Seminare Baugrund Windenergie, Elektrische Systeme Windenergieanlagen, Antriebsstränge Seminare im HDT

mertens_windenergie_gruendungen_und_tuerme_AP

 

Da das erforderliche Spezialwissen der elektrischen Energietechnik auch nicht bei allen Elektrotechnikern vorhanden ist, ergibt sich besonders für Anfänger und Quereinsteiger die anspruchsvolle Aufgabe, neben den Grundlagen ein zielführendes Vertiefungswissen aufzubauen. Hier die Themen im Einzelnen:

  • Gesamtüberblick Windenergieanlage und Einführung
  • Grundlagen des elektrischen Systems
  • Aufbau und grundlegendes Betriebsverhalten der Drehstrom-Asynchronmaschine
  • Aufbau und grundlegendes Betriebsverhalten der Synchronmaschine
  • Funktionsweise und Betriebsverhalten des doppelt gespeisten Asynchrongenerators
  • Leistungselektronik für WEA
  • Grundlagen der Netzregelung
  • Blindleistungsstellung mit WEA
  • Regelung von Drehstrommaschinen mit der Zweiachsentheorie
  • Technische Grundlagen der Anforderungen an WEA nach EEG 2009
  • Wirkungskette Generator-Leistungselektronik-Netz und Netzrückwirkungen
  • Anforderungen nach EEG 2009, Systemdienstleistungsverordnung
  • Zertifizierung und Modellbildung
  Da das erforderliche Spezialwissen der elektrischen Energietechnik auch nicht bei allen Elektrotechnikern vorhanden ist, ergibt sich besonders für Anfänger und Quereinsteiger die... mehr erfahren »
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Seminare Baugrund Windenergie, Elektrische Systeme Windenergieanlagen, Antriebsstränge Seminare im HDT

mertens_windenergie_gruendungen_und_tuerme_AP

 

Da das erforderliche Spezialwissen der elektrischen Energietechnik auch nicht bei allen Elektrotechnikern vorhanden ist, ergibt sich besonders für Anfänger und Quereinsteiger die anspruchsvolle Aufgabe, neben den Grundlagen ein zielführendes Vertiefungswissen aufzubauen. Hier die Themen im Einzelnen:

  • Gesamtüberblick Windenergieanlage und Einführung
  • Grundlagen des elektrischen Systems
  • Aufbau und grundlegendes Betriebsverhalten der Drehstrom-Asynchronmaschine
  • Aufbau und grundlegendes Betriebsverhalten der Synchronmaschine
  • Funktionsweise und Betriebsverhalten des doppelt gespeisten Asynchrongenerators
  • Leistungselektronik für WEA
  • Grundlagen der Netzregelung
  • Blindleistungsstellung mit WEA
  • Regelung von Drehstrommaschinen mit der Zweiachsentheorie
  • Technische Grundlagen der Anforderungen an WEA nach EEG 2009
  • Wirkungskette Generator-Leistungselektronik-Netz und Netzrückwirkungen
  • Anforderungen nach EEG 2009, Systemdienstleistungsverordnung
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Technik hdt.de Elek­tri­sche Sys­te­me von Wind­ener­gie­an­la­gen
Anhand von Generatortypen sowie der Art ihrer Netzkopplung wird das Zusammenspiel zwischen Generator, Leistungselektronik und Steuerung bei Windenergieanlagen und Windparks erläutert.
Gründungen Wind Offshore hdt.de Bau­grun­d­er­kun­dung, Bau­grund­ver­bes­se­rung und Grün­dun­gen für Wind­ener­gie­an­la­gen
Die Tagung gibt einen detaillierten Einblick in den erforderlichen Umfang einer Baugrunderkundung sowie in geeignete Baugrundverbesserungsmaßnahmen und spezielle Gründungsvarianten für Windenergieanlagen (WEA).
Technik hdt.de Elek­tri­sche Sys­te­me, Re­ge­lung und Steue­rung von Wind­ener­gie­an­la­gen
Sie lernen den Aufbau und die Funktionsweise von Windenergieanlagen kennen. Es wird der Zusammenhang zwischen Generator, Leistungselektronik und Anlagensteuerung erläutert und die Netzanbidung und Netzeinspeisung erklärt.
Technik hdt.de Last- und Leis­tungs­op­ti­mier­te Re­ge­lung von Wind­ener­gie­an­la­gen
Praxisrelevantes Grundlagenwissen zur Regelung von modernen Windenergieanlagen. Schwerpunkt: allgemeine Betriebsführung und die übergeordneten, dynamischen Regelkreise mit den Stellgliedern Generatormoment und Pitchwinkel.

Diese Themen werden wie folgt vertieft:

Gesamtüberblick Windenergieanlage und Einführung: Es werden der Aufbau und die Funktion einer Windenergieanlage (WEA) am Netz beschrieben. Es wird zwischen den Konzepten mit aufgelöstem Triebstrang und konzentriertem Triebstrang unterschieden. Dabei werden die ersten Grundlagen der Funktion des Generators und der Leistungselektronik diskutiert. Es wird das Grundprinzip der Netzkopplung sowie der Netzeinspeisung erläutert. Unter diesem Punkt werden auch die Grundlagen der Windkraftnutzung erklärt. Dazu gehören die nutzbare Windleistung, der Leistungsbeiwert (Betz-Faktor), die Leistungs-Drehzahl-Kennlinien, der drehzahlstarre und drehzahlvariable Betrieb und die Möglichkeiten zur Leistungsbegrenzung an einer Windenergieanlage.

Grundlagen des elektrischen Systems: Hierbei geht es um einen Überblick über die elektrischen Größen in einer Windenergieanlage. Dazu gehören Leistungsbegriffe und ihre Bedeutung, aber auch die mögliche Einbindung in ein Windparknetz sowie der Anschluss am öffentlichen Netz. Dazu werden erste Grundlagen der Netzkopplung von WEA mit Frequenzumrichtern und mögliche Windparkstrukturen erläutert. Für die in WEA genutzten Generatortypen werden grundlegende Niederspannungs- und Mittelspannungskonzepte vorgestellt.

Aufbau und grundlegendes Betriebsverhalten der Drehstrom-Asynchronmaschine: Nach der Erläuterung des Drehfeldbegriffs werden der Motor- und Generatorbetrieb anhand von Beispielen verdeutlicht. Der Aufbau von Kurzschlussläufern und Schleifringläufern wird erläutert. Ausgehend von den elektrischen und magnetischen Größen wird das Wirkprinzip im Motor- und Generatorbetrieb erklärt. Auf das einsträngige Ersatzschaltbild wird kurz eingegangen. Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der Drehstrom-Asynchronmaschine und die Parameter Speisefrequenz, Polpaarzahl, Synchrondrehzahl, Schlupf, Kippmoment und der unter- und übersynchrone Betrieb werden erläutert. Das drehzahlabhängige Verhalten von Rotorfrequenz und Rotorspannung wird beschrieben. Es folgen Beispiele zur Nutzung der Drehstrom-Asynchronmaschine in Windenergieanlagen.

Aufbau und grundlegendes Betriebsverhalten der Synchronmaschine: Es werden Aufbau und Funktion von Vollpol- und Schenkelpolausführungen beschrieben. Das Ersatzschaltbild wird zur Erläuterung der Wirkungsweise genutzt. Weitere Themen sind die Netzsynchronisation, die statische Stabilität der Synchronmaschine und die Nutzung von Synchronmaschinen mit elektrischer Erregung und Permanentmagnet-Erregung in Windenergieanlagen.

Funktionsweise und Betriebsverhalten des doppelt gespeisten Asynchrongenerators (DGASG): Begonnen wird mit dem Grundprinzip des DGASG mit Rotorumrichter. Es wird gezeigt, wie das einsträngige Ersatzschaltbild zur Beschreibung der Funktion genutzt werden kann. Das Hauptaugenmerk liegt auf dem Verständnis des unter- und übersynchronen Generatorbetriebs und der dabei auftretenden Leistungsflüsse. Dazu wird die Funktion des DGASG in Windenergieanlagen ausführlich erläutert und mit Messbeispielen aus der Praxis veranschaulicht. Es werden weiterhin die besonderen technischen Problemstellungen beim Betrieb von Generatoren mit hohen Rotorspannungen verdeutlicht.

Leistungselektronik für WEA: Nach einer Übersicht über die Arten leistungselektronischer Wandler und einer Übersicht der nutzbaren Bauteile, wird die Funktionsweise dreiphasiger Wechselrichter erläutert. Die zur Erzeugung eines Drehstromsystems verwendete Pulsweitenmodulation wird wegen der einfacheren Veranschaulichung anfangs anhand eines einphasigen Wechselrichters verdeutlicht. Es folgt die Erweiterung auf dreiphasige Wechselrichter, verbunden mit der Beschreibung eines vollständigen Systems eines Frequenzumrichters. Dabei werden die Aufgaben einer gesteuerten Gleichrichtung auf der Generatorseite, des Gleichspannungszwischenkreises mit gepulstem Chopper und des netzseitigen Wechselrichters beschrieben.

Grundlagen der Netzregelung: Es werden die wesentlichen Regelungsmechanismen in Verbundnetzen beschrieben. Begonnen wird mit der Frequenz-Wirkleistungs-Regelung, deren Wirkungsweise auch anhand eines Beispiels verdeutlicht wird. Danach wird die Spannungs-Blindleistungs-Regelung erläutert, deren Wirkung anhand eines auftretenden Spannungstrichters im Fehlerfall verständlich wird.

Blindleistungsstellung mit WEA: Nachdem die Grundlagen der Spannungsregelung bekannt sind, wird anhand eines exemplarischen Windparks gezeigt, wie Windenergieanlagen an der Spannungsregelung beteiligt werden können. Dabei wird Wert auf die praxisnahe Betrachtung eines leistungsstarken Windparks mit Anschlusspunkt auf der Höchstspannungsebene gelegt. Somit ist auch der Einfluss der passiven Übertragungseigenschaften von Transformatoren und Kabel auf die Blindleistungsbilanz zu berücksichtigen.

