Glückauf - Windhoff Bahn

as Unwetter Ende November
D2005 im Münsterland ist noch
in guter Erinnerung. In nur einer
Nacht sorgte das Tief „Thorsten“
für über einen halben Meter
Schnee, dazu Minusgrade und böigen
Wind. Neben dem üblichen
Verkehrschaos – ein ständiger Begleiter
solcher Wetterereignisse
– fiel die elektrische Versorgung
bei Zehntausenden von Haushalten
aus. Unter der Last des Eises
waren Überlandleitungen gerissen
und Strommasten reihenweise
umgeknickt.
An den Überlandleitungen bildeten
sich armdicke Eispanzer.
Doch nicht nur dieses Gewicht
war problematisch, sondern auch
die ungleichförmige Lastenverteilung.
Denn wenn der Wind wie bei
diesem Unwetter ständig aus einer
Richtung bläst, bildet sich auf der
windzugewandten Leitungsseite eine
längliche Eisfläche, ähnlich einer
Flugzeugtragfläche – mit möglichen
fatalen Folgen (siehe: Dominotheorie).
Doch nicht nur Strommasten
mussten den widrigen Bedingungen
standhalten, auch Windenergieanlagen.
Eis an der Rotorblatt-Vorderkante
hat hier den gleichen Effekt
wie Eis an Flugzeugtragflächen: Die
aerodynamischen Eigenschaften
verschlechtern sich drastisch. Die
Folge: Es wird bei gleicher Windgeschwindigkeit
weniger Energie
erzeugt, da das Eis zu einem höheren
Strömungswiderstand führt.
Umgekehrt kann man schlussfolgern:
Nimmt die Leistung rapide
ab, könnte dies auf eine Rotorblattvereisung
hinweisen. Gleiches gilt,
wenn der Geräuschpegel zunimmt
und der Ton, den die sich drehenden
Rotorblätter erzeugen, steigt.
Ein weiteres Indiz liefert die Unwuchtmessung.
Sie basiert darauf,
dass der Eisansatz an Rotorblättern
zu einer messbaren Unwucht führt
(zum Beispiel auf der Welle).
Leistungsüberwachung, Unwuchtmessung,
Geräuschpegelund
Frequenzmessung, Eis-Sensoren
und visuelle Prüfung (zum
Beispiel mit Kameras) – all diese
Verfahren ergeben ein sehr gut
funktionierendes Frühwarnsystem,
um schon im Ansatz eine Rotorblattvereisung
festzustellen. Aber
was geschieht bei einem vereisten
ANLAGENBAU
Windanlagen trotzten „Thorsten“
WeserWind · Extreme Temperaturen unter null Grad, Schnee, Sturm und Eis machten nicht nur
Hallendächern und Strommasten zu schaffen. Auch Windenergieanlagen waren diesem extremen
Winterwetter ausgesetzt. Ein ausgeklügeltes Frühwarnsystem verhindert den Komplettausfall.
Offshore-
Winter
Auch Offshore-Windmessmaste in
Ost- und Nordsee (siehe glückauf
2/2005: „Messmast Amrumbank
West“, Seite 27) sind zum Teil
eisigen Temperaturen bei starken
Winden ausgesetzt. Kommt feuchte
Luft hinzu (zum Beispiel Nebel),
bildet sich binnen Stunden ein
dicker Eispanzer an der gesamten
Gittermaststruktur und den Messinstrumenten
(im Wesentlichen
Anemometer und Windfahnen).
Die Messinstrumente sitzen ab
etwa 12 m über dem Meeresspiegel
in Abständen zwischen 10 m
und 15 m auf verschiedenen
Messebenen bis zu Höhen von
etwa 100 m. Bei eisigen Temperaturen
und extremen Windgeschwindigkeiten
würden selbst
vollständig beheizte Messinstrumente
einfrieren. Die tragende
Gittermaststruktur hat eine
zusätzliche tonnenschwere Last zu
tragen und die Angriffsfläche für
den Wind nimmt stark zu. Auch
wenn diese Wetterverhältnisse
eher selten sind: Offshore-Windmessmasten
müssen für diese
Extrembedingung ausgelegt sein.
Als Material für die Gittermasten
kommt in der Regel Stahl der
Güte S355 zum Einsatz, und bei
einer Höhe von 64 m kann das
Gewicht 43 t ausmachen (Messmast
Amrumbank West).
