Um Schwankungen im Stromnetz zu vermeiden, sollten Windkraftanlagen mit einer konstanten Drehzahl laufen. Dazu werden die Rotorblätter geregelt: Bei zunehmendem Wind oder böiger Luft werden die Blätter aus dem Wind genommen. Diese Blattverstellung erfolgt mit Hilfe von Hydraulikzylindern.

„Für unsere Windkraftanlagen ist nur eine Ausfallquote von Null akzeptabel“, berichtet Hauke Petersen vom technischen Support bei REpower in Husum. „Durch die Offshore-Anlagen gilt dies in Zukunft in noch weit höherem Maß. Denn jeder Ausfall auf dem Meer kann einen Hubschrauber-Einsatz notwendig machen.“ Dazu leisten die Zulieferer einen wichtigen Beitrag, wie die Firma Hänchen aus Ostfildern bei Stuttgart. Ihre Hydraulikzylinder bewähren sich bereits seit 14 Jahren in den Anlagen des siebtgrößten Unternehmens der Windenergiebranche. Das Produktprogramm des Windmühlen-Herstellers umfasst heute Anlagen, die Nennleistungen von 1.500–5.000 kW erreichen. Dabei setzt REpower auf höchste Qualität, Zuverlässigkeit, technologische Kompetenz sowie Detailgenauigkeit und erwartet dies auch von seinen Partnern und Zulieferern. 1.600 dieser Generatoren errichtete REpower bisher an Land. Besonders hohe Anforderungen stellen aber die beiden Anlagen, die im Meer installiert wurden: Diese besonders wartungsarmen Anlagen sind gerade auch für den Einsatz auf hoher See geeignet.

Unterschiedliche Sicherheitsphilosophie

REpower arbeitet derzeit in den Windkraftanlagen mit elektromechanischen Blattwinkelverstellungen. Verantwortlich dafür ist die Sicherheitsphilosophie des Unternehmens: Damit der Rotor im Notfall unter allen Umständen zum Stehen gebracht werden kann, sind bei einer Konstruktion ohne Betriebsbremse drei voneinander unabhängig arbeitende Blattverstellmechanismen zwingend notwendig. Die mit den Hänchen-Zylindern ausgerüsteten Anlagen der HSW verfolgen eine andere Philosophie. Bei ihnen sind Bremse und Verstellmechanismus voneinander getrennt: „Wir wählen derzeit die bremsenlose Konstruktion“, erklärt Petersen, der auch ein Kinderbüchlein über den Bau von Windkraftanlagen verfasst hat. „Die Hydraulik-Zylinder von Hänchen müssen sich aber vor den elektrischen Antrieben in keiner Weise verstecken, besonders wenn es um Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit geht.“

Hydraulische Verstellung

In 90 Windkraftanlagen, die REpower von der Husumer Schiffswerft HSW übernommen hat, sind seit 14 Jahren Hydraulik-Zylinder von Hänchen für die Blattwinkel-Verstellung im Einsatz. Damit hat REpower auch die Technologie zur hydraulischen Blattwinkelverstellung von der Husumer Schiffswerft erworben. In all den Jahren, in denen die Windkraftanlagen im Einsatz sind, gab es keine störungsbedingten Ausfälle. „Die Hydraulik-Zylinder von Hänchen gehören garantiert nicht zu unseren Problemen. Das belegt schon die Tatsache, dass wir hierfür keine Ersatzteile eingelagert haben“, betont Oliver Blum, der gemeinsam mit Petersen im Support tätig ist. „Die Störquote bei elektromechanischen Technologien ist technologiebedingt etwas höher.“

Vom Schiff abgeschaut

Die wegen eines speziellen Kolbenstangen-Anschluss-Gewindes als Sonderzylinder aufgeführten Hänchen-Zylinder bewegen durch eine Schubstange drei Rotorblätter gleichzeitig um ihre Längsachse. Sie bilden den Rotor mit einem Durchmesser von 57 m. Der Verstellmechanismus arbeitet ähnlich wie bei einem modernen Schiffspropeller. Dabei muss der Zylinder die Blätter mit einer Präzision von bis zu 0,1° positionieren. Nur so ist die von der Entwicklung vorgegebene winkelgenaue Positionierung der Blätter realisierbar. Die Schubstangen der Zylinder legen sowohl Mikro-Bewegungen als auch kontinuierliche Wege zurück. In Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit wird so der Betriebspunkt angefahren, der eine gleichbleibende Geschwindigkeit des Generators sicherstellt. Entscheidend ist hier der Regelbetrieb. Denn ständige minimale Bewegungen sind für den Betrieb der Anlage mit hohen Belastungen verbunden. Gerade diese Mikrobewegungen sind für Mechanik, Elektromechanik und Hydraulik gleichermaßen eine Herausforderung: Es muss gewährleistet sein, dass auch bei andauernden Kleinstbewegungen von 0,5 mm die Schmierung sichergestellt ist.

Extrem-Bedingungen

Hinzu kommen die extremen Umweltbedingungen: Die Anlage muss bei einer Lufttemperatur von -15°C genauso präzise arbeiten wie bei +45°C, Feuchtigkeit und salzhaltige Luft dürfen keine Probleme verursachen. Hier kann Hänchen auf Erfahrungen beim Einsatz von Höchstleistungszylindern zurückgreifen, wie sie beispielsweise in Hochöfen in einer flusssäurehaltigen Atmosphäre Kokillen mit bis zu 35 t glühenden Stahl mit mehreren Hz im 24-Stunden-Betrieb bewegen.

Optimale Regelung

Die Herausforderung liegt in der optimalen Regelung. Die Anlage versucht, eine bestimmte Drehzahl und damit Leistung zu halten. Das Konzept sieht je nach Wind-stärke zwei Leistungsstufen vor. Diese Leistungspunkte liegen bei 1.000 oder 1.500 Umdrehungen am Generator, die vom Rotor über ein Getriebe geliefert werden. Sie sollen weitestgehend konstant angefahren werden, um Schwankungen im Stromnetz zu vermeiden. Die Blattverstellung muss also dafür sorgen, dass bei zunehmendem Wind – auch in böiger Luft – die Blätter aus dem Wind genommen werden und damit die Drehzahl konstant bei 23 Rotordrehungen pro Minute bleibt.
Der Hydraulik-Zylinder arbeitet hier mit einem integrierten Wegmess-System. Hänchen liefert hierzu die komplette Einheit, die ein besonders exaktes, kompaktes und zuverlässiges Kleinsystem bildet. Es arbeitet mit einem Hub von 380 mm und benötigt einen Druck von 160 bar. Das Hydraulik-Aggregat arbeitet aus sicherheitstechnischen Gründen mit einem Speicher: Dieser liefert auch bei einem Ausfall des Aggregats eine Druckreserve, um die Blätter bei Problemen sofort aus dem Wind zu nehmen. Damit garantieren die Hydraulik-Zylinder nicht nur Präzision, Belastbarkeit und Zuverlässigkeit. Sie beweisen auch ihre Tauglichkeit für sicherheitsrelevante Aufgaben.