Regelung von Drehstrommaschinen mit der Zweiachsentheorie: Die Zweiachsentheorie wird eingeführt, um eine einfache Struktur mit unabhängiger Regelung von Wirk- und Blindleistung zu entwickeln. Dieses Prinzip wird deshalb erläutert, weil es bei der Regelung von Windenergieanlagen seit langer Zeit Stand der Technik ist.

Technische Grundlagen der Anforderungen an WEA nach EEG 2009: Es wird der Hintergrund der Anforderungen an WEA nach EEG 2009 beschrieben. Dann wird der thematische Bezug zu den Themen Netzregelung und Blindleistungsstellung mit WEA hergestellt. Anschließend werden die in den technischen Richtlinien dargestellten Anforderungen im Detail erläutert.

Wirkungskette Generator-Leistungselektronik-Netz und Netzrückwirkungen: Da die elektrischen Komponenten einer Windenergieanlage ein gemeinsames System bilden, kann das Gesamtverständnis nur aus der Systembetrachtung erwachsen. Deshalb wird an dieser Stelle die Wirkungskette Generator-Leistungselektronik-Netz diskutiert. Wegen seiner praktischen Relevanz wird anschließend das Thema Netzrückwirkungen vertiefend diskutiert.

Anforderungen nach EEG 2009, Systemdienstleistungsverordnung: Als Grundlage der nachfolgenden Zertifizierungsabläufe werden sowohl die Anforderungen nach EEG 2009 als auch die in der Systemdienstleistungsverordnung spezifizierten Detailanforderungen hinsichtlich ihrer Relevanz für die elektrotechnische Gestaltung von Windenergieanlagen diskutiert.

Zertifizierung und Modellbildung: Die technischen und organisatorischen Anforderungen und Abläufe der Zertifizierung und Modellbildung werden durch einen Koreferenten erläutert, der diese Aufgaben hauptamtlich bei einer Zertifizierungseinrichtung bearbeitet.

 

Möchte man tiefer einsteigen muss man sich mit den elektrischen Komponenten für Windparks beschäftigen. Die Auswahlkriterien für elektrische Komponenten von Windparks sind komplex. Dazu gehören die Auswahl der Spannungsebene, die Netzgestaltung, die Auswahl von Transformatoren und Schaltanlagen, die Auswahl geeigneter Kabel, die Verminderung von Netzrückwirkungen sowie die Anforderungen an die Schutztechnik. Für den Netzanschluss von leistungsstarken Windenergieanlagen sind unterschiedliche Konzepte nutzbar. Abhängig von der Spannungsebene ergeben sich unterschiedliche Anforderungen für die Auswahl von Transformatoren, Schaltanlagen, Kabel und die Schutztechnik. Auch die Regelung der Blindleistung muss abhängig von der eingesetzten Anlagentechnik erfolgen. Im Kurs wird ein grundlegendes Verständnis für das Zusammenspiel der technischen Komponenten sowie die dabei auftretenden Wirkungsketten aufgebaut.

 

Im folgenden nochmals die Themen:

  • Technische Grundlagen von Windenergieanlagen und Windparks
  • Generatoren - Asynchrongenerator
  • Generatoren - Synchrongenerator
  • Leistungselektronik für WEA
  • Elektrische Netze
  • Transformatoren
  • Kabel
  • Freileitungen und natürlicher Betrieb
  • Schaltanlagen
  • Schutztechnik
  • Blindleistungsmanagement in Windparks
  • Trafos für Offshore-Anwendungen
  • Anforderungen nach EEG 2009 an WEA und Zusatzkomponenten
  • Zertifizierung und Modellbildung für WEA und Windparks

 

 

Diese Themen werden wie folgt vertieft:

Technische Grundlagen von Windenergieanlagen und Windparks: Hier werden die allgemeinen technischen Grundlagen von Windenergieanlagen und Windparks diskutiert. Die Diskussion dient dazu, einen gemeinsamen Anfangsstand für die weiterführenden Betrachtungen zu schaffen.

Generatoren - Asynchrongenerator: Hier wird eine kurze Einführung in den Aufbau und die Betriebsweise des Drehstrom-Asynchrongenerators gegeben.

Generatoren – Synchrongenerator: Hier wird eine kurze Einführung in den Aufbau und die Betriebsweise des Drehstrom-Synchrongenerators gegeben.

Leistungselektronik für WEA: Es werden die Aufgaben einer gesteuerten Gleichrichtung auf der Generatorseite des Gleichspannungszwischenkreises mit gepulstem Chopper und des netzseitigen Wechselrichters beschrieben.

Elektrische Netze: Hier werden die Spannungsebenen, unterschiedliche Netztopologien und ihre Vor- und Nachteile sowie Besonderheiten des Netzbetriebs erläutert.

Transformatoren: Es werden Aufbau und Funktion von Leistungstransformatoren beschrieben. Behandelt werden feststoffisolierte und flüssigkeitsisolierte Transformatoren. Als Parameter werden die Schaltgruppe, die relative Kurzschlussspannung sowie Bedingungen der Parallelschaltung im Netz untersucht. Es werden typische Schadensbilder von Leistungstransformatoren gezeigt und deren Ursachen erläutert. Der Einsatz von Leistungstransformatoren in Windparks wird diskutiert. Hierbei wird auf den Zusammenhang zwischen Isolierstoff und Brandsicherheit eingegangen.

Kabel: Aufbau und Funktion von Kabeln im Nieder-, Mittel- und Hochspannungsbereich werden erläutert. Es wird auf die Unterschiede im Aufbau bei unterschiedlichen Spannungsebenen eingegangen. Die Bezeichnungen von Kabeln werden erläutert. Das Ersatzschaltbild von Kabeln wird beschrieben.

Freileitungen und natürlicher Betrieb: Es werden der Aufbau und die Funktion der Elemente von Freileitungen beschrieben. Besonderer Wert wird auf die Darstellung des Betriebsverhaltens gelegt. Der natürliche Betrieb als wirtschaftlichste Betriebsart wird ausführlich behandelt. Dazu gehört die Bewertung unterschiedlicher Betriebsfälle anhand des Ersatzschaltbildes einer Freileitung. Anschließend wird das Problem der Spannungsstabilität behandelt.

Schaltanlagen: Es werden die unterschiedlichen Technologien zur Ausführung von Schaltanlagen vorgestellt. Die wesentlichen Komponenten wie Leistungsschalter, Lastschalter, Lasttrennschalter und Trenner sowie deren Aufgaben werden erläutert.

Schutztechnik: Hier werden die grundlegenden Prinzipien des Anlagen- und Komponentenschutzes vorgestellt. Es werden Beispiele für die Anwendung der Schutztechnik erläutert.

Blindleistungsmanagement in Windparks: Es wird gezeigt, in welcher Form Windenergieanlagen am Blindleistungsmanagement in Windparks beteiligt werden können und wodurch deren Stellmöglichkeit begrenzt wird.

Transformatoren für Offshore-Anwendungen: Ein Koreferent aus der Praxis stellt Konzeptionen für Transformatoren in Offshore-Anwendungen vor. Dabei werden die Vor- und Nachteile unterschiedlicher Isolierkonzepte sowie die damit zusammenhängenden Anforderungen an die Brandsicherheit diskutiert.

Anforderungen nach EEG 2009 an WEA und Zusatzkomponenten: Es werden sowohl die Anforderungen nach EEG 2009 als auch die in der Systemdienstleistungsverordnung spezifizierten Detailanforderungen diskutiert. Das erfolgt anhand der technischen Richtlinien, d.h. der BDEW-Mittelspannungsrichtlinie und des TransmissionCodes. Die Folgen für die Auslegung von Komponenten und für die elektrotechnische Gestaltung von Windenergieanlagen werden diskutiert.

Zertifizierung und Modellbildung für WEA und Windparks: Die technischen und organisatorischen Anforderungen und Abläufe der Zertifizierung und Modellbildung für Windenergieanlagen, Zusatzkomponenten und Windparks werden durch einen Koreferenten erläutert, der diese Aufgaben hauptamtlich bei einer Zertifizierungseinrichtung bearbeitet.

Quelle: 
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Detlef Schulz
Helmut-Schmidt-Universität
Universität der Bundeswehr Hamburg
Elektrische Energiesysteme

 

 

Da das erforderliche Spezialwissen der elektrischen Energietechnik auch nicht bei allen Elektrotechnikern vorhanden ist, ergibt sich besonders für Anfänger und Quereinsteiger die anspruchsvolle Aufgabe, neben den Grundlagen ein zielführendes Vertiefungswissen aufzubauen. Hier die Themen im Einzelnen:

  • Gesamtüberblick Windenergieanlage und Einführung
  • Grundlagen des elektrischen Systems
  • Aufbau und grundlegendes Betriebsverhalten der Drehstrom-Asynchronmaschine
  • Aufbau und grundlegendes Betriebsverhalten der Synchronmaschine
  • Funktionsweise und Betriebsverhalten des doppelt gespeisten Asynchrongenerators
  • Leistungselektronik für WEA
  • Grundlagen der Netzregelung
  • Blindleistungsstellung mit WEA
  • Regelung von Drehstrommaschinen mit der Zweiachsentheorie
  • Technische Grundlagen der Anforderungen an WEA nach EEG 2009
  • Wirkungskette Generator-Leistungselektronik-Netz und Netzrückwirkungen
  • Anforderungen nach EEG 2009, Systemdienstleistungsverordnung
  • Zertifizierung und Modellbildung

 

Diese Themen werden wie folgt vertieft:

Gesamtüberblick Windenergieanlage und Einführung: Es werden der Aufbau und die Funktion einer Windenergieanlage (WEA) am Netz beschrieben. Es wird zwischen den Konzepten mit aufgelöstem Triebstrang und konzentriertem Triebstrang unterschieden. Dabei werden die ersten Grundlagen der Funktion des Generators und der Leistungselektronik diskutiert. Es wird das Grundprinzip der Netzkopplung sowie der Netzeinspeisung erläutert. Unter diesem Punkt werden auch die Grundlagen der Windkraftnutzung erklärt. Dazu gehören die nutzbare Windleistung, der Leistungsbeiwert (Betz-Faktor), die Leistungs-Drehzahl-Kennlinien, der drehzahlstarre und drehzahlvariable Betrieb und die Möglichkeiten zur Leistungsbegrenzung an einer Windenergieanlage.

