Windkraft ohne Umweg

Bislang waren Windräder mit Direktantrieb eine Spezialität mit geringem Marktanteil. Nun steigen auch Siemens und General Electric auf die Technologie um und preisen ihre Vorzüge.

Wer durch Landstriche mit Windparks fährt, bekommt sie nicht so häufig zu Gesicht: Windräder mit Direktantrieb. Die meisten dieser Windmühlen enden in Wohnwagen-großen Gondeln, in denen eine aufwändige Getriebetechnik Rotornabe und Stromgenerator miteinander verbindet. Doch nun setzen mit Siemens und General Electric zwei Schwergewichte der Windkrafttechnik auf die Vorzüge der getriebelosen Technik.

Siemens, schon jetzt im Offshore-Bereich rein mengenmäßig der größte Windrad-Produzent der Welt, wird erstmals eine entsprechende 3-Megawattanlage verkaufen, während General Electric angekündigt hat, 340 Millionen Euro in die Produktion von getriebelosen 4-Megawatt-Windrädern für den Offshore-Einsatz zu investieren.

Manche Beobachter der Branche schreiben die wachsende Popularität der Direktantriebe Problemen der Getriebetechnik zu, die in den letzten Jahren immer wieder Schlagzeilen gemacht haben. Die hält Henrik Stiesdal, Technikleiter der Windkraft-Sparte von Siemens, für aufgebauscht. Vielmehr verspreche sich Siemens niedrigere Kosten und höhere Energieausbeute von dem Verzicht aufs Getriebe. „Mit Direktantrieb werden Windräder wettbewerbsfähiger“, bekräftigt Stiesdal.

Eine bemerkenswerte Aussage, da es Windkraftanlagen mit Direktantrieb schon seit fast 20 Jahren gibt. Bislang konnten sie sich aber nicht durchsetzen: Von den weltweit installierten 158 Gigawatt Windenergie entfielen 2009 schätzungsweise 14 Prozent auf getriebelose Anlagen. Den Löwenanteil davon stellt mit einer installierten Leistung von 20,4 Gigawatt der deutsche Windrad-Hersteller Enercon, der die Technologie 1991 zuerst entwickelte.

Getriebe in Windrädern dienen dazu, die Drehzahl des Rotors zu vervielfachen, um die Generatoren schneller laufen zu lassen. Der Vorteil: Dank der höheren Umdrehungsgeschwindigkeit können die Generatoren dann kompakter gebaut werden. In Windrädern mit Direktantrieb ist die Drehbewegung der Rotoren hingegen identisch mit der der Generatoren. Um eine hohe Leistung bei geringerer Drehzahl zu erzielen, ist dann ein größerer Generator nötig. Bei dem 3-Megawatt-Modell von Siemens hat der Generator einen Durchmesser von vier Metern. Dennoch wiegt die Maschineneinheit nach Angaben von Siemens 73 Tonnen – zwölf Tonnen weniger als die Getriebe-Modelle der 2,3-Megawatt-Anlagen.

Einen Großteil des Gewichts sparen die Konstrukteure nämlich durch den Einsatz von Permanent-Magneten im Rotor. Generatoren nutzen im allgemeinen ein rotierendes magnetisches Feld, um Elektronen in Bewegung zu setzen, also Strom zu erzeugen. In Getriebe-Modelle entsteht dies in einem Elektromagneten, einer Kupferspule, die von Strom durchflossen sind. Der wird im laufenden Betrieb aus dem Generator selbst abgezweigt. Laut Henk Polinder, Ingenieur an der TU Delft, genügt schon eine 15 Millimeter dicke Scheibe eines Permanentmagneten, um ein ebenso starkes Magnetfeld zu erzeugen wie eine 10 bis 15 Zentimeter lange Kupferspule.

Weiteres Gewicht spart Siemens durch eine andere Konstruktion des Generators ein. Üblicherweise ist der Stahlrotor bei getriebelosen Windrädern mit dem Permanentmagneten beschichtet und dreht sich im Innern des ringförmigen, so genannten Stators, in dem sich die nutzbare elektrische Spannung aufbaut. Diese Anordnung will auch General Electric einsetzen. Im Siemensgenerator ist der Rotor hingegen ein Stahlzylinder, an dessen Innenseite der Permanentmagnet sitzt. In ihn ragt ein länglicher Stator hinein und wird von dem Permanentmagnet gewissermaßen umkreist.

Einen Prototyp des neuen Windrads hat Siemens bereits im Dezember 2009 im dänischen Bande errichtet. In diesem Jahr sollen zehn weitere folgen. 2011 soll dann die Serienproduktion starten.

General Electric hat seine Technik mit der Übernahme des norwegischen Windradbauers ScanWind im vergangenen Jahr eingekauft. In Norwegen wird die neue Konstruktion derzeit getestet. Die ersten 4-Megawatt-Anlagen will GE 2012 auf den Markt bringen.

In den USA kommt weitere Konkurrenz in Gang: Das Start-up Boulder Wind Power aus Colorado will mit Wagniskapital von New Enterprise Associates eine direkt-angetriebene 1,5-Megawatt-Turbine bauen. Firmengründer ist Sandy Butterfield, früherer Chefingenieur des Windkraft-Technik-Zentrums am US National Renewable Energy Laboratory in Boulder. Dort leitete er unter anderem eine große Studie über den Konstruktionsprozess von Windrad-Getrieben.

Die war 2007 vom NREL in Auftrag gegeben worden, nachdem es bei verschiedenen Herstellern wiederholt zu Getriebeschäden gekommen war, unter anderem bei 2,5-Megawatt-Anlagen von Clipper Windpower. Der dänische Hersteller Vestas hatte gar sämtliche Generatoren in den 30 Windrädern des Offshore-Parks Kentish Flats in Großbritannien nach nur zwei Jahren austauschen müssen. Die NREL-Studie kam schließlich zu dem Ergebnis, dass die meisten Windrad-Getriebe „deutlich kürzer“ als die 20 Betriebsjahre halten, für die sie ausgelegt sind.

Siemens selbst habe die Getriebetechnik in eigenen Untersuchungen als recht zuverlässig bewertet, sagt Stiesdal. Von den Siemens-Windrädern, die zwischen 1983 und 1989 in den USA errichtet wurden, lief 2008 noch eine „überwältigende Mehrheit“ mit den Originalgetrieben. Dennoch geht auch Stiesdal davon aus, dass Direktantriebe noch zuverlässiger sind – auch weil sie nur halb so viele Bauteile wie Getriebe-Turbinen enthalten und leichter zu warten sind.

Der Haken an den Direktantrieben hat denn auch nichts mit ihrer Konstruktion zu tun – sondern mit einer potenziellen Rohstoffverknappung. Denn für die Permanent-Magnete sind Metalle der so genannten Seltenen Erden nötig, zum Beispiel Neodym, das in Neodym-Eisen-Bor-Magneten steckt. 95 Prozent des Angebots an seltenen Metallen kommen derzeit aus China. Dies so wie der zunehmende Bedarf an den seltenen Metallen auch in anderen Hightech-Feldern könnte Permanent-Magneten zum knappen und teuren Gut machen. „Das ist ein ernsthaftes Problem“, räumt Stiesdal ein. (nbo)