Technik

Die ENERCON Windenergieanlage E-138 EP3 ist eine direktgetriebene Windenergieanlage mit Dreiblattrotor, aktiver Blattverstellung (Pitchregelung), drehzahlvariabler Betriebsweise und einer Nennleistung von 3500 Kilowatt (kW). Sie hat einen Rotordurchmesser von 138,6 m und eine Nabenhöhen von 160 m; die Gesamthöhe beträgt demnach 229 m.

Die Details eines Windrades

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Rotorblatt

Die Rotorblätter der E-138 EP3 sind jeweils ca. 67 Meter lang und wiegen ca. 18,5 Tonnen. Seit kurzem sind alle Rotorblätter mit sogenannten „Trailing Edge Serrations“ versehen. Diese Hinterkantenkämme sorgen für eine Beruhigung der vom Rotorblatt abgehenden Luftströmung und verringern damit die Geräuschentwicklung. Die Rotorblätter können mit einer Blattheizung ausgestattet werden. In der kalten Jahreszeit sorgt diese dafür, dass sich kein Eis auf den Rotorblättern ansetzt. Die Blätter bestehen aus glasfaserverstärkten Kunststoffen und verfügen über einen integrierten Blitzschutz. Der Rotor dreht sich 5 bis maximal 10,8 Mal pro Minute im Uhrzeigersinn. Weht der Wind stärker als 22 Meter pro Sekunde (m/s) wird die Anlage stufenweise gedrosselt. Ab 28 m/s Windgeschwindigkeit greift die Sturmregelung, d.h. die Anlage wird aus dem Wind gedreht.

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Rotor

Der Rotor läuft bei einer Windgeschwindigkeit von 1,8 m/s (schwaches Lüftchen, allerdings in 150 m Höhe) an. Ab einer Windgeschwindigkeit von >2,5 m/s bzw. ab 5 U/min beginnt die Anlage mit der Stromproduktion. Die Anlage produziert ab ungefähr 5 m/s eine Leistung von etwa 248 kW. Ab ca. 12,6 m/s (ca. 43 km/h in 150 m Höhe, kräftiger Wind) erreicht die Anlage ihre volle Leistungsfähigkeit von 3.500 kW und dreht sich dann mit 10,8 Umdrehungen pro Minute (Solldrehzahl). Bis 22 m/s (ca. 80 km/h, Sturm) läuft die Anlage unter Volllast. Wird der Wind stärker, drehen sich die Rotorblätter aus dem Wind und die Leistung der Anlage wird reduziert. Wird ein Wert von mehr als 34 m/s (122 km/h, Orkan) erreicht, schaltet die Anlage aus Sicherheitsgründen komplett ab. Die Flügel werden aus dem Wind gedreht. Die Anlage besitzt ein Eiserkennungssystem, mit dem schon der geringste Eisansatz erkannt wird. Bei Eisansatz wird der Rotor angehalten und eine im Rotorblatt eingebaute Heizung sorgt dafür, dass das Eis schmilzt und langsam vom Flügel auf den Boden gleitet.

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Mess- und Monitoringinstrumente

Im und am Maschinenhaus sitzen eine Reihe von Mess- und Monitoringinstrumenten. So wird nicht nur durchgehend die aktuelle Windgeschwindigkeit gemessen, sondern auch Windrichtung, Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Unter anderem stellen Lichtsensoren fest, ob die Anlage einen Schatten wirft. Es wird automatisch berechnet, ob an einem nahegelegenen Wohnhaus ein kritischer Schattenwurf durch die Anlage entsteht. Wird ein bestimmter Grenzwert überschritten, schaltet die Anlage ab. In der Anlage sind auch Einrichtungen zum Fledermaus-Monitoring angebracht, welche die Flugaktivitäten von Fledermäusen um die Anlage laufend feststellen. In kritischen Zeiten (in der Zeit zwischen dem 1. April bis zum 31. August ab einer Stunde vor Sonnenuntergang bis Sonnenaufgang sowie zwischen dem 1. September und 31. Oktober ab drei Stunden vor Sonnenuntergang bis Sonnenaufgang bei einer Windgeschwindigkeit unter 6 m/s und einer Temperatur unter 10°C), müssen die Anlagen zum Schutz der Fledermäuse abgestellt werden.

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Aufbau des Windrads

Für den Aufbau der Windenergieanlagen wird ein mobiler Raupenkran benötigt. Dieser wird in Einzelteilen auf die Baustelle transportiert. Der Kranausleger dieses Raupenkrans ist 175 Meter lang. Er kann maximal 650 Tonnen heben. Wenn das Fundament gegossen ist, wird zunächst der Betonteil des Turms, auf den dann die Stahlsektionen aufgesetzt werden, aufgebaut. Dann werden die Stahlsektion, die Betonsegmente und das Fundament mit Spannlitzen verspannt. Anschließend wird das Maschinenhaus mit dem Generator auf die Turmhöhe von 157 Metern gehoben und dort montiert. An die Nabe des Maschinenhauses werden die zusammengebauten Rotorflügel angeschraubt. Drei Teams mit jeweils etwa zehn Mann wickeln den Aufbau ab und benötigen für den oben geschilderten Prozess etwa 12 Wochen. Nach weiteren vier Wochen für den Netzanschluss und Test-Prozeduren kann die Anlage in Betrieb gehen.

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Der Turm

Im Inneren des Turmes gibt es eine Aufstiegshilfe bis zur Gondel sowie Wechselrichter und die Steuerungseinheiten am Fuß des Turms. Eine E-138 EP3 ist – bis zur Flügelspitze – mit 229 Meter etwa 12 Meter höher als der Stuttgarter Fernsehturm. Die Höhe ist in der Wirtschaftlichkeit der Windenergieanlagen begründet. Damit die Windenergieanlagen möglichst wirtschaftlich laufen, müssen sie einen möglichst konstanten und nicht verwirbelten Wind bekommen. Je höher die Anlagen sind, umso besser sind diese Windverhältnisse.