Grundlagen des elektrischen Systems: Hierbei geht es um einen Überblick über die elektrischen Größen in einer Windenergieanlage. Dazu gehören Leistungsbegriffe und ihre Bedeutung, aber auch die mögliche Einbindung in ein Windparknetz sowie der Anschluss am öffentlichen Netz. Dazu werden erste Grundlagen der Netzkopplung von WEA mit Frequenzumrichtern und mögliche Windparkstrukturen erläutert. Für die in WEA genutzten Generatortypen werden grundlegende Niederspannungs- und Mittelspannungskonzepte vorgestellt.

Aufbau und grundlegendes Betriebsverhalten der Drehstrom-Asynchronmaschine: Nach der Erläuterung des Drehfeldbegriffs werden der Motor- und Generatorbetrieb anhand von Beispielen verdeutlicht. Der Aufbau von Kurzschlussläufern und Schleifringläufern wird erläutert. Ausgehend von den elektrischen und magnetischen Größen wird das Wirkprinzip im Motor- und Generatorbetrieb erklärt. Auf das einsträngige Ersatzschaltbild wird kurz eingegangen. Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der Drehstrom-Asynchronmaschine und die Parameter Speisefrequenz, Polpaarzahl, Synchrondrehzahl, Schlupf, Kippmoment und der unter- und übersynchrone Betrieb werden erläutert. Das drehzahlabhängige Verhalten von Rotorfrequenz und Rotorspannung wird beschrieben. Es folgen Beispiele zur Nutzung der Drehstrom-Asynchronmaschine in Windenergieanlagen.

Aufbau und grundlegendes Betriebsverhalten der Synchronmaschine: Es werden Aufbau und Funktion von Vollpol- und Schenkelpolausführungen beschrieben. Das Ersatzschaltbild wird zur Erläuterung der Wirkungsweise genutzt. Weitere Themen sind die Netzsynchronisation, die statische Stabilität der Synchronmaschine und die Nutzung von Synchronmaschinen mit elektrischer Erregung und Permanentmagnet-Erregung in Windenergieanlagen.

Funktionsweise und Betriebsverhalten des doppelt gespeisten Asynchrongenerators (DGASG): Begonnen wird mit dem Grundprinzip des DGASG mit Rotorumrichter. Es wird gezeigt, wie das einsträngige Ersatzschaltbild zur Beschreibung der Funktion genutzt werden kann. Das Hauptaugenmerk liegt auf dem Verständnis des unter- und übersynchronen Generatorbetriebs und der dabei auftretenden Leistungsflüsse. Dazu wird die Funktion des DGASG in Windenergieanlagen ausführlich erläutert und mit Messbeispielen aus der Praxis veranschaulicht. Es werden weiterhin die besonderen technischen Problemstellungen beim Betrieb von Generatoren mit hohen Rotorspannungen verdeutlicht.

Leistungselektronik für WEA: Nach einer Übersicht über die Arten leistungselektronischer Wandler und einer Übersicht der nutzbaren Bauteile, wird die Funktionsweise dreiphasiger Wechselrichter erläutert. Die zur Erzeugung eines Drehstromsystems verwendete Pulsweitenmodulation wird wegen der einfacheren Veranschaulichung anfangs anhand eines einphasigen Wechselrichters verdeutlicht. Es folgt die Erweiterung auf dreiphasige Wechselrichter, verbunden mit der Beschreibung eines vollständigen Systems eines Frequenzumrichters. Dabei werden die Aufgaben einer gesteuerten Gleichrichtung auf der Generatorseite, des Gleichspannungszwischenkreises mit gepulstem Chopper und des netzseitigen Wechselrichters beschrieben.

Grundlagen der Netzregelung: Es werden die wesentlichen Regelungsmechanismen in Verbundnetzen beschrieben. Begonnen wird mit der Frequenz-Wirkleistungs-Regelung, deren Wirkungsweise auch anhand eines Beispiels verdeutlicht wird. Danach wird die Spannungs-Blindleistungs-Regelung erläutert, deren Wirkung anhand eines auftretenden Spannungstrichters im Fehlerfall verständlich wird.

Blindleistungsstellung mit WEA: Nachdem die Grundlagen der Spannungsregelung bekannt sind, wird anhand eines exemplarischen Windparks gezeigt, wie Windenergieanlagen an der Spannungsregelung beteiligt werden können. Dabei wird Wert auf die praxisnahe Betrachtung eines leistungsstarken Windparks mit Anschlusspunkt auf der Höchstspannungsebene gelegt. Somit ist auch der Einfluss der passiven Übertragungseigenschaften von Transformatoren und Kabel auf die Blindleistungsbilanz zu berücksichtigen.

Regelung von Drehstrommaschinen mit der Zweiachsentheorie: Die Zweiachsentheorie wird eingeführt, um eine einfache Struktur mit unabhängiger Regelung von Wirk- und Blindleistung zu entwickeln. Dieses Prinzip wird deshalb erläutert, weil es bei der Regelung von Windenergieanlagen seit langer Zeit Stand der Technik ist.

Technische Grundlagen der Anforderungen an WEA nach EEG 2009: Es wird der Hintergrund der Anforderungen an WEA nach EEG 2009 beschrieben. Dann wird der thematische Bezug zu den Themen Netzregelung und Blindleistungsstellung mit WEA hergestellt. Anschließend werden die in den technischen Richtlinien dargestellten Anforderungen im Detail erläutert.

Wirkungskette Generator-Leistungselektronik-Netz und Netzrückwirkungen: Da die elektrischen Komponenten einer Windenergieanlage ein gemeinsames System bilden, kann das Gesamtverständnis nur aus der Systembetrachtung erwachsen. Deshalb wird an dieser Stelle die Wirkungskette Generator-Leistungselektronik-Netz diskutiert. Wegen seiner praktischen Relevanz wird anschließend das Thema Netzrückwirkungen vertiefend diskutiert.

Anforderungen nach EEG 2009, Systemdienstleistungsverordnung: Als Grundlage der nachfolgenden Zertifizierungsabläufe werden sowohl die Anforderungen nach EEG 2009 als auch die in der Systemdienstleistungsverordnung spezifizierten Detailanforderungen hinsichtlich ihrer Relevanz für die elektrotechnische Gestaltung von Windenergieanlagen diskutiert.

Zertifizierung und Modellbildung: Die technischen und organisatorischen Anforderungen und Abläufe der Zertifizierung und Modellbildung werden durch einen Koreferenten erläutert, der diese Aufgaben hauptamtlich bei einer Zertifizierungseinrichtung bearbeitet.

 

Möchte man tiefer einsteigen muss man sich mit den elektrischen Komponenten für Windparks beschäftigen. Die Auswahlkriterien für elektrische Komponenten von Windparks sind komplex. Dazu gehören die Auswahl der Spannungsebene, die Netzgestaltung, die Auswahl von Transformatoren und Schaltanlagen, die Auswahl geeigneter Kabel, die Verminderung von Netzrückwirkungen sowie die Anforderungen an die Schutztechnik. Für den Netzanschluss von leistungsstarken Windenergieanlagen sind unterschiedliche Konzepte nutzbar. Abhängig von der Spannungsebene ergeben sich unterschiedliche Anforderungen für die Auswahl von Transformatoren, Schaltanlagen, Kabel und die Schutztechnik. Auch die Regelung der Blindleistung muss abhängig von der eingesetzten Anlagentechnik erfolgen. Im Kurs wird ein grundlegendes Verständnis für das Zusammenspiel der technischen Komponenten sowie die dabei auftretenden Wirkungsketten aufgebaut.

 

Im folgenden nochmals die Themen:

  • Technische Grundlagen von Windenergieanlagen und Windparks
  • Generatoren - Asynchrongenerator
  • Generatoren - Synchrongenerator
  • Leistungselektronik für WEA
  • Elektrische Netze
  • Transformatoren
  • Kabel
  • Freileitungen und natürlicher Betrieb
  • Schaltanlagen
  • Schutztechnik
  • Blindleistungsmanagement in Windparks
  • Trafos für Offshore-Anwendungen
  • Anforderungen nach EEG 2009 an WEA und Zusatzkomponenten
  • Zertifizierung und Modellbildung für WEA und Windparks

 

Diese Themen werden wie folgt vertieft:

Technische Grundlagen von Windenergieanlagen und Windparks: Hier werden die allgemeinen technischen Grundlagen von Windenergieanlagen und Windparks diskutiert. Die Diskussion dient dazu, einen gemeinsamen Anfangsstand für die weiterführenden Betrachtungen zu schaffen.

Generatoren - Asynchrongenerator: Hier wird eine kurze Einführung in den Aufbau und die Betriebsweise des Drehstrom-Asynchrongenerators gegeben.

Generatoren – Synchrongenerator: Hier wird eine kurze Einführung in den Aufbau und die Betriebsweise des Drehstrom-Synchrongenerators gegeben.

Leistungselektronik für WEA: Es werden die Aufgaben einer gesteuerten Gleichrichtung auf der Generatorseite des Gleichspannungszwischenkreises mit gepulstem Chopper und des netzseitigen Wechselrichters beschrieben.

Elektrische Netze: Hier werden die Spannungsebenen, unterschiedliche Netztopologien und ihre Vor- und Nachteile sowie Besonderheiten des Netzbetriebs erläutert.

Transformatoren: Es werden Aufbau und Funktion von Leistungstransformatoren beschrieben. Behandelt werden feststoffisolierte und flüssigkeitsisolierte Transformatoren. Als Parameter werden die Schaltgruppe, die relative Kurzschlussspannung sowie Bedingungen der Parallelschaltung im Netz untersucht. Es werden typische Schadensbilder von Leistungstransformatoren gezeigt und deren Ursachen erläutert. Der Einsatz von Leistungstransformatoren in Windparks wird diskutiert. Hierbei wird auf den Zusammenhang zwischen Isolierstoff und Brandsicherheit eingegangen.

