Generatoren für die Windkraftindustrie

Die Windkraft nimmt weltweit einen immer höheren Stellenwert bei der Energieerzeugung ein. Vor allem deutsche Unternehmen haben bei dieser Technologie die Nase vorn. Die durchschnittliche Exportquote bei Windkraftanlagen beträgt immerhin mehr als 80 Prozent. Zu dieser rasanten Entwicklung hat die VEM-Gruppe mit Windkraftgeneratoren, Azimutgetrieben und Gusserzeugnissen entscheidend beigetragen. Das VEM Sachsenwerk ist einer der führenden Anbieter für Anlagen, die im oberen Leistungsbereich betrieben werden. Ob REpower, NORDEX oder GE-Wind – die bedeutendsten Anlagenhersteller setzen die Qualitätsprodukte aus Dresden ein. 2009 wurde bereits der fünftausendste Windkraftgenerator ausgeliefert!

Die VEM-Gruppe liefert außer den großen Generatoren auch Azimutgetriebe, Niederspannungsmaschinen für die Lastenauf­züge, Wärmetauscher und Kühler sowie Hydraulikanlagen.
Im Antriebsstrang einer Windkraftanlage spielt der Generator eine ganz entscheidende Rolle. Die gro­ßen Rotorblätter der Anlage wandeln die Strömungs­energie des Windes in eine Drehbewegung von 6 bis 15 Umdrehungen pro Minute um. Da bei diesen niedrigen Drehzahlen Generatoren nicht direkt ins Stromnetz gekoppelt werden können, ist dem Generator ein Planetengetriebe vorgelagert, das die Drehzahl von den ca. 15 auf ca. 1.500 Um­drehungen pro Minute übersetzt.

Der Generator selbst ist ein Energiewandler. Er wandelt die Bewegungsenergie des windgetriebenen Rotors in elektrische Energie um, die direkt ins Stromnetz gespeist werden kann. Technisch gesehen ist der Generator identisch mit einem Elektromotor, der umgekehrt elektrische Energie in Bewegungsenergie umwandelt.
In Windkraftanlagen werden zwei Grundtypen von Generatoren eingesetzt. Ein Synchrongenerator besteht wie sein Pendant, der Asynchrongenerator, aus zwei Hauptkomponenten: einem feststehenden Ständer (Stator), gefertigt aus Spulen und dünnen Stahlblechen, in denen ein magnetisches Drehfeld erzeugt wird, und einem Läufer (auch Rotor oder Anker genannt), der auf einer kugelgelagerten Welle montiert ist. Der Läufer kann entweder mit Permanent- oder Elektromagneten erregt werden.
Die Frequenz der gewonnenen elektrischen Energie muss in der Regel vor der Einspeisung dem Stromnetz angepasst werden. Bei einem mit grundsätzlich variabler Drehzahl arbeitendem Synchrongenerator stehen dazu unter anderem folgende Möglichkeiten zur Verfügung:
Dem Generator ist ein Umrichter nachgeschaltet, der die Elektrizität an die Netzfrequenz anpasst.
Die variable Drehzahl des Rotors wird über eine hydrodynamische Getriebestufe entsprechend angepasst. In diesem Fall ist der Generator direkt mit dem Netz gekoppelt.
Früher wurden häufig Asynchrongeneratoren in Windkraftanlagen eingesetzt. Ende der 1990er Jahre kam mit dem doppelt gespeisten Asynchrongenerator ein neues Konzept auf den Markt. Er ermöglicht im Gegensatz zu einem herkömmlichen Asynchrongenerator einen Betrieb mit variabler Drehzahl. Sein Ständer ist direkt mit dem Netz verbunden. Außerdem ist sein ebenfalls aus Spulen bestehender Läuferkreis über Schleifringe und einen Frequenzumrichter an das Netz gekoppelt. Somit ist ein Betrieb mit variabler Drehzahl möglich. Ein Vorteil dabei ist, dass nur der kleinere Teil der Leistung über den Umrichter eingespeist wird, der damit vergleichsweise klein und kostengünstig ist.
VEM entwickelt und fertigt Windkraftgeneratoren von 1,5 bis 6,0 MW. Sie alle werden grundsätzlich nach Kundenspezifikation entworfen und gebaut. Waren in den letzten Jahren überwiegend Asynchrongeneratoren gefragt, werden in Zukunft Synchrongeneratoren, die eine konstantere Frequenz und Spannung liefern, einen erheblichen Marktanteil haben. Mit ihnen können die verschärften Anschlussbedingungen an die jeweiligen Stromnetze technisch noch besser beherrscht werden. Doch unabhängig von ihrer Bauart ist die hohe Ausnutzung der Energie durch elektromagnetische Optimierung bei geringem Einbauvolumen kennzeichnend für die Generatoren aus Sachsen.