Der Windpark Oberzeiring in Österreich. Er liegt 1.900 m ü. NN. (Quelle: Tauernwind GmbH, www.tauernwind.com)
Rotorblatt Wenn die Anlage nicht
für die zusätzliche Eislast bzw. die
dabei entstehende Aerodynamik
und Dynamik ausgelegt ist oder
wenn Personen und andere technische
Einrichtungen gefährdet
sind, wird sie abgestellt. Denn wer
trotz vereisten Rotorblättern nicht
„anhält“, riskiert unter Umständen
lebensgefährlichen „Eiswurf“.
Windenergieanlagen der neusten
Generation (5-MW-Klasse) würden
ohne die vorgeschriebenen Frühwarnsysteme
durch ihren Hebelarm
von bis zu 60 m (Rotorblattlänge),
einer Blattspitzengeschwindigkeit
von ungefähr 300 km/h und einer
Nabenhöhe von etwa 100 m zu
Eiswurfschleudern werden. Mehrere
100 Gramm schwere Eisstücke
werden im Extremfall einige wenige
100 Meter weit katapultiert.
Aus diesem Grund werden vereiste
glück auf · 1/2006 ......... 34
Dominotheorie
Umgeknickte Strommasten stehen am Montag (28. 11. 2005) auf einem Feld bei Laer in der Nähe von Münster. Foto: © dpa
Vereister Gittermast
Einseitig vereiste Überlandleitungen sind besonders gefährdet. Denn
böiger Wind kann eine derart geformte „Eisleitung“ zum Schwingen
bringen, zum so genannten „Seiltanzen“. Die durch die Eismasse erhöhte
Grundbelastung und die pendelnde Zusatzbelastung können dazu führen,
dass Leitungen abreißen und Strommasten umknicken. Ist erst einmal ein
Strommast gefallen, fehlt den angrenzenden Masten das Gegengewicht
– und sie können reihenweise umkippen wie Dominosteine. So geschehen
im Münsterland. In diesen Fällen führt die Kombination aus Seiltanzen
und Eislast zur Überschreitung der Bruchfestigkeit. Auch die Temperatur
wirkt sich auf den Stahl aus, das heißt, seine mechanischen Eigenschaften
werden mit sinkender Temperatur beeinträchtigt, im Klartext: Er „schwächelt“.
In den Medien wird in diesem Kontext oft „Thomasstahl“ erwähnt,
aus dem eine Vielzahl der alten Strommasten gefertigt ist. Richtig daran
ist: Thomasstahl hat tatsächlich niedrigere mechanische Eigenschaften als
heute eingesetzter Stahl. Aber es sind auch zahlreiche Strommasten jüngeren
Datums umgeknickt.
Rotorblätter bei potenzieller Gefährdung
der Umgebung sofort in
„Parkstellung“ gebracht und erst
nach optischer Inspektion wieder
„hochgefahren“. Zudem warnen
Hinweisschilder auf Zufahrtswegen
bei freistehenden Windenergieanlagen
vor Eiswurf. In Gebieten
mit Wetterverhältnissen, die eine
Vereisung begünstigen, kann es
sogar wirtschaftlich sinnvoll sein,
die Rotorblätter zu beheizen, um
Eisansatz und Zwangsstillständen
zuvorzukommen. Bewährt haben
sich elektrische Heizfolien, aber
auch in das Blatt integrierte Warmluftkanäle
mit Heizlüfter.
Ob mit oder ohne Blattheizung:
Was bei allen Anlagen auf jeden
Fall beheizt sein sollte, sind die
zur Steuerung der Windenergieanlage
notwendigen Instrumente
wie Anemometer (Windgeschwindigkeitsmesser)
und Windfahne
(Windrichtungsmesser). Andernfalls
würde trotz Wind das festgefrorene
Anemometer „0“ anzeigen
und die Betriebsführung veranlassen,
die Anlage abzuschalten. Auch
eine eingefrorene Windfahne hätte
gravierende Folgen. Die Betriebsführung
würde die Windenergieanlage
falsch im Wind ausrichten
und Leistungseinbußen in Kauf
nehmen. Außerdem treten durch
die falsche Anströmung der Rotorblätter
erhebliche zusätzliche Belastungen
der Bauteile auf.
Die heutigen Techniken ermöglichen
es, Windenergieanlagen
auch in Gebieten mit extremen
Wetterverhältnissen zu installieren,
indem man sie speziell für den
Standort und die dort auftretenden
Lasten dimensioniert. Die Vorteile
liegen auf der Hand: So kann
man die Windenergie nicht nur in
Schönwetterregionen nutzen, sondern
auch im Norden Finnlands,
im Offshore-Bereich der Nordsee
oder in den Hochgebirgsregionen
der Alpen.
Erik Patschke