WinDrive - Voith Turbo

WinDrive
Sonderdruck aus Artikel „Es geht auch ohne“,
erschienen in Sonne, Wind & Wärme 09 / 2008
Autor: Detlef Koenemann

Panorama
MARKT ANTRIEBSTECHNIK
Es geht auch ohne
Der Prototyp der Dewind D8.2 in Cuxhaven läuft
schon seit über einem Jahr. Die eigentliche Innovation
ist das von Voith entwickelte Windrive-System, das
den Umrichter überflüssig macht.
20 Sonne Wind & Wärme 9/2008
Alle paar Wochen meldet sich ein neuer Hersteller zu
Wort. Vor allem in Fernost steigen viele Maschinenbaufirmen
in die Windenergietechnik ein, um am
wachsenden Markt teilzunehmen. Wer sich als Newcomer
nicht mit Kampfpreisen, sondern mit Technologie durchsetzen
will, muss etwas anbieten, das sich deutlich vom Mainstream
abhebt und dem Kunden klar erkennbare Vorteile
bietet.
Der schwäbische Maschinenbaukonzern Voith hat sich
diese schwierige und langwierige Aufgabe gestellt. Gemessen
an dem, was bisher auf dem Markt vorherrscht, wirkt
der Anspruch verwegen: Wie kann eine Windturbine die von
den Energieversorgern gewünschte Stromqualität liefern,
ohne einen Umrichter einsetzen zu müssen?
Bevor Voith auf den Plan trat, hatte niemand ernsthaft
diese Frage gestellt. Es galt als ungeschriebenes Gesetz,
dass moderne Windenergieanlagen auf den Umrichter einfach
nicht verzichten können. Denn seitdem sich der drehzahlvariable
Betrieb der Windturbinen weltweit durchgesetzt
hat, muss es zwischen Rotor und Netz einen Baustein
in der Energiewandlungskette geben, der dafür sorgt, dass
der Strom mit der erforderlichen Qualität eingespeist wird.
Und das war bisher ohne Ausnahme die Aufgabe des Umrichters.
Doch die Monopolstellung der Elektronik wird an dieser
Stelle nun angegriffen. Mit dem Windrive-System will Voith
beweisen, dass die elektronische Frequenzwandlung durch
eine mechatronische ersetzt werden kann.
Zurück zu den Wurzeln
Die erste Dewind
D8.2 wurde Ende
2006 auf dem
Testfeld des DEWI-
OCC in Cuxhaven
errichtet und ist
seit Januar 2007
am Netz.
Foto: Jan Oelker
Das Windrive-System definiert sich aber natürlich nicht
durch den Verzicht auf den Umrichter, sondern durch eine
Reihe von Funktionen, die letzten Endes das eigentliche Problem
der Windenergietechnik lösen müssen: Die Anpassung
der vom Wind gelieferten stark schwankenden Leistung an
die Anforderungen des elektrischen Netzes. Es ist die Kunst,
etwas zusammenzubringen, was nicht zusammen passt.
Also zurück zu den physikalischen Wurzeln der Windenergietechnik:
Da wir es hier mit rotierenden Massen zu
tun haben (Rotor, Getriebe, Generator), ist die mechanische
Leistung nichts anderes das Produkt aus Drehzahl und Drehmoment.
Sowohl die Drehzahl des Rotors als auch sein
Drehmoment ändern sich ständig. Wenn aber auf der anderen
Seite der Generator ohne zusätzlichen Filter (Umrichter)
direkt mit dem »frequenzstarren« Netz gekoppelt werden
soll, muss der Generator mit konstanter Drehzahl laufen.
Um diese Bedingung zu erfüllen, baut Voith zwischen
Getriebe und Generator den Windrive als Drehmomentwandler
ein, der die vom Getriebe kommende, ständig
schwankende Drehzahl aufnimmt und »glättet«
Johannes Eitdorf, für den Vertrieb des Windrive zuständig,
beschreibt es anschaulich so: »Der Windrive hat es mit
zwei übermächtigen Kontrahenten zu tun. Vor sich hat es
den Wind mit dem riesigen Rotor und hinter sich den Generator
mit dem Netz.« Das heißt, »der Windrive hat vor und
hinter sich Drehzahlen, die er gar nicht ändern kann, und
wirkt somit als Momentenwaage«.