Kabel: Aufbau und Funktion von Kabeln im Nieder-, Mittel- und Hochspannungsbereich werden erläutert. Es wird auf die Unterschiede im Aufbau bei unterschiedlichen Spannungsebenen eingegangen. Die Bezeichnungen von Kabeln werden erläutert. Das Ersatzschaltbild von Kabeln wird beschrieben.

Freileitungen und natürlicher Betrieb: Es werden der Aufbau und die Funktion der Elemente von Freileitungen beschrieben. Besonderer Wert wird auf die Darstellung des Betriebsverhaltens gelegt. Der natürliche Betrieb als wirtschaftlichste Betriebsart wird ausführlich behandelt. Dazu gehört die Bewertung unterschiedlicher Betriebsfälle anhand des Ersatzschaltbildes einer Freileitung. Anschließend wird das Problem der Spannungsstabilität behandelt.

Schaltanlagen: Es werden die unterschiedlichen Technologien zur Ausführung von Schaltanlagen vorgestellt. Die wesentlichen Komponenten wie Leistungsschalter, Lastschalter, Lasttrennschalter und Trenner sowie deren Aufgaben werden erläutert.

Schutztechnik: Hier werden die grundlegenden Prinzipien des Anlagen- und Komponentenschutzes vorgestellt. Es werden Beispiele für die Anwendung der Schutztechnik erläutert.

Blindleistungsmanagement in Windparks: Es wird gezeigt, in welcher Form Windenergieanlagen am Blindleistungsmanagement in Windparks beteiligt werden können und wodurch deren Stellmöglichkeit begrenzt wird.

Transformatoren für Offshore-Anwendungen: Ein Koreferent aus der Praxis stellt Konzeptionen für Transformatoren in Offshore-Anwendungen vor. Dabei werden die Vor- und Nachteile unterschiedlicher Isolierkonzepte sowie die damit zusammenhängenden Anforderungen an die Brandsicherheit diskutiert.

Anforderungen nach EEG 2009 an WEA und Zusatzkomponenten: Es werden sowohl die Anforderungen nach EEG 2009 als auch die in der Systemdienstleistungsverordnung spezifizierten Detailanforderungen diskutiert. Das erfolgt anhand der technischen Richtlinien, d.h. der BDEW-Mittelspannungsrichtlinie und des TransmissionCodes. Die Folgen für die Auslegung von Komponenten und für die elektrotechnische Gestaltung von Windenergieanlagen werden diskutiert.

Zertifizierung und Modellbildung für WEA und Windparks: Die technischen und organisatorischen Anforderungen und Abläufe der Zertifizierung und Modellbildung für Windenergieanlagen, Zusatzkomponenten und Windparks werden durch einen Koreferenten erläutert, der diese Aufgaben hauptamtlich bei einer Zertifizierungseinrichtung bearbeitet.

Quelle: 
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Detlef Schulz
Helmut-Schmidt-Universität
Universität der Bundeswehr Hamburg
Elektrische Energiesysteme

 

Antriebsstrang Windenergieanlage

Komponenten

Bei der Anordnung der Komponenten im Triebstrang existieren drei unterschiedliche Bauformen: aufgelöste, integrierte und teilintegrierte Bauform.

Bei der aufgelösten Variante werden alle Komponenten des Triebstranges einzeln auf dem Maschinenträger befestigt. Hier besteht eine eigenständige Rotorlagerung und separat aufgestellte Generatoren und Getriebe. Auf diese Art und Weise werden die Zugänglichkeit aller Bauteile und das Wechseln des Getriebeöls ohne Demontage des Maschinenträgers ermöglicht. Andererseits ist die Wahrscheinlichkeit von Schäden aufgrund von Montagefehlern relativ hoch, was zu nicht vorherzusehenden Zusatzbeanspruchungen und Verschleiß führen kann. 

Die integrierte Bauform stellt eine Zusammenfassung der Funktionen der einzelnen Komponenten sicher. Die Rotorlagerung, das Getriebe und der Generator werden hier als Block zusammengefasst, wobei allerdings eine Sonderanfertigung des Getriebes, welches ohne Demontage des gesamten Maschinenträgers nicht ausgetauscht werden kann, erforderlich ist. Vorteilhaft bei dieser Bauweise ist die Kompaktheit bei Transport und Montage.

Die teilintegrierte Bauform stellt eine Mischform der ersten beiden Formen dar. Bei dieser Bauweise wird fast ausschließlich die sogenannte Drei-Punkt-Lagerung verwendet. Das vordere Rotorlager übernimmt einen großen Teil der Rotorgewichtslasten und den Rotorschub, wobei die Kräfte direkt an die langsam laufende Getriebewelle übertragen werden. Die weiteren beiden Lager haben als Aufgabe die Abstützung des Getriebegehäuses.

Ein sehr unterschiedlicher Triebstrang ist in getriebelosen Anlagen zu finden. Hier wird ein direkt getriebener, hochpoliger Generator verwendet, wobei Nabe und Generator direkt miteinander verbunden sind. Solche WEA haben ein sehr hohes Gewicht aber auch die höchste Verfügbarkeit.

Getriebe

Das Getriebe einer WEA befindet sich zwischen der Rotorwelle und dem Generator und hat als Aufgaben die Übersetzung der Drehzahl der langsam laufenden Rotorwelle (10 – 30 U/min) auf die Drehzahl des Generators (bis zu 1500 U/min). Das Getriebe hat ein gleichbleibendes Übersetzungsverhältnis, welches von der Baugröße der WEA abhängt. Die Baugröße eines Getriebes wird durch das erforderliche Übersetzungsverhältnis zwischen Rotor- und Generatorwelle vorgegeben.

Mechanische Bremse

Die mechanische Scheibenbremse bei WEA mit einer Nennleistung kleiner als 600 kW sitzt entweder auf der langsamen Hauptwelle oder auf der schnellen Seite des Getriebes, was zur keiner Belastung des Getriebes während des Bremsvorgangs führt. Bei Anlagen mit Nennleistungen größer als 600 kW ist die mechanische Bremse auf der schnellen Welle zu finden. Hier muss bei der Konstruktion die sofortige Versetzung des Rotors aus voller Last in den Stillstand berücksichtigt werden. Im Normalbetrieb dient die mechanische Bremse als Feststellbremse.

QUELLE: B.Sc. Kristina Spasova, HOCHSCHULE BREMERHAVEN

 

Die Tagungen und Seminare, die sich mit den Gründungen und Tragstrukturen (Türme) von Windenergieanlagen beschäftigen, gehören seit Jahren zu den am besten besuchten Veranstaltungen im Haus der Technik. Herr Professor Peter Schaumann von der Leibniz Universität Hannover, Institut für Stahlbau/Institute for Steel Construction hat die Veranstaltungen ganz wesentlich mit geprägt. http://www.stahlbau.uni-hannover.de.

Türme und Fundamente für On- und Offshore Windenergieanlagen

Aktuelle Multi-Megawatt Windenergieanlagen (WEA) stellen sehr hohe Anforderungen an die Tragfähigkeit des Untergrundes und an ihre Fundamente. Die wachsenden Turmhöhen stellen die Ingenieure vor immer größere Herausforderungen, die mit technisch herausragenden und wirtschaftlichen Lösungen zu beantworten sind. Hierfür sind an Land Türme mit Nabenhöhen von über 100 m eine Schlüsseltechnologie.

Baugrunderkundung und Baugrundverbesserung

Zahlreiche Fachleute aus der Industrie und von den Hochschulen sorgen für eine praxisnahe Wissensvermittlung auf hohem Niveau. Im Detail geht es um die Bereiche: Baugrunderkundung, Baugrundverbesserung, Fundamente, Türme, Stahrohrturm, Hybridturm, Tragstrukturen, Ermüdungsverhalten, Offshorefundamente, Gründungsmonitoring, geotechnische Felderkundung, Tragfähigkeit des Untergrundes.

Neue Standorte können erschlossen werden, z. B. auch in weniger windreichen Bundesländern wie Bayern und Baden-Württemberg. Auch die Vielzahl von kleinen Windenergieanlagen kann im Rahmen von anstehenden Repowering-Maßnahmen durch eine geringere Anzahl an leistungsfähigeren und größeren Windenergieanlagen der Multimegawatt-Klasse ersetzt werden. 

Die wachsenden Turmhöhen stellen die Ingenieure vor immer größere Herausforderungen, die mit technisch herausragenden und wirtschaftlichen Lösungen zu beantworten sind. Im Rahmen unserer Veranstaltungen über Türme und Gründungen von Windenergieanlagen werden alle relevanten Themenbereiche behandelt:

• Lastannahmen und -simulation
• Tragstrukturkonzepte 
   • Stahlrohrtürme
   • Fachwerktürme
   • Spannbetontürme in Situ hergestellt und in Fertigteilbauweise
   • Hybride Türme
• Baugrunduntersuchungen und Gründungen
• Bemessung von Türmen und Gründungen für Windenergieanlagen

   • Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit
   • Nachweise im Grenzzustand der Ermüdung

• Einführung in die Offshore-Windenergie

• Erste Erfahrungsberichte mit Offshore-Projekten

 

Die Auslegung einer Tragstruktur für eine Windenergieanlage ist eine interdisziplinäre Aufgabe. Der rasante technologische Fortschritt wird durch die regelmäßigen Weiterentwicklungen der Regelwerke dokumentiert und spiegelt sich bei den verfügbaren Tragstrukturkonzepten und Werkstoffen bzw. der Werkstoffkombinationen wieder. Entsprechend werden die Inhalte des Seminars regelmäßig aktualisiert und bieten Anlass für erneute Teilnahmen.

Lastannahmen und -simulation 

Die Lasten für Onshore-Windenergieanlagen sind nach DIBt-Richtlinie für Windenergieanlagen bzw. in Anlehung an die IEC 61400-1 anzunehmen. Bei der Lastsimulation zur Ermittlung der maßgebenden Beanspruchungen für Turm und Gründung berücksichtigen die verschiedenen Rechenverfahren die Interaktion zwischen Wind- und Betriebslasten aus der Maschine und der Tragstruktur mit unterschiedlicher Genauigkeit. Die wesentlichen Einflussparameter auf die dynamische Strukturantwort werden für die Auslegung der Tragstruktur anschaulich anhand eines Campell-Diagramms erläutert. Je nach möglicher dynamischer Erregung der Tragstruktur kann ein vereinfachtes Verfahren zur Schnittgrößenermittlung oder eine aufwendigere, integrierte Gesamtsimulation zur Anwendung kommen.

