Woraus ergibt sich die Leistungsabgabe von Windkraftanlagen und wie lässt sie sich steigern?

Die Leistungsabgabe einer Windkraftanlage ist die Menge der elektrischen Energie, die von ihr erzeugt wird. Diese Menge der mit einer Windkraftanlage erzeugten erneuerbaren Energie wird in der Regel in Megawatt (MW) gemessen. Mehrere Faktoren beeinflussen die Leistungsabgabe einer Windkraftanlage, darunter die Windgeschwindigkeit, die Luftdichte, die Geometrie der Rotorblätter und der Wirkungsgrad der Turbinenkomponenten.

Die Leistungsabgabe einer Windkraftanlage kann mit der folgenden Formel berechnet werden: P = 0,5 * ρ * A * Cp * v3, wobei P die Leistung in Watt ist, ρ ist die Dichte der Luft (in kg/m3), A ist die abgedeckte Fläche in Quadratmetern (berechnet mit pi*R² oder πR² wobei R die Rotorblattlänge ist), Cp ist der Leistungskoeffizient und v die Windgeschwindigkeit in Metern/Sekunde).

Die Leistungsabgabe einer Windkraftanlage kann stark schwanken. Ein Leistungsbereich von 2 bis 5 Megawatt (MW) ist jedoch typisch für Onshore-Turbinen, und bei Offshore-Turbinen liegt er oft zwischen 8 und 12 MW, wobei heute einige Turbinen der neuen Generation bereits bis zu 26 MW erreichen. 


Wenn eine Windkraftanlage erst einmal an ihrem endgültigen Standort errichtet wurde und nach der Inbetriebnahme läuft, kann die Leistung im Wesentlichen nur noch durch umfangreiche Nachrüstung der Hardware gesteigert werden. Für viele Betreiber stellt dies ein langwieriges, schwieriges und auch teures Unterfangen dar. Mitunter fehlt es an Ressourcen für solche Bemühungen und an der notwendigen Erfahrung, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Glücklicherweise kann der Einsatz moderner, fortschrittlicher Steuerungsstrategien die Leistung einer Windkraftanlage verbessern, ohne dass dabei mechanische Komponenten verändert werden müssen. So ist eine solche Umstellung sowohl hocheffektiv als auch kosteneffizient möglich.

Die Verbesserung des Anlagenwirkungsgrads führt oft zu einer Steigerung der Energieabgabe, da mehr Windenergie in Strom umgewandelt wird. Im Folgenden werden vor allem Möglichkeiten zur Steigerung der jährlichen Energieerzeugung (AEP) durch maßgeschneiderte, moderne Steuerungstechnologien erörtert.

Moderne Steuerungslösung – Power Boost
- Der Power Boost-Algorithmus verbessert den Anfang des Nennbereichs der Leistungskurve durch Erhöhen des Leistungssollwerts beim Verlassen des Bereichs unter dem Nennwert. Der kurzzeitige Boost erhöht die AEP bei jedem Übergang um einige Zehntelprozent, was bei stärkerem Wind mehr zum Tragen kommt. Dabei ist zu betonen, dass mit der Verwendung dieser ausgefeilten Steuerungsfunktion keine signifikanten Nachteile verbunden sind.

Moderne Steuerungslösung – Power Uprate
Die Lösung Power Uprate wurde entwickelt, um die Leistungsabgabe von Windkraftanlagen durch zwei unterschiedliche Ansätze zu verbessern: Maximiertes Uprate und Ausgewogenes Uprate. Beide Methoden zielen auf die Erhöhung der jährlichen Energieerzeugung ab. Jede für sich geht mit spezifischen Überlegungen und Nachteilen einher. Ein wesentliches Merkmal dieser Option ist die Möglichkeit, diese Funktion manuell oder automatisch zu aktivieren, wenn es beispielsweise unter bestimmten Markt- und/oder Betriebsbedingungen ideal ist, für höheren Ertrag einen stärkeren mechanischen Verschleiß in Kauf zu nehmen. Dabei ist zu beachten, dass zur Bewältigung der Leistungssteigerung jeweils zusätzliche elektrische Hilfskapazität erforderlich sein kann. 