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Höhenvergleich

Eine E-138 EP3 ist – bis zur Flügelspitze – mit ca. 229 Meter etwa 12 Meter höher als der Stuttgarter Fernsehturm. Die Höhe ist in der Wirtschaftlichkeit der Windenergieanlagen begründet. Damit die Windenergieanlagen möglichst wirtschaftlich laufen, müssen sie einen möglichst konstanten und nicht verwirbelten Wind bekommen. Je höher die Anlagen sind, umso besser sind diese Windverhältnisse.

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Aufwändige Transporte

Um ein Windrad vom Typ E-138 EP3 zu transportieren, sind bis zu 51 Lkw-Transporte nötig. Dazu kommen maximal 70 Schwerlastfahrten für den großen Gittermastkran. Mehrere Monate lang werden die Transfers logistisch vorbereitet und minutiös geplant. Hindernisse in Ortschaften, Höhenbeschränkungen und Kurvenradien werden genau begutachtet, Autobahnparkplätze werden falls notwendig für solche Transporte gesperrt. Für 95 Prozent der Komponenten sind Ausnahmegenehmigungen erforderlich. Sämtliche großen Anlagenteile werden auf speziell eingerichtete Logistikflächen angeliefert und auf Sonderfahrzeuge, beispielsweise Selbstfahrer-Module und Semi-Fahrzeuge, umgeladen, um den Ausbau der Zuwegungen in die Windparks und damit den Eingriff in den Wald so gering wie möglich zu halten. Die Zuwegungen müssen auf eine Breite von ca. 4 Meter ausgebaut werden und an Steigungen über 10 Prozent aus Sicherheitsgründen (Gefahr des Rutschens der Schwertransporte auf Schotterwegen) asphaltiert werden.

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Natur- und Artenschutz

Im Vorfeld der Genehmigung muss der Investor Gutachten zum Eingriff in die Natur und zu möglichen Beeinträchtigungen von Vögeln und anderen windkraftrelevanten Tieren vorlegen. Wird eine Beeinträchtigung festgestellt, muss der Investor für Ausgleich sorgen. So müssen entweder Alternativflächen aufgewertet oder konkret Geld bezahlt werden.

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Kabeltrasse

Um den erzeugten Windstrom ins deutsche Stromnetz zu bringen, wird der Generatorstrom der Windenergieanlagen transformiert und über ein Kabel zur nächsten Umspannstation geführt. Der Kabelgraben hat eine Breite von 40 cm und eine Tiefe von maximal 1 m. In diesem Graben liegen drei Stromkabel (Drehstrom) mit einem Querschnitt von mindestens 630 mm², ein Glasfaserkabel für die Datenanbindung sowie optionale Leerrohre. Nach Ende der Betriebsdauer der Anlage (20 – 25 Jahren) müssen auch sämtliche Kabel entfernt werden.

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Fundament

Das Fundament hat einen Durchmesser von ca. 22 m. Im Fundament werden rund 130 Tonnen Stahl verbaut. 220 Betonfahrzeuge müssen innerhalb eines Tages anfahren, um das Fundament zu gießen. Beim vorgeschriebenen Rückbau der Anlagen werden auch die Fundamente wieder komplett entfernt.

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Nebenflächen

Knapp 40 Prozent der gerodeten Flächen werden als Nebenflächen für die Lagerung von Anlagenteilen in der Bauphase verwendet. Diese Flächen werden direkt nach Fertigstellung der Anlagen wieder renaturiert und aufgeforstet.

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Gondel

Im etwa 400 Tonnen schweren Maschinenhaus befindet sich direkt hinter der Nabe (dort wo die Rotorflügel angebracht sind) der Ringgenerator, der die Drehbewegung in Elektrizität umwandelt. Da ENERCON-Windenergieanlagen kein Hauptgetriebe benötigen, können erhebliche Mengen an Getriebeöl eingespart werden, welches zu einer Verminderung der Brandlasten führt. Der Verzicht auf ein Hauptgetriebe erhöht außerdem die Langlebigkeit von Komponenten und reduziert den Wartungsaufwand sowie eventuelle Reparaturarbeiten. Sensoren messen ständig an verschiedenen Punkten die Temperatur im Generator, um eine Überhitzung zu verhindern. Stellgetriebe drehen die Rotorflügel abhängig von der Windrichtung in die optimale Richtung. Steht die Windenergieanlage oder wird sie absichtlich angehalten, gibt es Bremsen, die das Weiterdrehen des Rotors blockieren. Das Maschinenhaus, an dem die Rotorblätter befestigt sind, hat eine Länge von ca. 14 Metern und einen Durchmesser von rund 9 Metern.

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Flächenbedarf

Um eine Windenergieanlage des Typs E-138 EP3 aufstellen zu können, wird eine Fläche von ca. 5.500 m² gerodet, also ca. zwei Drittel eines Fußballfeldes. Die Gesamtfläche wird eingeebnet. Ca. 3.200 m² dieser Fläche werden direkt nach der Bauphase wieder renaturiert und aufgeforstet. Als Ausgleich für den Eingriff in die Natur und die Artenvielfalt müssen Wald und andere Naturschutzmaßnahmen als Ausgleichsmaßnahmen zur Verfügung gestellt werden.

Illustration: Christian Eisenberg

Technische Daten im Überblick

Nennleistung 3.500 kW
Rotordurchmesser 138,6 m
Nabenhöhe in Meter 160
Windklasse (IEC) IIIA
Anlagenkonzept getriebelos, variable Drehzahl, Vollumrichter