Tragstrukturkonzepte 

Entscheidenden Einfluss auf das dynamische Verhalten der Tragstruktur, bestehend aus Turmkonstruktion und Gründung, hat das Tragstrukturkonzept: 

Reine Stahlbauweisen als Rohrturm- oder aufgelöste Fachwerkkonstruktionen, vorgespannte Betontürme aus Ortbeton oder Fertigteilsegmenten und hybride Turmkonstruktion als Mischbauweise kommen zum Einsatz. Die wesentlichen Parameter für die Wahl des Turm- und Gründungskonzeptes sind die Nabenhöhe, freie Fertigungskapazitäten, die Transportmöglichkeiten von der Produktionsstätte bis zum geplanten Standort der Windenergieanlage und die vorliegenden Baugrundverhältnisse. 

Rohrtürme aus Stahl sind bis ca. 100 m Nabenhöhe sehr wirtschaftlich. Mehrere Turmsegmente mit Ringflanschverbindungen werden auf die Baustelle transportiert. Mit großen Schrauben wird das unterste Segment auf der fertiggestellten Gründung befestigt und die weiteren Segmente werden darüber aufgeschraubt. Aus Transportgründen ist der Durchmesser des Segmentes am Turmfuß auf maximal 4,30 m begrenzt. 

Höhere Türme, derzeit bis etwa 160 m Nabenhöhe, werden daher im unteren Drittel vor Ort aus Spannbeton hergestellt. Ein aufgesetzter Stahlrohrturm komplettiert die hybride Turmkonstruktion. Alternativ kommt eine reine Betonbauweise in Frage, die örtlich mit Kletterschalung betoniert oder aus Betonfertigteilen aufgestellt wird. Die Vorspannung wird durch Spannglieder im Verbund oder durch extern geführte Litzenpakete aufgebracht. 

Aufgrund der aufwendigeren Fertigung, Montage und Wartung einschließlich des Korrosionsschutzes kommen die deutlich leichteren, geschraubten Gittermasttürme aktuell nur wenig zum Einsatz. Gegebenenfalls erlebt diese Bauweise bei stark steigenden Stahlpreisen, besonders wegen der zusätzlichen Stahlnachfrage für die Tragstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen, eine Renaissance.

Nachweise und Bemessung

Die Bemessung von Türmen für Windenergieanlagen gliedert sich im Wesentlichen in zwei Bereiche – den Nachweis der Tragfähigkeit und die Auslegung gegen Ermüdung. Die folgende Auflistung fasst die Kernpunkte in Kürze zusammen:

• Lastzusammenstellung und Kombinationen

• Stabilitätsnachweis gegen Schalenbeulen oder Knicken von Fachwerkstäben

• Druckfestigkeit der vorgespannten Betone

• Detailnachweise an Unstetigkeitsstellen bei Blechdickenabstufungen und Türöffnungen

• Tragfähigkeit der 

  • eingesetzten Verbindungstechnik
  • Ringflansche
  • Schrauben großer Abmessung
  • Geschweißten Konstruktionsdetails
  • Vorgespannten Verankerungen zwischen Stahl- und Betonturmsegmenten
  • Endverankerung von Spanngliedern oder externen geführten Litzenpaketen

 

• Ermüdungsnachweise 

  • Ringflansche, Schweißverbindungen und große SchraubenEinstufung in Kerbfallklassen oder Anwendung des Strukturspannungskonzeptes
  • Einstufung in Kerbfallklassen oder Anwendung des Strukturspannungskonzeptes
  • Höherfeste Betone unter Druckschwellbeanspruchung
  • Spannungsumlagerungen durch Kriechen, Schwinden und Ermüdungsbeanspruchungen
  • Dekompressionnachweis der Spannbetondetails zur Vermeidung großer Schwingspiele in den Spanngliedern

 

Dieses Seminar stellt die grundlegenden Nachweise vor. Für stählerne Türme stehen im Grenzzustand der Tragfähigkeit die Stabilitätsnachweise im Vordergrund. Die Beulgefahr der schlanken Stahlrohrtürme ist bekannt und wird bisher durch Nachweise nach DIN 18800 erfasst, welche in Kürze durch den Eurocode 3 (DIN EN 1993) ersetzt wird. Nach Eurocode 3 stehen zusätzlich erweiterte Nachweisformate gegen Schalenbeulen zur Verfügung. Besonders beim Beulnachweis von Türmen für Windenergieanlagen in größerer Stückzahl kann sich der hierfür größere Rechenaufwand durch weitere Materialeinsparungen rentieren. 

Der Nachweis der Ermüdung ist häufig maßgebend für die Dimensionierung der Tragstruktur, insbesondere im Bereich von Fügestellen, die eine geringere Ermüdungsfestigkeit aufweisen. Während der Lebensdauer von mindestens 20 Jahren von Windenergieanlagen muss die Tragstruktur an Land rund 108 Spannungsschwingspiele ertragen. Die genaue Untersuchung der Bauteildetails, wie z. B. den Ringflanschen als kombiniert geschraubte und geschweißte Verbindungselemente, ist daher unerlässlich.

Baugrunduntersuchungen und Gründungen

Aktuelle Multi-Megawatt Windenergieanlagen (WEA) stellen sehr hohe Anforderungen an die Tragfähigkeit des Untergrundes und an ihre Fundamente. Mit dem kontinuierlichen Größenwachstum während der letzten 30 Jahre stieg die WEA-Nennleistung von etwa 55 kW im Jahre 1984, über 1,0 MW im Jahre 1999/2000 bis hin zur aktuellen Multimegawatt-Klasse mit 6,0 MW oder mehr an. Damit einhergehend stiegen aber auch die Anforderungen an den Baugrund hinsichtlich der einzuhaltenden Mindestwerte für das dynamische Steifemodul, die dynamische Drehfedersteifigkeit und die abzutragende Bodenpressung deutlich an. Neben einer sach- und fachgerechten Baugrunderkundung sind die fundierte Beurteilung der technischen und wirtschaftlichen Möglichkeiten von Baugrundverbesserungsverfahren, die Wahl eines geeigneten Gründungskonzeptes und dessen standortbezogene Optimierung von entscheidender Bedeutung für die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit von Windenergieanlagengründungen.

Die Gründung von Windenergieanlagen erfolgt üblicherweise als Flachgründung, die bei schlechten Baugrundverhältnissen durch zusätzliche Pfähle verstärkt wird, um die Lasten in tieferen, tragfähigeren Bodenschichten abzusetzen. Die Gründungstragfähigkeit ist häufig nicht maßgebend für die Auslegung, weil die Bodensteifigkeiten am Turmfuß die Eigenfrequenzen signifikant beeinflussen. Die dynamische Belastung der gesamten Tragstruktur hängt maßgebend von der fachgerechten Auslegung der Gründung ab. Gemäß den Annahmen der Windenergieanlagenhersteller muss die Gründung eine Mindeststeifigkeit erfüllen, um die berücksichtigten Eigenfrequenzen bei der Lastermittlung der Tragstruktur einzuhalten. Die frühzeitige Beratung durch einen geotechnischen Sachverständigen ist zu empfehlen, um eine optimale Kombination aus Turm und Gründung auswählen zu können. Ein entsprechendes Baugrundgutachten ist aufgrund des hohen Schwierigkeitsgrades der Gründung – hier geotechnische Kategorie 3 –in jedem Fall vorgeschrieben. Die erforderlichen umfangreichen Baugrunderkundungen werden diskutiert. 

Auch bei der Gründung spielen die hohen Lastspielzahlen eine maßgebende Rolle. Das Baugrundverhalten unter zyklischer Belastung ist richtig einzuschätzen, damit der Turm der Windenergieanlage über die gesamte Lebensdauer auf sicherem Fuße steht. Die Fortschritte im Forschungsbereich für die Gründung von Windenergieanlagen und deren Bemessung werden durch namhafte Gastreferenten erläutert.

Einführung in die Offshore-Windenergie 

Der kurze Einblick in die Offshore-Windenergie stellt die wesentlichen Unterschiede, aber auch die Gemeinsamkeiten mit den Onshore-Windenergieanlagen heraus. Mit Bezug auf die derzeit viel diskutierte Energiewende, ist ein Vorteil der Offshore-Standorte die stetigere Energieproduktion und ein höherer Jahresenergieertrag mit bis zu 4.000 Volllaststunden. Ein entscheidender Nachteil ist die schlechtere Zugänglichkeit für Wartungszwecke. 

Beim Tragstrukturdesign werden im Offshore-Bereich aufgrund der komplexeren geometrischen Details verschiedene aufwendigere Nachweise, wie das Strukturspannungskonzept, bevorzugt angewendet. Es ist zu erwarten, dass die Onshore-Konstruktionen von den großen Forschungsanstrengungen für Tragstrukturen von Offshore-Windenergielagen nachhaltig profitieren werden. Die Windenergieaktivitäten in Nord- und Ostsee werden deshalb in diesem Seminar thematisiert und sind eine Bereicherung für jeden Planer von Windenergieanlagen an Land.

Quellen: 
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann
Leibniz Universität Hannover
Institut für Stahlbau/Institute for Steel Construction
Dipl.-Geol. Christian Schümann, TÜV NORD SysTec GmbH & Co. KG 
Abteilung Windenergie Baugrunderkundung und Gründungsberatung, Essen

 

Aktuelles Interview:

Im Vorfeld der 7. internationalen HDT-Tagung  
Baugrunderkundung, Baugrundverbesserung und Gründungen für Windenergieanlagen 
sprachen wir mit Dipl.-Geol. Christian Schümann, Sachverständiger Gruppe Wind Standortgutachten –Baugrunderkundung und Gründungsberatung TÜV NORD SysTec GmbH & Co. KG

1) Was ist bei einer Gründung von Windenergieanlagen aus Ihrer Sicht besonders zu beachten?