Maximiertes Uprate Die Lösung Maximiertes Uprate ermöglicht, in Abhängigkeit von der Temperatur kritischer Komponenten, eine signifikante Steigerung der Leistungsabgabe, indem der Betrieb bei allen Windgeschwindigkeiten oberhalb von der Nennleistungskurve erfolgt. Um die höhere Leistung zu erzielen, erfordert diese Methode eine mechanische wie auch elektrische Mehrbelastung. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht in einer potenziell erheblichen Erlössteigerung, da die AEP je nach Uprate-Level und Standortbedingungen um bis zu 7 % gesteigert werden kann. Diese Methode kann jedoch aufgrund des erhöhten Verschleißes im Betrieb die Gesamtlebensdauer der Turbine verkürzen. Ausgewogenes Uprate Die Lösung Ausgewogenes Uprate hat ebenfalls eine Steigerung der Leistungsabgabe zum Ziel, allerdings unter Berücksichtigung der vorherrschenden Windgeschwindigkeiten und Komponententemperaturen. Wie beim Maximierten Uprate wird die Anlage mit diesem Algorithmus oberhalb von der Nennleistungskurve gefahren, dies jedoch nur in einem ausgewählten Windgeschwindigkeitsbereich. Daher ergeben sich hierbei nicht die gleichen mechanischen Mehrbelastungen wie beim Maximierten Uprate. Abhängig vom Uprate-Level und den Standortbedingungen beträgt die potenzielle Umsatzsteigerung mit dem Ausgewogenen Uprate bis zu 2,5 % der AEP.

Fortschrittliche Steuerungslösung – Extended Cut-out
Die Lösung Extended Cut-out wurde entwickelt, um den Betriebsbereich von Windturbinen dadurch zu vergrößern, dass sie auch bei Windgeschwindigkeiten über der normalen Cut-out-Schwelle weiter betrieben werden können. Dies wird durch Absenkung der Leistungskurve in Bereiche jenseits der normalen Cut-out-Geschwindigkeit erreicht. Hierbei wird die Anlage bei starkem Wind allmählich heruntergeregelt, um die Turbine vor möglichen Schäden zu schützen und gleichzeitig den Betrieb auch über der vorherigen Cut-Out-Windgeschwindigkeit fortzusetzen.

Einer der Hauptvorteile der Leistungsherabsetzung besteht darin, dass sie abrupte Cut-outs verhindert und so die Netzstabilität erheblich verbessert. Dieser sanftere Übergang reduziert den Verschleiß an den Hauptkomponenten, da es bei hohen Windgeschwindigkeiten zu weniger Stopps und Starts kommt. Folglich führt dies zu stabilerer und zuverlässigerer Leistungsabgabe.

Darüber hinaus kann die Funktion Extended Cut-out zu erhöhtem Umsatz führen, insbesondere an Starkwindstandorten, wo die Windgeschwindigkeiten häufig über den normalen Cut-out-Grenzwerten liegen. Durch die Vergrößerung des Betriebsbereichs können die Windkraftanlagen mehr Energie gewinnen und so die jährliche Energieproduktion steigern.

Es ist jedoch wichtig zu berücksichtigen, dass mit diesem Ansatz ein Nachteil verbunden ist. Längerer Betrieb bei höheren Windgeschwindigkeiten führt zu einer zusätzlichen Belastung der Komponenten, was wiederum zu einer Verkürzung der Gesamtlebensdauer der Windkraftanlage führen kann.

Selbstkalibrierende Giersteuerung
Algorithmen für die selbstkalibrierende Giersteuerung sind so konzipiert, dass sie ständig die statische Gierfehlausrichtungen erkennen und korrigieren und die Leistung der Turbine verbessern, indem sie sicherstellen, dass die Gondel im Wind steht. Diese Algorithmen nutzen maschinelles Lernen und benötigen nach der Installation in der Regel eine kurze Phase für die automatische Kalibrierung. Bei Veränderungen oder Verschlechterungen der Windfahne oder der Gierkalibrierung justiert sich das System automatisch selbsttätig neu. Dies ermöglicht eine präzise Ausrichtung des Rotors und verbessert die Leistungsabgabe des Generators. So kann die jährliche Energieerzeugung um 3 bis 5 % gesteigert werden.

Automatische Rotorunwuchtkorrektur
Fortschrittliche Steuerungssysteme in modernen Windkraftanlagen verfügen über Algorithmen zur Erkennung von Rotorunwuchten, mit denen Fehlausrichtungen zwischen den Rotoblättern erkannt und korrigiert werden können. Wird eine Fehlausrichtung des Blattwinkels erkannt, passt das System die Sollwerte für den Blattwinkel autonom an, um die korrekte Ausrichtung der Rotorblätter zu gewährleisten. Diese Technologie steigert nicht nur die jährliche Energieerzeugung um bis zu 0,7 %, sondern verringert auch die Belastung der Rotoren und damit die Materialermüdung.

Anpassung der Turbinenleistung an den Betriebsbedarf
Fortschrittliche Steuerungslösungen wie Power Boost, Power-Uprate und Extended Cut-out können zusammen mit geeigneten Effizienzstrategien die jährliche Energieerzeugung bei minimaler Zunahme der Belastung erheblich steigern.

Emerson bietet eine Reihe von maßgeschneiderten Lösungen für die Nachrüstung von Windkraftanlagen, mit denen die Leistungsabgabe der Windkraftanlage entsprechend Ihren spezifischen Betriebsanforderungen verbessert werden kann.