Im Detail kompliziert
Der mechatronische Aufbau des Windrive ist relativ aufwendig.
Er basiert auf einem Drehmomentwandler in Kombination
mit einem als Überlagerungsgetriebe ausgelegten Planetengetriebe,
besteht also aus zwei zusammenwirkenden
Elementen (siehe Grafik):
• Das Überlagerungsgetriebe (rot) addiert zwei variable
Drehzahlen. Es handelt sich um die Drehzahl des Rotors
und die im Windrive existierende Korrekturdrehzahl, die gemeinsam
eine konstante Ausgangsdrehzahl ergeben.
• Der Drehmomentwandler liefert die variable Korrekturdrehzahl.
Dieser Wandler wird von Hydrauliköl durchflutet
(gelb) und besteht aus einem Pumpenrad (dunkelblau),
das von der Hauptwelle angetrieben wird, aus einem Turbinenrad,
das die Korrekturdrehzahl ans Überlagerungsgetriebe
liefert, und aus verstellbaren Leitschaufeln (grün), die
das Übertragungsverhalten des Wandlers verändern. Das
Standgetriebe (hellblau) überträgt die Korrekturdrehzahl
auf das Überlagerungsgetriebe.
Das klingt kompliziert und hat viel mit Strömungsmechanik
zu tun, die nur wenigen geläufig ist. Denjenigen, die
sich nicht unbedingt in die Materie vertiefen wollen, bietet
Voith eine griffige Erklärung an: »Der Drehmomentwandler
besitzt als Strömungsmaschine eine vergleichbare Leistungscharakteristik
wie der Windrotor und lässt sich deshalb
ideal mit diesem koppeln.«
Verstellung der Leitschaufeln genügt
Um zu verhindern, dass Schwankungen der Windgeschwindigkeit,
insbesondere Böen, auf den mit konstanter Drehzahl
laufenden Generator durchschlagen, genügt es, die
Industrie | Marine | Schiene | Straße
Längsschnitt des Windrive: Gut erkennbar sind das Überlagerungsgetriebe (rot), das
Standgetriebe (hellblau) und die Hydraulik (gelb). Die verstellbaren Leitschaufeln sind grün
dargestellt. Grafik: Voith
Leitschaufeln zu verstellen. Diese Regelung muss allerdings
ziemlich schnell geschehen: »Es erforderte viel Entwicklungsaufwand,
um die Reaktionszeit auf 20 ms zu drücken«,
betont Andreas Basteck, der als Geschäftsführer der Voith
Turbo Wind GmbH für den Windrive verantwortlich ist.
Der Windrive muss aber nicht auf jede Leistungsschwankung
mit einer Verstellung der Leitschaufeln reagieren, denn
weil die Leistungscharakteristik des Rotors in etwa der des
Wandlers entspricht, »folgt der Wandler quasi selbstständig
dem Rotor, das heißt verzugsfrei und weich. Dadurch wird
der gesamte Antriebsstrang der Windturbine geschont«, er-
WinDrive – hochdynamisches Antriebssystem für
Windturbinen im Megawattbereich
■ Ausgezeichnete Netzqualität durch bewährte
Synchrongeneratoren
■ Hervorragende Verfügbarkeit und reduzierter
Wartungsaufwand durch Wegfall der Frequenzumrichtertechnologie
■ Hohe Effi zienz aufgrund hydrodynamisch regelbarer
Technologie
■ Moderate Anfangsinvestition durch maßgebliche
Gewichteinsparungen
Voith Turbo Wind GmbH & Co. KG
Voithstr. 1
74564 Crailsheim, Germany
Tel. +49 7951 32-1867
Fax +49 7321 37-138149
www.voithturbo.com / windtechnologie