Windenergieanlagen stellen a) sehr hohe Anforderungen an den Baugrund, weisen b) dynamische (zyklische) Belastungen auf und sind c) aufgrund ihrer hohen, schlanken Bauweise als kippgefährdete Bauwerke einzustufen. Daher kommt einer Baugrunderkundung für derartig anspruchsvolle Bauwerke eine besondere Bedeutung zu, die u.a. in der Einstufung der Windenergieanlagen in die höchste geotechnische Kategorie 3 ihren Ausdruck findet.

2) Wer erstellt Baugrundgutachten?

Baugrundgutachten für derart anspruchsvolle Bauwerke der geotechnischen Kategorie 3 sollten nur von geotechnischen Sachverständigen erstellt werden, die über entsprechende langjährige Erfahrungen auf diesem Fachgebiet verfügen. Von der fachlichen Ausbildung her sind derartige geotechnische Sachverständige üblicherweise entweder Bauingenieure, Ingenieure für Geotechnik oder (Ingenieur-)Geologen. Die Beauftragung der geotechnischen Erkundung erfolgt im Regelfall durch den Bauherrn oder durch dessen Planer / Architekten.

3) Was sollte heute nach Stand der Technik bei einer Baugrunderkundung besonders berücksichtigt werden?

Der Umfang einer Baugrunderkundung ist in den diesbezüglichen Normen wie der DIN 4020 (Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke – Ergänzende Regelungen zu DIN EN 1997-2), dem Beiblatt 1 zu DIN 4020 sowie dem Eurocode 7, Teil 2 (Deutsche Fassung EN 1997-2:2007 + AC:2010) und dessen nationalem Anhang (DIN EN 1997-2/NA) eindeutig geregelt. (Hinweis: Für Offshore-Windenergieanlagen gelten noch andere, zusätzliche Normen und Regelwerke (wie z. B. der BSH-Standard Baugrunderkundung für Offshore-Windenergieparks), auf die ich hier nicht näher eingehen möchte. Bezüglich der Gründung von Offshore-Windparks herrscht vermutlich noch ein gewisser Forschungsbedarf, während der Onshore-Bereich aufgrund umfangreicher und langjähriger Erfahrungen als ausreichend bekannt gelten kann.) Leider stellt man in der Praxis aber immer wieder fest, dass die Vergabe von geotechnischen Erkundungen einem sehr starken wirtschaftlichen Druck unterworfen ist. Dies führt letztendlich oft zu Abstrichen / Reduzierungen bei der Umsetzung der geotechnischen Erkundung sowie zu entsprechenden Mängeln in den resultierenden geotechnischen Berichten / Baugrundgutachten.

4) Wer trägt das Baugrundrisiko bei Erstellung der Windkraftanlagen und wie kann es noch besser abgesichert werden?

Das Baugrundrisiko trägt grundsätzlich der Bauherr, denn er stellt den „Baustoff Boden“ zur Verfügung. Sollte also trotz einer sorgfältigen und fachgerechten Baugrunderkundung ein nicht vorhersehbarer Schaden an dem Bauwerk „Windenergieanlage“ entstehen, dessen Ursache dem Baugrund zuzuordnen ist, so spricht man vom sogenannten „Baugrundrisiko“, dass der Bauherr zu tragen hat. Der Begriff „Baugrundrisiko“ deckt jedoch nicht die Schäden ab, die auf eine ungenügende, nicht sach- und fachgerechte Baugrunderkundung zurückzuführen sind! Für derartige Schäden haftet der geotechnische Sachverständige.

5) Was sollte bei einer Baugrunduntersuchung aus Ihrer Sicht besonders geprüft werden?

Die Art, Anzahl und erforderliche Mindesttiefe der Baugrundaufschlüsse sind jeweils zu beachten. Ferner sollte darauf geachtet werden, dass boden-/felsmechanische Laboruntersuchungen ausgeführt und rechnerische Standsicherheitsnachweise geführt werden. Für Bauvorhaben, die mittels eines typengeprüften Fundamentes (typische deutsche Vorgehensweise) erstellt werden, kann der geotechnische Bericht und der geotechnische Entwurfsbericht in einer Hand vergeben und innerhalb eines Berichtes erstellt werden, jedoch sollte dann im Inhaltsverzeichnis die Kapitel entsprechend getrennt behandelt werden. Für alle anderen Fundamente sollten der geotechnische Bericht und der geotechnische Entwurfsbericht zwei getrennte Berichte darstellen, was in der Praxis aber häufig nicht beachtet wird.

6) Was sollte bei der Suche nach einem Baugrundgutachter / geotechnischen Sachverständigen (ich habe hier die vermutlich fehlenden Begriffe ergänzt) beachtet werden?

Der Bauherr sollte sich nach der Erfahrung des geotechnischen Sachverständigen mit derartig anspruchsvollen Bauvorhaben erkundigen und nur entsprechend erfahrene Sachverständige / Ingenieurbüros mit diesen Leistungen beauftragen. Leider wird häufig von Bauherrenseite nur auf das Preisniveau geachtet und die Vergabe erfolgt ausschließlich unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten an den „günstigsten Anbieter“. Es ist verwunderlich, dass bei derart anspruchsvollen und kostenintensiven Bauwerken (Windenergieanlagen / Windparks), die Vergabe der geotechnischen Standorterkundung / Baugrunderkundung, obwohl der Baugrund im wahrsten Sinne des Wortes die „Basis“ für das geplante Bauvorhaben darstellt, derart stark von preislichen Aspekten gesteuert wird, während der Erfahrung und Sachkunde des Gutachters vergleichsweise wenig Beachtung geschenkt wird.

7) Die durch die Baugrunderkundung gewonnenen Werte, weichen oft von der Realität im Baufeld ab (Stichwort Pile driving analysis), wie kann man diesen Umstand evtl. verbessern, welche Methoden würden Sie favorisieren und aus welchem Grund?

Dass im Vorfeld der Baugrunderkundung gewonnene Ergebnisse / Bodenkennwerte während der Durchführung der eigentlichen Baumaßnahme ggf. etwas abweichen, ist einerseits den punktuellen Baugrundaufschlüssen, die im Vergleich zum späteren WEA-Fundament nur einen sehr kleinen Durchmesser aufweisen und strenggenommen nur für den jeweiligen Ansatzpunkt aussagekräftig sind sowie andererseits den wechselnden Eigenschaften der Böden, die auch über kürzere Entfernungen hinweg variieren können, geschuldet. Der erfahrene Baugrundsachverständige wird im Regelfall daher mehrere Baugrundaufschlüsse ausführen lassen, um sich einen Eindruck von der Homogenität bzw. Inhomogenität des Baugrundes zu verschaffen und das Baugrundmodell zu präzisieren. Darüber ist der geotechnische Sachverständige nicht nur im Zuge der Baugrunderkundung, sondern auch noch danach, z. B. im Zuge der gutachterlichen Abnahme und Freigabe der Baugrubensohlen oder beim Rammen bzw. Herstellen der ersten Pfähle einer Tiefgründung vor Ort anwesend, um den Baugrund nochmals beurteilen und ggf. erforderliche Anpassungen vornehmen zu können. Geophysikalische Erkundungsverfahren können als ergänzende, flächehafte Erkundungsverfahren z. B. bei der Suche nach ggf. im Untergrund vorhandenen Hohlräumen sehr hilfreich sein, jedoch geraten geophysikalische Erkundungsverfahren bei der Bestimmung der bodenmechanischen Eigenschaften und Tragfähigkeiten der Böden häufig an ihre verfahrensbedingten Grenzen. Auch zukünftig werden die Baugrundsachverständigen daher auf Bohrungen, Sondierungen und bodenmechanische Laboruntersuchungen angewiesen sein.

8) Können Sie eine Aussage dahingehend machen, ab wann die CPT basierten Pfahltragfähigkeitsberechnungen in Deutschland anerkannt werden?

Für die Bemessung von Pfählen werden auch heute schon die Ergebnisse von Drucksondierungen (CPT) herangezogen, die jedoch in Deutschland immer nur in Kombination mit ergänzenden Bohrungen auszuführen sind. Auf der Basis der Ergebnisse der Bohrungen und Drucksondierungen, ergänzt um Ergebnisse aus bodenmechanischen Laborversuchen werden im Zuge der Vordimensionierung die zu erwartenden äußeren Pfahltragfähigkeiten rechnerisch ermittelt. Die tatsächlich vor Ort erreichten Pfahltragfähigkeiten werden an extra dafür hergestellten Testpfählen oder aber nach erfolgter Herstellung der ersten Gründungspfähle an diesen Pfählen durch dynamische oder statische Pfahlprobebelastungen ermittelt. Lediglich wenn genügend Erfahrungen aus Pfahlprobebelastungen an ähnlichen Standortbedingungen vorliegen, darf auf der Basis der vorliegenden Erfahrungen die Pfahltragfähigkeit ermittelt bzw. abgeleitet werden. Hierfür werden dann auch die Ergebnisse aus Rammformeln herangezogen, anhand derer man die erzielten Pfahltragfähigkeiten abschätzen bzw. ableiten kann. Drucksondierungen spielen also auch heute schon eine wichtige Rolle bei der Dimensionierung von Pfahlgründungen. 

Diese Themen werden wie folgt vertieft: Gesamtüberblick Windenergieanlage und Einführung:  Es werden der Aufbau und die Funktion einer Windenergieanlage (WEA) am Netz beschrieben. Es... mehr erfahren »
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Diese Themen werden wie folgt vertieft:

Gesamtüberblick Windenergieanlage und Einführung: Es werden der Aufbau und die Funktion einer Windenergieanlage (WEA) am Netz beschrieben. Es wird zwischen den Konzepten mit aufgelöstem Triebstrang und konzentriertem Triebstrang unterschieden. Dabei werden die ersten Grundlagen der Funktion des Generators und der Leistungselektronik diskutiert. Es wird das Grundprinzip der Netzkopplung sowie der Netzeinspeisung erläutert. Unter diesem Punkt werden auch die Grundlagen der Windkraftnutzung erklärt. Dazu gehören die nutzbare Windleistung, der Leistungsbeiwert (Betz-Faktor), die Leistungs-Drehzahl-Kennlinien, der drehzahlstarre und drehzahlvariable Betrieb und die Möglichkeiten zur Leistungsbegrenzung an einer Windenergieanlage.

