Offshore Stromerzeugung
Wie funktioniert ein Offshore-Windpark?
Die wichtigsten Infos zum Thema Offshore-Stromerzeugung kurzgefasst
Nach einer Entscheidung des Bundesverwaltungsgerichts von Juni 2004 gilt in Deutschland eine Konzentration von wenigstens drei Windenergieanlagen (WEA) genehmigungsrechtlich als Windpark.
Die Turbine
In der Turbine einer Windenergieanlage passiert die eigentliche Stromerzeugung. Der Wind setzt die Rotorblätter des Windrades nach dem Auftriebprinzip in Bewegung. Diese kinetische Energie wandelt der Generator in der Gondel in elektrische Energie um. Windenergieanlagen benötigen zum Anlaufen eine Windgeschwindigkeit von mindestens vier bis fünf Metern pro Sekunde. Je größer die Windgeschwindigkeit ist, desto mehr Energie kann erzeugt werden. Die drei Rotorblätter bewirken eine gleichmäßige Lastenverteilung und einen ruhigen Lauf.
Das Innenleben: Rotor, Generator und Sensoren
Rotor und Gondel sind die Herzstücke eines Windrades. Der Rotor ist mit der Hauptwelle in der Gondel verbunden. Ein Getriebe überträgt die Drehbewegung (mechanische Energie) auf eine Hochgeschwindigkeitswelle (von 18 bis 50 auf 1500 Umdrehungen pro Minute). An dieser ist ein Magnet befestigt, der im Inneren des Generators zwischen vielen Spulen aus leitfähigem Draht rotiert. Durch elektromagnetische Induktion entsteht so Strom. Bei Windgeneratoren ohne Getriebe überträgt die Nabe die mechanische Energie direkt an den Generator. Hier liegt der Vorteil in der geringeren Anzahl an sich drehenden Bauteilen, wodurch weniger technische Belastung entsteht und sich die Lebensdauer der Anlage erhöht. Bei Anlagen mit Getriebe sorgt eine Bremse für eine längere Lebensdauer. Sie beugt Schäden vor, da sie die Leistungsaufnahme des Generators reguliert.
Bei Windgeneratoren werden Asynchron- oder Synchrongeneratoren eingesetzt. Moderne Windräder verwenden Asynchrongeneratoren, deren Drehzahl bei starker und niedriger Windgeschwindigkeit konstant auf zwei Stufen eingestellt ist. Sie sind günstig, robust und wartungsarm. Außerdem sind sie wegen ihrer starren Drehzahl mit dem Stromnetz einfach zu verbinden. Synchrongeneratoren hingegen haben keine bestimmte Drehzahl.
Damit der vom Generator erzeugte Strom in das Netz eingespeist werden kann, sorgt ein Umrichter für die Anpassung an die Netzfrequenz von 50 Hertz. Er verwandelt Wechselstrom in Gleichstrom mit festem Spannungswert. Das ist notwendig, da die Frequenz des erzeugten Stroms abhängig von der jeweiligen Windstärke variiert.
Sensoren auf und in der Gondel fungieren als Messinstrumente und erfassen laufend Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Rotordrehzahl, Drehzahl des Generators, Temperatur der Umgebung und weiterer Komponenten. Mit diesen Daten wird die Anlage gesteuert. So kann sich die Rotornabe nach dem Windstrom ausrichten und für eine optimale Auslastung des Windgenerators sorgen. Bei zu großen oder zu geringen Windgeschwindigkeiten schaltet die Regelelektronik die Anlage ab.
Wie kommt der Strom an Land?
Um die Energie vom Meer in das deutsche Netz einzuspeisen, wird der Strom aller Windenergieanlagen eines Parks an einer Umspannplattform gesammelt und in der Regel auf 320 oder 525 kV – entsprechend des Spannungsbereichs des Übertragungsnetzes – hoch transformiert. Wie die Energie dann an Land kommt, hängt von der Entfernung zur Küste ab.
Liegt ein Windpark nah an der Küste, führt ein Seekabel den Strom zum nächsten Netzknotenpunkt an Land. Die Elektrizität wird hier über Wechselstromleitungen und mit niedrigerer Spannung (220 kV) übertragen. Das ist zum Beispiel bei allen Offshore-Windparks in der Ostsee der Fall, da die Parks hier näher an der Küste gebaut sind.
In der Nordsee verhält es sich anders, hier werden die Parks über Cluster an das Übertragungsnetz angebunden. Dazu wird der Strom aus den Windparks zunächst jeweils an einer Umspannplattform gesammelt. Die einzelnen Umspannplattformen transformieren den Strom dann auf Hochspannungsniveau und leiten ihn zur Konverterplattform. Die richtet den Wechsel- in Gleichstrom um. Der Gleichstrom fließt dann in der Regel mit 320 kV über eine Hochspannungsleitung an Land. Bei dieser Leitung spricht man auch von der Hochspannungs-Gleichstromübertagung (HGÜ). An Land wird der Strom wiederum von einer Konverterstation in Wechselstrom zurücktransformiert, anschließend von der Umspannplattform heruntergespannt und in das allgemeine Versorgungsnetz eingespeist. Grundsätzlich fallen durch hohe Spannungen und Gleichstromübertragung bei großer Entfernung weniger Verluste an.