Bundesstaat Virginia soll die Effizienz der Mühlen deutlich steigern, gleichzeitig aber auch Schäden vermeiden helfen.

Auch die Kosten für erneuerbare Energie aus Wind könnten so sinken. Die Anlagen verlieren rund ein Prozent ihres Wirkungsgrades, wenn die Rotorblätter nur ein Grad gegenüber dem Wind fehlausgerichtet sind. Catch the Wind gibt an, dass sein Lasersystem den Output der Turbinen um bis zu zehn Prozent steigern kann, in dem die Ausrichtungsgenauigkeit verbessert wird. Der Anstellwinkel der Rotorblätter kann außerdem vorab verändert werden, um Schäden an Getriebekomponenten der Anlagen oder an den Rotorblättern selbst zu vermeiden. Auch das soll wiederum Kosten sparen – bis zu zehn Prozent des Betrages, der sonst für Reparaturen im Jahr anfällt. Catch the Wind glaubt außerdem an eine insgesamt gesteigerte Lebensdauer mit der Technik ausgestatteter Anlagen.

John Kourtoff, CEO des Offshore-Windentwicklers Trillium Power, nennt den Ansatz "vom Konzept her sehr einleuchtend", weil er die Kosten für die Windfarmen reduziere und die Umsätze gleichzeitig erhöhe. "Aus der Ferne betrachtet ist das sinnvoll und würde auch uns Vorteile bringen." Er müsse allerdings erst Echtzeitdaten sehen, um die Technik wirklich bewerten zu können.

Aktuell verwendete Windenergiemesssysteme, darunter mechanische Luftgeschwindigkeitsmesser (Anemometer) und modernere LIDAR-Messgeräte, werden derzeit vor allem zur Bestimmung der optimalen Lage von Windkraftanlagen verwendet. Die Technik kann außerdem als Teil von Wetterstationen eingesetzt werden, um Windvorhersagen für einen längeren Zeitraum zu treffen. Echtzeitdaten lassen sich außerdem durch das Anbringen kleiner Anemometer auf der Rückseite der Turbinenkörbe ermitteln, sagt Kourtoff. Das Problem dabei sei allerdings, dass die Luft durch die Rotorblätter so stark verwirbelt werde, dass die Messungen oft unzuverlässig seien. Außerdem könne die Turbine so nur auf Windveränderungen reagieren, wenn die Rotorblätter bereits von ihm getroffen wurden. Das bedeute unschöne Sekunden, in denen schädigende Kräfte von Böen und Turbulenzen auf sie einwirkten.

Catch the Wind hat die LIDAR-Technik deshalb so angepasst, dass sie sich direkt auf eine Windturbine setzen lässt. Sie misst Windveränderungen rechtzeitig genug, um Veränderungen an den Rotorblättern vornehmen zu können. Dazu werden drei unsichtbare Laserstrahlen in den Bereich vor der Turbine ausgesendet, die gleichzeitig sowohl vertikale als auch horizontale Windgeschwindigkeiten in unterschiedlichen Abständen messen. Außerdem werden so kurzfristige Veränderungen bei der Windrichtung ermittelt. Ähnlich wie bei einem konventionellen LIDAR-System wird dabei auf das Doppler-Prinzip gesetzt: Wird der Laser von Staubpartikeln reflektiert, die der Wind vor sich hertreibt, verändert er seine Wellenlänge – die Änderung ist direkt proportional zur Geschwindigkeit der Partikel. Mit Hilfe proprietärer Algorithmen werden diese Informationen in genaue Windgeschwindigkeits- und Windrichtungswerte verwandelt, die sich dann zu einem Steuersignal für das Kontrollsystem der Windkraftanlage umsetzen lassen. So ergibt sich eine Vorlaufzeit von 20 Sekunden – mehr als genug, um den Turbinenkorb und den Winkel der Rotorblätter so zu verstellen, dass mehr Windenergie geerntet werden kann und gleichzeitig die Technik geschont wird.

Konventionelle LIDAR-Systeme seien allerdings nicht zur Anbringung auf Windkraftanlagen geeignet, weil sie Spiegel verwendeten, die präzise positioniert werden müssten, um aus einem einzelnen Strahl einen dreidimensionalen Kegel zu machen, erläutert Catch the Wind-Präsident Philip Rogers. Veränderungen bei der Temperatur oder schnelle Bewegungen können die Spiegelausrichtung zerstören. Deshalb setzt die Firma auf ein Lichtleitersystem, das drei einzelne Laserstrahlen aussenden kann. So ergibt sich ein kleines, stabiles und leichtes System, das sich permanent auf einer Windkraftanlage aufbringen und sich auch in das Kontrollsystem integrieren lässt. "Es erinnert stark an die Solid State-Elektronik", erläutert Rogers, "wir haben hier ein sehr robustes und kompaktes System entwickelt, dem Temperaturveränderungen, harte Schläge und andere Störungen nichts anhaben können".

Catch the Wind überprüft seine Technik derzeit in einem Feldtest an der Küste des kanadischen Bundesstaates Prince Edward Island in Zusammenarbeit mit dem Windenergieinstitut des Landes. Paul Dockrill, Technologiedirektor des Instituts, berichtet von ersten guten Ergebnissen am Boden auf einem Dreibein. Die Anbringungen an einer Turbine kommt nun als nächster Schritt und soll eine breitere Untersuchung einleiten.

Rogers stellt sich vor, dass das Lichtleitersystem künftig direkt in neue Turbinen integriert wird, um Produktionskosten zu sparen. Außerdem sei eine nachträgliche Anbringung an tausenden bestehenden Anlagen denkbar. "Wir sprechen derzeit mit einigen Herstellern und sehen bereits eine große Nachfrage." Eine Vorabversion des Gerätes soll im nächsten Frühjahr verfügbar sein, die kommerzielle Produktion dann Ende 2010 folgen. (bsc)