Grundlagen des elektrischen Systems: Hierbei geht es um einen Überblick über die elektrischen Größen in einer Windenergieanlage. Dazu gehören Leistungsbegriffe und ihre Bedeutung, aber auch die mögliche Einbindung in ein Windparknetz sowie der Anschluss am öffentlichen Netz. Dazu werden erste Grundlagen der Netzkopplung von WEA mit Frequenzumrichtern und mögliche Windparkstrukturen erläutert. Für die in WEA genutzten Generatortypen werden grundlegende Niederspannungs- und Mittelspannungskonzepte vorgestellt.

Aufbau und grundlegendes Betriebsverhalten der Drehstrom-Asynchronmaschine: Nach der Erläuterung des Drehfeldbegriffs werden der Motor- und Generatorbetrieb anhand von Beispielen verdeutlicht. Der Aufbau von Kurzschlussläufern und Schleifringläufern wird erläutert. Ausgehend von den elektrischen und magnetischen Größen wird das Wirkprinzip im Motor- und Generatorbetrieb erklärt. Auf das einsträngige Ersatzschaltbild wird kurz eingegangen. Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der Drehstrom-Asynchronmaschine und die Parameter Speisefrequenz, Polpaarzahl, Synchrondrehzahl, Schlupf, Kippmoment und der unter- und übersynchrone Betrieb werden erläutert. Das drehzahlabhängige Verhalten von Rotorfrequenz und Rotorspannung wird beschrieben. Es folgen Beispiele zur Nutzung der Drehstrom-Asynchronmaschine in Windenergieanlagen.

Aufbau und grundlegendes Betriebsverhalten der Synchronmaschine: Es werden Aufbau und Funktion von Vollpol- und Schenkelpolausführungen beschrieben. Das Ersatzschaltbild wird zur Erläuterung der Wirkungsweise genutzt. Weitere Themen sind die Netzsynchronisation, die statische Stabilität der Synchronmaschine und die Nutzung von Synchronmaschinen mit elektrischer Erregung und Permanentmagnet-Erregung in Windenergieanlagen.

Funktionsweise und Betriebsverhalten des doppelt gespeisten Asynchrongenerators (DGASG): Begonnen wird mit dem Grundprinzip des DGASG mit Rotorumrichter. Es wird gezeigt, wie das einsträngige Ersatzschaltbild zur Beschreibung der Funktion genutzt werden kann. Das Hauptaugenmerk liegt auf dem Verständnis des unter- und übersynchronen Generatorbetriebs und der dabei auftretenden Leistungsflüsse. Dazu wird die Funktion des DGASG in Windenergieanlagen ausführlich erläutert und mit Messbeispielen aus der Praxis veranschaulicht. Es werden weiterhin die besonderen technischen Problemstellungen beim Betrieb von Generatoren mit hohen Rotorspannungen verdeutlicht.

Leistungselektronik für WEA: Nach einer Übersicht über die Arten leistungselektronischer Wandler und einer Übersicht der nutzbaren Bauteile, wird die Funktionsweise dreiphasiger Wechselrichter erläutert. Die zur Erzeugung eines Drehstromsystems verwendete Pulsweitenmodulation wird wegen der einfacheren Veranschaulichung anfangs anhand eines einphasigen Wechselrichters verdeutlicht. Es folgt die Erweiterung auf dreiphasige Wechselrichter, verbunden mit der Beschreibung eines vollständigen Systems eines Frequenzumrichters. Dabei werden die Aufgaben einer gesteuerten Gleichrichtung auf der Generatorseite, des Gleichspannungszwischenkreises mit gepulstem Chopper und des netzseitigen Wechselrichters beschrieben.

Grundlagen der Netzregelung: Es werden die wesentlichen Regelungsmechanismen in Verbundnetzen beschrieben. Begonnen wird mit der Frequenz-Wirkleistungs-Regelung, deren Wirkungsweise auch anhand eines Beispiels verdeutlicht wird. Danach wird die Spannungs-Blindleistungs-Regelung erläutert, deren Wirkung anhand eines auftretenden Spannungstrichters im Fehlerfall verständlich wird.

Blindleistungsstellung mit WEA: Nachdem die Grundlagen der Spannungsregelung bekannt sind, wird anhand eines exemplarischen Windparks gezeigt, wie Windenergieanlagen an der Spannungsregelung beteiligt werden können. Dabei wird Wert auf die praxisnahe Betrachtung eines leistungsstarken Windparks mit Anschlusspunkt auf der Höchstspannungsebene gelegt. Somit ist auch der Einfluss der passiven Übertragungseigenschaften von Transformatoren und Kabel auf die Blindleistungsbilanz zu berücksichtigen.

Regelung von Drehstrommaschinen mit der Zweiachsentheorie: Die Zweiachsentheorie wird eingeführt, um eine einfache Struktur mit unabhängiger Regelung von Wirk- und Blindleistung zu entwickeln. Dieses Prinzip wird deshalb erläutert, weil es bei der Regelung von Windenergieanlagen seit langer Zeit Stand der Technik ist.

Technische Grundlagen der Anforderungen an WEA nach EEG 2009: Es wird der Hintergrund der Anforderungen an WEA nach EEG 2009 beschrieben. Dann wird der thematische Bezug zu den Themen Netzregelung und Blindleistungsstellung mit WEA hergestellt. Anschließend werden die in den technischen Richtlinien dargestellten Anforderungen im Detail erläutert.

Wirkungskette Generator-Leistungselektronik-Netz und Netzrückwirkungen: Da die elektrischen Komponenten einer Windenergieanlage ein gemeinsames System bilden, kann das Gesamtverständnis nur aus der Systembetrachtung erwachsen. Deshalb wird an dieser Stelle die Wirkungskette Generator-Leistungselektronik-Netz diskutiert. Wegen seiner praktischen Relevanz wird anschließend das Thema Netzrückwirkungen vertiefend diskutiert.

Anforderungen nach EEG 2009, Systemdienstleistungsverordnung: Als Grundlage der nachfolgenden Zertifizierungsabläufe werden sowohl die Anforderungen nach EEG 2009 als auch die in der Systemdienstleistungsverordnung spezifizierten Detailanforderungen hinsichtlich ihrer Relevanz für die elektrotechnische Gestaltung von Windenergieanlagen diskutiert.

Zertifizierung und Modellbildung: Die technischen und organisatorischen Anforderungen und Abläufe der Zertifizierung und Modellbildung werden durch einen Koreferenten erläutert, der diese Aufgaben hauptamtlich bei einer Zertifizierungseinrichtung bearbeitet.

 

Möchte man tiefer einsteigen muss man sich mit den elektrischen Komponenten für Windparks beschäftigen. Die Auswahlkriterien für elektrische Komponenten von Windparks sind komplex. Dazu gehören die Auswahl der Spannungsebene, die Netzgestaltung, die Auswahl von Transformatoren und Schaltanlagen, die Auswahl geeigneter Kabel, die Verminderung von Netzrückwirkungen sowie die Anforderungen an die Schutztechnik. Für den Netzanschluss von leistungsstarken Windenergieanlagen sind unterschiedliche Konzepte nutzbar. Abhängig von der Spannungsebene ergeben sich unterschiedliche Anforderungen für die Auswahl von Transformatoren, Schaltanlagen, Kabel und die Schutztechnik. Auch die Regelung der Blindleistung muss abhängig von der eingesetzten Anlagentechnik erfolgen. Im Kurs wird ein grundlegendes Verständnis für das Zusammenspiel der technischen Komponenten sowie die dabei auftretenden Wirkungsketten aufgebaut.

 

Im folgenden nochmals die Themen:

  • Technische Grundlagen von Windenergieanlagen und Windparks
  • Generatoren - Asynchrongenerator
  • Generatoren - Synchrongenerator
  • Leistungselektronik für WEA
  • Elektrische Netze
  • Transformatoren
  • Kabel
  • Freileitungen und natürlicher Betrieb
  • Schaltanlagen
  • Schutztechnik
  • Blindleistungsmanagement in Windparks
  • Trafos für Offshore-Anwendungen
  • Anforderungen nach EEG 2009 an WEA und Zusatzkomponenten
  • Zertifizierung und Modellbildung für WEA und Windparks

 

 

Diese Themen werden wie folgt vertieft:

Technische Grundlagen von Windenergieanlagen und Windparks: Hier werden die allgemeinen technischen Grundlagen von Windenergieanlagen und Windparks diskutiert. Die Diskussion dient dazu, einen gemeinsamen Anfangsstand für die weiterführenden Betrachtungen zu schaffen.

Generatoren - Asynchrongenerator: Hier wird eine kurze Einführung in den Aufbau und die Betriebsweise des Drehstrom-Asynchrongenerators gegeben.

Generatoren – Synchrongenerator: Hier wird eine kurze Einführung in den Aufbau und die Betriebsweise des Drehstrom-Synchrongenerators gegeben.

Leistungselektronik für WEA: Es werden die Aufgaben einer gesteuerten Gleichrichtung auf der Generatorseite des Gleichspannungszwischenkreises mit gepulstem Chopper und des netzseitigen Wechselrichters beschrieben.

Elektrische Netze: Hier werden die Spannungsebenen, unterschiedliche Netztopologien und ihre Vor- und Nachteile sowie Besonderheiten des Netzbetriebs erläutert.

Transformatoren: Es werden Aufbau und Funktion von Leistungstransformatoren beschrieben. Behandelt werden feststoffisolierte und flüssigkeitsisolierte Transformatoren. Als Parameter werden die Schaltgruppe, die relative Kurzschlussspannung sowie Bedingungen der Parallelschaltung im Netz untersucht. Es werden typische Schadensbilder von Leistungstransformatoren gezeigt und deren Ursachen erläutert. Der Einsatz von Leistungstransformatoren in Windparks wird diskutiert. Hierbei wird auf den Zusammenhang zwischen Isolierstoff und Brandsicherheit eingegangen.

Kabel: Aufbau und Funktion von Kabeln im Nieder-, Mittel- und Hochspannungsbereich werden erläutert. Es wird auf die Unterschiede im Aufbau bei unterschiedlichen Spannungsebenen eingegangen. Die Bezeichnungen von Kabeln werden erläutert. Das Ersatzschaltbild von Kabeln wird beschrieben.

