Windenergie Reihe Teil 2 – Windkraftanlagen und Leistungskennlinie

Nachdem im ersten Teil unserer Reihe über die Variabilität des Windes gesprochen wurde, soll heute der Aspekt der Anpassung von Windkraftanlagen an standortspezifische Bedingungen beleuchtet werden. Vor allem woher die unterschiedlichen Belastungen und der Ertrag der Anlagen herrühren ist dabei zu erfahren. Warum die Leistungskurve der Anlage dabei eine entscheidende Rolle spielt, soll das Thema abrunden.

Zunächst brauchen die Windkraftanlagen (WKA) möglichst viel Wind am Standort. Wie bereits erläutert, ist dieser nicht immer gleich des Mittelwerts, den man über lange Zeit an einem Ort gemessen hat. Jedoch gibt der Mittelwert bereits eine Auskunft darüber, ob vor Ort hohe oder eher niedrige Windgeschwindigkeiten zu erwarten sind. Via Mittelwind kann also eine erste Abschätzung zur Auslastung der WKA erfolgen. Jedoch spielen neben dem mittleren Wind noch weitere Faktoren eine Rolle. So sind die Windrichtungsverteilung (Teil 1), die Rauigkeiten durch Wald, Wiesen und Gebäude, die Geländestruktur und auch die weiteren meteorologischen Einflüsse relevant.

Unter Berücksichtigung dieser Faktoren werden von beispielsweise der IEC-61400 (IEC: International Electrotechnical Comission) Windzonen bzw. Windklassen definiert. Die Bundesrepublik Deutschland ist in vier Windklassen mit unterschiedlich durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten gegliedert. Die Küstenbereiche sind mit den durchschnittlich höheren Windgeschwindigkeiten in die Zonen drei und vier eingeteilt. Südlich der Küstenbereiche im Großteil Norddeutschlands und nördlich der Alpen befindet sich die Windzone zwei mit geringeren Windgeschwindigkeiten. Die Windzone eins mit den geringsten Windgeschwindigkeiten erstreckt sich vom südwestlichen Niedersachsen, östlichen Teilen Nordrhein-Westfalens und Rheinland-Pfalz bis in den Süden Deutschlands. In diesen Windklassen müssen Windkraftanlagen gezielte definierte Bedingungen bezüglich Auslastung und Standfestigkeit erfüllen. So werden mit der IEC-61400 Extremlasten durch Spitzenwindgeschwindigkeiten geregelt und zu erwartende Turbulenzintensitäten definiert. Diese Definitionen führten zunächst zu unterschiedlich ausgelegten Windkraftanlagen, die entsprechend ihrer Standorte konfiguriert waren.

Heutzutage werden die Anpassungen an die Anforderungen anlagenspezifisch durchgeführt. Dennoch gibt es Windkraftanlagen, die vornehmlich für Standorte mit geringen Windgeschwindig­keiten vorgesehen sind und Anlagen, die im Küstenumfeld oder speziell für die Anwendung auf dem Meer konzipiert werden. Denn neben der Beanspruchung durch Salzwasser sind auf dem Meer in kleineren Höhen bereits hohe Windgeschwindigkeiten zu erwarten, die auf Grund der Wasserober­fläche deutlich weniger turbulent ausfallen. Dieses Potential begründet auch das Interesse an Windkraftanlagen auf dem Meer.

Was hat dies aber mit der Leistungskennlinie der Windkraftanlage zu tun? Windkraftanlagen erreichen erst ab bestimmten Windgeschwindigkeiten ihr volles Potential. Dies wird auch in der Leistungskennlinie der Anlage deutlich, welche die ansteigende Energieproduktion mit Zunahme des Windes eindrücklich aufzeigt. Erst mit ausreichend hohen Windgeschwindigkeiten erzeugt der Generator im Inneren der Gondel die ausgeschriebene Nennleistung und liefert diese so lange, bis der Wind zu stark wird und die Anlage abgeregelt werden muss.

Abbildung 2: Beispiel einer Leistungskennlinie einer Enercon Windkraftanlage, Typ: E-82 E4 (Darstellung auf der Datengrundlage von Enercon GmbH, 2015).

Aufgrund der unterschiedlichen Auslegung der Windkraftanlagen, abhängig von ihrem Standort aber auch vom Ziel der Hersteller, leisten diese unterschiedlich früh ihre volle Kraft. So sind Anlagen für Windklassen mit niedrigen Windgeschwindigkeiten meist mit einem großen Rotor konzipiert, der bei wenig Wind bereits viel Energie aus der Strömung entnehmen kann, um so möglichst früh und oft effizient zu arbeiten. An den Küsten hingegen ist meistens mit deutlich höheren Wind­geschwindig­keiten zu rechnen, sodass Anlagen dort, mit einem etwas kleineren Rotor, erst bei größeren Wind­geschwindigkeiten ihr volles Potential erreichen aber letztendlich einen deutlich höheren Energieertrag liefern.

Daher ist bei Windkraftanlagen bisher oft zu unterscheiden und genau zu beachten, für welchen Anwendungsfall die Anlage konzipiert ist und wie sich die Energieproduktion mit ansteigender Windgeschwindigkeit verhält. Im nächsten Teil der Windenergiereihe, gehen wir auf die Sicherheitskonzepte und Betriebseinschränkungen für Windkraftanlagen ein, die zum Schutz von Mensch und Umwelt angewendet werden.

Quellenverweis:
ENERCON GmbH (2015): The most suitable wind energy converter for every location. ENERCON product overview. Online abgerufen: https://www.enercon.de/fileadmin/Redakteur/Medien-Portal/broschueren/pdf/en/ENERCON_Produkt_en_06_2015.pdf (14.04.2021).