Technik für den Ökostrom von morgen

Elektrotechnische Komplettlösungen für Offshore-Windparks

Um Offshore-Windparks aus elektrotechnischer Sicht richtig und kostengünstig bauen zu können, reicht es nicht aus, verschiedene Einzelkomponenten miteinander zu kombinieren. Vielmehr muss die gesamte Kette des Energieflusses, vom Generator bis zum Netzanschlusspunkt optimiert werden.

22. Juli 2003

Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) hat in Deutschland gute Voraussetzungen für Investitionen geschaffen. Neben einer stark wachsenden Zahl von Windenergieanlagen (WEA) führte das auch zu effektiveren Anlagen mit variablen Drehzahlen und zu Einheitsleistungen bis zu 5 MW. Weil aber an Land der Platz für Windparks knapp wird, sollen vor der Küste von Nord- und Ostsee innerhalb der nächsten 25 Jahre rund 25.000 MW aus Offshore-Windparks erzeugt werden.

Bevor jedoch ein Offshore-Windpark genehmigt wird, müssen die Belange verschiedener Institutionen wie des Naturschutzes, des Militärs, der Fischerei oder der Schifffahrt berücksichtigt werden. Andererseits sollten die zulässigen Wassertiefen wegen der Fundamentkonstruktionen 30 m nicht überschreiten. Diese Bedingungen führen dazu, dass die Entfernungen zwischen einem Offshore-Windpark und dem Netzanschlusspunkt bis zu 150 km betragen können.

Ein anderer wichtiger Gesichtspunkt ist die Aufnahmefähigkeit der Stromnetze, an die Offshore-Windparks angeschlossen werden. Die küstennahen Netze wurden bisher ausgelegt, um den relativ dünn besiedelten Küstenstreifen mit Strom zu versorgen. Nun müssen aber große Energieströme ins Binnenland geleitet werden. Dazu sind die entsprechende Verstärkung der vorhandenen Netze und zusätzliche leistungsstarke Energietrassen bis hin zu den industriellen Ballungsgebieten zu schaffen - ein in sich geschlossenes technisches Konzept ist nötig, das über einen Zeitraum von mehr als 20 Jahren funktioniert. Die damit verbundenen Aufgaben für den Ausrüster lassen sich leichter lösen, wenn schon in Teilbereichen erprobte technische Lösungen vorhanden sind.

Die elektrischen Ausrüstungen für Offshore-Windparks gliedern sich in folgende Teilbereiche:

- Generator-/Umrichtersysteme innerhalb der Windenergieanlage

- lokales Netzwerk innerhalb des Windparks (offshore)

- Energieübertragungssystem an die Küste

- Netzanbindung ans Verbundnetz

Wegen des hohen leistungsunabhängigen Fixkostenanteils bei Offshore-Windkraftanlagen sind Anwender an großen Einheitsleistungen interessiert. Um dieses zu erreichen gibt es verschiedene Lösungsmöglichkeiten.

Die Generatoren können entweder Synchronmaschinen mit konventioneller Polradwicklung oder mit Permanentmagneterregung oder Asynchronmaschinen mit Schleifringläufer sein. Windenergieanlagen mit variabler Drehzahl benötigen zusätzlich zwischen Generator und Netz Umrichter mit entsprechender Leistungs- und Regelelektronik, die mit dem Netztransformator und der Mittelspannungsschaltanlage im Turm oder in einem Container außerhalb des Turms auf einer Konsole angeordnet werden kann. Für die vorgesehenen 5-MW-WEA eignen sich Synchrongeneratoren mit Vollumrichter oder doppeltgespeiste Asynchrongeneratoren mit Schleifringen und Teilumrichter im Läuferkreis.

Um die gegenseitige aerodynamische Beeinflussung der Windkraftanlagen zu minimieren, werden die Abstände untereinander rund 700 m betragen. Daraus folgt ein Flächenbedarf von etwa 40 km² für 100 Anlagen je 5 MW. Zur Bündelung der elektrischen Leistung muss ein lokales Drehstrom-Netzwerk aufgebaut werden, das wegen der großen räumlichen Ausdehnung auf 36-kV-Spannungslevel basiert. Jede Windkraftanlage liefert die Leistung über einen eigenen Transformator und eine 36-kV-Schaltanlage ins lokale Netzwerk.

Bisher ausgeführte und auch die geplanten Systeme arbeiten mit der erprobten Hochspannungs-Drehstromtechnik. Diese Technik zeichnet sich durch robuste passive Baugruppen, wie Transformatoren, Drosselspulen, Unterwasserkabel und gekapselte Schaltanlagen aus. Allerdings ist die Übertragungskapazität des bisher größten dreiadrigen Seekabels auf 200 MW bei 132 kV begrenzt, größere Übertragungsleistungen erfordern Parallelkabel.

Das Verfahren der Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) ermöglicht größere Übertragungskapazitäten und Transportdistanzen. Zweiadrige Seekabel für Gleichstromübertragung erlauben Betriebsspannungen bis 800 kV, was eine Übertragungskapazität von 600 bis 800 MW pro Kabel ermöglicht. Zusatzmaßnahmen zur Blindleistungsbereitstellung und für die Eigenbedarfsleistung des Windparks sind dann allerdings erforderlich. Hierzu kann ein parallel geführtes Drehstromkabel genutzt werden, das ohnehin für die Pilotphase des Offshore-Windparks benötigt wird.

Eine besondere Herausforderung für Planer und Hersteller von HGÜ-Anlagen und für konventionelle Hochspannungs-Drehstrom-Übertragungssysteme auf See ergibt sich aus den Umweltbedingungen. Die Anlagen müssen mindestens 20 Jahre den Stürmen, Temperaturschwankungen, Wellen, Strömungen und der salzhaltigen Luft widerstehen. Die elektrischen Anlagen sind deshalb weitestgehend in Gebäuden zu installieren. Alstom hat hierzu Studien erarbeitet. Während die Leistungs- und Regelelektronik sowie Filter- und Schaltanlagen im Innern des Gebäudes aufgestellt sind, stehen die Stromrichtertransformatoren im Freien.

Es sind auch schwimmende Konstruktionen oder Stationen denkbar, die auf Aufschüttungen im Flachwasserbereich der Küstenbereiche stationiert sind. Wichtige Voraussetzungen für eine definierte hohe Verfügbarkeit für jeden Windpark ist ein wirksames und bezahlbares Instandhaltungskonzept. Dazu gehören unter anderem eine Fernüberwachung und eine Fehlerfrüherkennung zur vorbeugenden Wartung.

Aufgrund der großen Leistungen, die in den nächsten Jahren aus den Offshore-Windparks der Nord- und Ostsee angeboten werden, ergeben sich hohe Anforderungen an das 400/220-kV-Verbundnetz, das erheblich ausgebaut werden muss. Auch eine Verlängerung der HGÜ Leitung in die industriellen Ballungsgebiete kann je nach örtlichen Gegebenheiten eine Option sein. In jedem Fall sind aber leistungsstarke Landstationen erforderlich.

Erschienen in Ausgabe: 04/2003