Komponenten aus dem Sachsenwerk bewähren sich im weltweiten Einsatz. Sie arbeiten in Windenergieanlagen in der Nordsee oder der Irischen See, in der trockenen und kalten chinesischen Wüste Gobi oder in subtropischen Gefilden in Japan. Sie sind dabei, je nach Standort, extremsten Umweltbedingungen ausgesetzt. Besonders Offshore-Anlagen müssen wegen ihres mindestens 40 Kilometer von der Küste entfernten Standortes sehr zuverlässig arbeiten. Der Wartungsaufwand darf nur gering sein. Diese Anforderungen der Kunden erfüllen VEM-Generatoren – dank der langjährigen Erfahrungen der Firma im Offshore-Geschäft und mit Hilfe ihres trainierten und zertifizierten Personals. Der 2004 errichtete Windpark Arklow vor der irischen Küste ist eines ihrer Referenzobjekte. Er ist mit sieben Generatoren, die eine Gesamtleistung von 25,2 MW erbringen, die erste Anlage, die alle Offshore-Bedingungen erfüllt. Allein für die Offshore-Windparks Talisman vor der schottischen, Thornten Bank vor der belgischen und Alpha Ventus vor der deutschen Küste hat das VEM-Unternehmen Generatoren mit einer Gesamtleistung von 100 MW geliefert.

Generatoren sollen ständig Strom produzieren. Die produzierte Strommenge variiert je nach Windverhältnissen. Schwankende Windstärken und Umgebungstemperaturen haben dadurch einen deutlichen Einfluss auf die Belastungen und Temperaturen der Wälzlager und deren Schmierung, die mit Schmierfett erfolgt. Der Rotor eines Generators ist zwischen zwei Pendelrollenlagern gelagert. Jeder einzelne Wälzkörper des Lagers, das bis zu 90 Wälzkörper enthält, kann 3 kg wiegen. Im Vergleich mit den 18 Tonnen, die ein Generator einer 6 MW-Off-Shore Anlage wiegt, sind aber die Lager geradezu Leichtgewichte. Ein Lager, das für Generatorwellen von ca. 500 mm Durchmesser ausgelegt ist, wird mit etwa 1.000 g Schmierfett befüllt. Bei der Fettauswahl kommt es nicht nur auf gute allgemeine Schmiereigenschaften an. Das Fett muss bei extrem tiefen Temperaturen von -40 °C einen leichten Start gewährleisten. Gleichzeitig muss es aber auch bei Lagertemperaturen von über 100 °C noch über ausreichende Alterungsstabilität verfügen. Außerdem ist eine extrem gute Walkstabilität gefragt, denn trotz des vibrierenden Laufs der Anlage darf es nicht aus dem Lager laufen oder so verhärten, dass zu wenig Öl in die Lagerlaufbahn abgegeben wird. 

Bei der Erstausstattung und Empfehlung der Lagerschmierfette der schwer zugänglichen Generatorlager sind die Experten vom VEM-Sachsenwerk daher besonders kritisch. Dies gilt auch für die Wartungsvorschriften. Je nach Typ werden die Lager der Generatoren ein- bzw. zweimal im Jahr nachgeschmiert. Dies wird von den Betreibern der Windkraftanlagen oder in den meisten Fällen von Serviceunternehmen erledigt. Doch besonders bei der Nachschmierung ist Vorsicht geboten! Wird mit einem anderen Fett als dem Erstfüllfett nachgeschmiert, kann es sein, dass sich die beiden Schmierstoffe nicht vertragen. In diesem Fall werden beide ursprünglich festen Fette so weich, dass sie vorzeitig aus der Lagerung herauslaufen. Tritt dann wegen Mangelschmierung ein Lagerschaden auf, sind die Reparaturkosten immens.

OELCHECK hat eine Reihe von Prüfverfahren speziell auf die Untersuchungen von Fetten aus Windkraftanlagen abgestimmt. Bei Verdacht auf Vermischung oder bei vorzeitigen Lagerausfällen entnehmen die VEM-Spezialisten repräsentative Fettproben, die dann über die falsche Nachschmierung oder Verunreinigung durch Wasser informieren. Häufig lässt sich die Schadensursache mit der Analyse des Fettes klären. Zur Bestimmung der optimalen Nachschmierintervalle werden die aus Auffangschalen entnommenen Proben untersucht. Die Analyse von Herstellungschargen der angelieferten Erstfüllfette trägt zur Betriebssicherheit bei.