Panorama
22
MARKT ANTRIEBSTECHNIK
Technische Daten der Dewind 8.2
Nennleistung 2.000 kW
Rotordurchmesser 80 m
Rotorkreisfläche 5.027 m²
Drehzahl des Rotors 11,1 bis 20,7 min-1 Getriebe-Übersetzung 1:25
Windrive-Übersetzung 1:3 bis 1:5,5
Drehzahl des
1.500 min
Generators
-1 bei 50 Hz
1.800 min-1 bei 60 Hz
Ausgangsspannung 4,16 bis 13,8 kV
Dr. Andreas Basteck,
Geschäftsführer der Voith
Turbo Wind GmbH, in
der Gondel der Dewind
D8.2 in Cuxhaven. Anfang
Mai begleitete er im
Rahmen einer Pressereise
18 Journalisten bei
ihrem Aufstieg in 80 m
Nabenhöhe.
Foto: Detlef Koenemann
Sonne Wind & Wärme 9/2008
Der
Synchrongenerator
liefert eine
Ausgangsspannung im
kV-Bereich und spart dadurch den
Transformator ein. Das Niveau der
Ausgangsspannung wird den jeweiligen
Netzanforderungen angepasst.
Quelle: www.compositetechcorp.com
gänzt Johannes Eitdorf. »Weil es sich im Grunde um ein
selbstregelndes System handelt, müssen nur die Leistungsspitzen
durch Verstellung der Leitschaufeln ausgeglichen
werden.«
Blindleistung ist kein Problem
Das Windrive-System erscheint etwa so komplex wie der
Umrichter, den es ja ersetzen soll. Um zu zeigen, dass sich
der erhebliche konstruktive Aufwand trotzdem lohnt, hebt
Andreas Basteck die Vorteile hervor, die das neue System
verspricht:
• Windrive ermöglicht den Einsatz eines Synchrongenerators,
dessen hohes Spannungsniveau (siehe Tabelle) den
Einsatz eines Transformators überflüssig macht.
• Der direkt mit dem Netz gekoppelte Synchrongenerator
kann sowohl Blindstrom aufnehmen als auch abgeben
und dadurch das Netz stützen. Die jeweils benötigte Blind-
Antriebsstrang der Dewind 8.2: Zwischen
Synchrongenerator (links) und Getriebe
wirkt der Windrive relativ klein. Er hat einen
Durchmesser von 1,30 m und ist 1,70 m
lang.
Foto: Voith
leistung wird einfach über den Erregerstrom eingestellt.
• Windrive spart unter dem Strich Masse ein. Zwar wiegt
das Windrive-System, das zurzeit in der Dewind 8.2 erprobt
wird, rund 5,6 t, doch dafür fällt im Hauptgetriebe eine Stufe
weg (das zweistufige Getriebe der D8.2 wiegt 18 Tonnen).
Die eigentliche Masseneinsparung wird durch den Wegfall
von Umrichter und Trafo bewirkt. Bei Anlagen, die deutlich
größer sind als 2 MW, werde sich das noch deutlicher auswirken,
prophezeit Basteck. Dann werde sich auch ein deutlicher
Kostenvorteil zeigen.
• Das Wandlerprinzip, das dem Windrive zugrunde liegt,
ist seit Jahrzehnten erprobt und hat sich als äußerst robust
erwiesen, zum Beispiel beim Betrieb großer Pumpen auf Öl-
und Gasplattformen. »Die MTBF (Mean Time Between Failure)
liegt bei über 39 Jahren«, betont Johannes Eitdorf.
Ob das Konzept auch hält, was es verspricht, wird zurzeit
an drei Standorten getestet. Der in Cuxhaven errichtete
Prototyp ist bereits seit 16 Monaten in Betrieb – ohne besondere
Vorkommnisse, wie Dewind und Voith versichern.
Die Qualität des eingespeisten Stroms sei wie erwartet gut.
Im Dezember 2007 erfolgte die Errichtung der zweiten D8.2
in Argentinien in
4.200 m Höhe. Wegen
der dünnen Luft wird
die Nennleistung erst
bei hohen Windgeschwindigkeitenerreicht.
In Texas läuft seit
kurzem die 60-Hz-Version.
Sie soll den US-
Markt für das Windrive-
System öffnen. Um die
erhoffte Nachfrage zu
decken, hat Voith bereits
in Crailsheim eine
Montagelinie errichtet,
die demnächst 400 Windrive-Einheiten
pro Jahr
produzieren kann.
Detlef Koenemann

Projektreport WinDrive
März 2003 Die Idee des WinDrive wird geboren
Juli 2003 Start der „Konzeptstudie WinDrive“ für
Windenergieanlagen zu bestehenden
Technologien und über zukünftige
Marktchancen für WinDrive
Dezember 2003 Der WinDrive hält konzeptionell
sämtliche Anforderungen von
Windenergieanlagen ein
März 2004 Das Projekt WinDrive wird
offi ziell gestartet
August 2005 Mit DeWind wird ein bekanntes
Unternehmen der Windenergiebranche
als Partner für die
Entwicklung einer 2000 kW Turbine
gewonnen
November 2006 Erste Testfeldergebnisse
Dezember 2006 Erster Prototyp auf dem DEWI
OCC Testfeld, Cuxhaven
Januar 2007 Erste Kilowattstunde ins Netz
gespeist
Gründung der Voith Turbo Wind
GmbH & Co. KG
Februar 2007 Erfolgreiche Inbetriebnahme des
Prototyps in Cuxhaven
März 2007 Versuch Dauerhaltbarkeit
Leitschaufelverstellung WinDrive
Die DeWind Turbine D8.2 - 2000 kW
(50 Hz) mit WinDrive ist zertifi ziert
August 2007 Produktionsfreigabe für die ersten
18 Einheiten Felderprobung
September 2007 Erster Liefervertrag und zwei
weitere Prototypen für Nordund
Südamerika
Oktober 2007 Einweihung einer neuen
Montagehalle
November 2007 NREL testet Windturbine mit
WinDrive (weltweit erstmaliger
Test von dynamischen Lasten
einer Windenergieanlage auf
einem Versuchsfeld)
Januar 2008 Finalist beim Innovationspreis der
deutschen Wirtschaft
WinDrive wird in der höchstgelegenen
Windturbine der Welt
installiert (Veladero, Argentinien –
4200m ü.N.N.)
Februar 2008 Dauerlauf bestanden (Abbildung
von 175.000 Stunden Lebensdauer)
März 2008 Erste 2000 kW (60 Hz) Windturbine
mit WinDrive in den USA am Netz
April 2008 DeWind Turbine D 8.2 – 2000 kW
(60 Hz) mit WinDrive ist zertifi ziert
Mai 2008 Erfolgreicher Test „Graufl eckigkeit“ im
erweiterten Betriebsbereich
Juli 2008 WinDrive Kältetest (Einsatztemperatur
bis zu - 40°C)

Voith Turbo Wind GmbH & Co. KG
Voithstraße 1
74564 Crailsheim, Germany
Tel. +49 7951 32-1867
Fax +49 7321 37-138149
www.voithturbo.com/windtechnologie
cr606 de, aik / BVA-Tiemann, 12.2008, 500. Änderungen, die sich durch technische Weiterentwicklung ergeben, vorbehalten.