Freileitungen und natürlicher Betrieb: Es werden der Aufbau und die Funktion der Elemente von Freileitungen beschrieben. Besonderer Wert wird auf die Darstellung des Betriebsverhaltens gelegt. Der natürliche Betrieb als wirtschaftlichste Betriebsart wird ausführlich behandelt. Dazu gehört die Bewertung unterschiedlicher Betriebsfälle anhand des Ersatzschaltbildes einer Freileitung. Anschließend wird das Problem der Spannungsstabilität behandelt.

Schaltanlagen: Es werden die unterschiedlichen Technologien zur Ausführung von Schaltanlagen vorgestellt. Die wesentlichen Komponenten wie Leistungsschalter, Lastschalter, Lasttrennschalter und Trenner sowie deren Aufgaben werden erläutert.

Schutztechnik: Hier werden die grundlegenden Prinzipien des Anlagen- und Komponentenschutzes vorgestellt. Es werden Beispiele für die Anwendung der Schutztechnik erläutert.

Blindleistungsmanagement in Windparks: Es wird gezeigt, in welcher Form Windenergieanlagen am Blindleistungsmanagement in Windparks beteiligt werden können und wodurch deren Stellmöglichkeit begrenzt wird.

Transformatoren für Offshore-Anwendungen: Ein Koreferent aus der Praxis stellt Konzeptionen für Transformatoren in Offshore-Anwendungen vor. Dabei werden die Vor- und Nachteile unterschiedlicher Isolierkonzepte sowie die damit zusammenhängenden Anforderungen an die Brandsicherheit diskutiert.

Anforderungen nach EEG 2009 an WEA und Zusatzkomponenten: Es werden sowohl die Anforderungen nach EEG 2009 als auch die in der Systemdienstleistungsverordnung spezifizierten Detailanforderungen diskutiert. Das erfolgt anhand der technischen Richtlinien, d.h. der BDEW-Mittelspannungsrichtlinie und des TransmissionCodes. Die Folgen für die Auslegung von Komponenten und für die elektrotechnische Gestaltung von Windenergieanlagen werden diskutiert.

Zertifizierung und Modellbildung für WEA und Windparks: Die technischen und organisatorischen Anforderungen und Abläufe der Zertifizierung und Modellbildung für Windenergieanlagen, Zusatzkomponenten und Windparks werden durch einen Koreferenten erläutert, der diese Aufgaben hauptamtlich bei einer Zertifizierungseinrichtung bearbeitet.

Quelle: 
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Detlef Schulz
Helmut-Schmidt-Universität
Universität der Bundeswehr Hamburg
Elektrische Energiesysteme

 

 

Da das erforderliche Spezialwissen der elektrischen Energietechnik auch nicht bei allen Elektrotechnikern vorhanden ist, ergibt sich besonders für Anfänger und Quereinsteiger die anspruchsvolle Aufgabe, neben den Grundlagen ein zielführendes Vertiefungswissen aufzubauen. Hier die Themen im Einzelnen:

  • Gesamtüberblick Windenergieanlage und Einführung
  • Grundlagen des elektrischen Systems
  • Aufbau und grundlegendes Betriebsverhalten der Drehstrom-Asynchronmaschine
  • Aufbau und grundlegendes Betriebsverhalten der Synchronmaschine
  • Funktionsweise und Betriebsverhalten des doppelt gespeisten Asynchrongenerators
  • Leistungselektronik für WEA
  • Grundlagen der Netzregelung
  • Blindleistungsstellung mit WEA
  • Regelung von Drehstrommaschinen mit der Zweiachsentheorie
  • Technische Grundlagen der Anforderungen an WEA nach EEG 2009
  • Wirkungskette Generator-Leistungselektronik-Netz und Netzrückwirkungen
  • Anforderungen nach EEG 2009, Systemdienstleistungsverordnung
  • Zertifizierung und Modellbildung

 

Diese Themen werden wie folgt vertieft:

Gesamtüberblick Windenergieanlage und Einführung: Es werden der Aufbau und die Funktion einer Windenergieanlage (WEA) am Netz beschrieben. Es wird zwischen den Konzepten mit aufgelöstem Triebstrang und konzentriertem Triebstrang unterschieden. Dabei werden die ersten Grundlagen der Funktion des Generators und der Leistungselektronik diskutiert. Es wird das Grundprinzip der Netzkopplung sowie der Netzeinspeisung erläutert. Unter diesem Punkt werden auch die Grundlagen der Windkraftnutzung erklärt. Dazu gehören die nutzbare Windleistung, der Leistungsbeiwert (Betz-Faktor), die Leistungs-Drehzahl-Kennlinien, der drehzahlstarre und drehzahlvariable Betrieb und die Möglichkeiten zur Leistungsbegrenzung an einer Windenergieanlage.

Grundlagen des elektrischen Systems: Hierbei geht es um einen Überblick über die elektrischen Größen in einer Windenergieanlage. Dazu gehören Leistungsbegriffe und ihre Bedeutung, aber auch die mögliche Einbindung in ein Windparknetz sowie der Anschluss am öffentlichen Netz. Dazu werden erste Grundlagen der Netzkopplung von WEA mit Frequenzumrichtern und mögliche Windparkstrukturen erläutert. Für die in WEA genutzten Generatortypen werden grundlegende Niederspannungs- und Mittelspannungskonzepte vorgestellt.

Aufbau und grundlegendes Betriebsverhalten der Drehstrom-Asynchronmaschine: Nach der Erläuterung des Drehfeldbegriffs werden der Motor- und Generatorbetrieb anhand von Beispielen verdeutlicht. Der Aufbau von Kurzschlussläufern und Schleifringläufern wird erläutert. Ausgehend von den elektrischen und magnetischen Größen wird das Wirkprinzip im Motor- und Generatorbetrieb erklärt. Auf das einsträngige Ersatzschaltbild wird kurz eingegangen. Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie der Drehstrom-Asynchronmaschine und die Parameter Speisefrequenz, Polpaarzahl, Synchrondrehzahl, Schlupf, Kippmoment und der unter- und übersynchrone Betrieb werden erläutert. Das drehzahlabhängige Verhalten von Rotorfrequenz und Rotorspannung wird beschrieben. Es folgen Beispiele zur Nutzung der Drehstrom-Asynchronmaschine in Windenergieanlagen.

Aufbau und grundlegendes Betriebsverhalten der Synchronmaschine: Es werden Aufbau und Funktion von Vollpol- und Schenkelpolausführungen beschrieben. Das Ersatzschaltbild wird zur Erläuterung der Wirkungsweise genutzt. Weitere Themen sind die Netzsynchronisation, die statische Stabilität der Synchronmaschine und die Nutzung von Synchronmaschinen mit elektrischer Erregung und Permanentmagnet-Erregung in Windenergieanlagen.

Funktionsweise und Betriebsverhalten des doppelt gespeisten Asynchrongenerators (DGASG): Begonnen wird mit dem Grundprinzip des DGASG mit Rotorumrichter. Es wird gezeigt, wie das einsträngige Ersatzschaltbild zur Beschreibung der Funktion genutzt werden kann. Das Hauptaugenmerk liegt auf dem Verständnis des unter- und übersynchronen Generatorbetriebs und der dabei auftretenden Leistungsflüsse. Dazu wird die Funktion des DGASG in Windenergieanlagen ausführlich erläutert und mit Messbeispielen aus der Praxis veranschaulicht. Es werden weiterhin die besonderen technischen Problemstellungen beim Betrieb von Generatoren mit hohen Rotorspannungen verdeutlicht.

Leistungselektronik für WEA: Nach einer Übersicht über die Arten leistungselektronischer Wandler und einer Übersicht der nutzbaren Bauteile, wird die Funktionsweise dreiphasiger Wechselrichter erläutert. Die zur Erzeugung eines Drehstromsystems verwendete Pulsweitenmodulation wird wegen der einfacheren Veranschaulichung anfangs anhand eines einphasigen Wechselrichters verdeutlicht. Es folgt die Erweiterung auf dreiphasige Wechselrichter, verbunden mit der Beschreibung eines vollständigen Systems eines Frequenzumrichters. Dabei werden die Aufgaben einer gesteuerten Gleichrichtung auf der Generatorseite, des Gleichspannungszwischenkreises mit gepulstem Chopper und des netzseitigen Wechselrichters beschrieben.

Grundlagen der Netzregelung: Es werden die wesentlichen Regelungsmechanismen in Verbundnetzen beschrieben. Begonnen wird mit der Frequenz-Wirkleistungs-Regelung, deren Wirkungsweise auch anhand eines Beispiels verdeutlicht wird. Danach wird die Spannungs-Blindleistungs-Regelung erläutert, deren Wirkung anhand eines auftretenden Spannungstrichters im Fehlerfall verständlich wird.

Blindleistungsstellung mit WEA: Nachdem die Grundlagen der Spannungsregelung bekannt sind, wird anhand eines exemplarischen Windparks gezeigt, wie Windenergieanlagen an der Spannungsregelung beteiligt werden können. Dabei wird Wert auf die praxisnahe Betrachtung eines leistungsstarken Windparks mit Anschlusspunkt auf der Höchstspannungsebene gelegt. Somit ist auch der Einfluss der passiven Übertragungseigenschaften von Transformatoren und Kabel auf die Blindleistungsbilanz zu berücksichtigen.

Regelung von Drehstrommaschinen mit der Zweiachsentheorie: Die Zweiachsentheorie wird eingeführt, um eine einfache Struktur mit unabhängiger Regelung von Wirk- und Blindleistung zu entwickeln. Dieses Prinzip wird deshalb erläutert, weil es bei der Regelung von Windenergieanlagen seit langer Zeit Stand der Technik ist.

Technische Grundlagen der Anforderungen an WEA nach EEG 2009: Es wird der Hintergrund der Anforderungen an WEA nach EEG 2009 beschrieben. Dann wird der thematische Bezug zu den Themen Netzregelung und Blindleistungsstellung mit WEA hergestellt. Anschließend werden die in den technischen Richtlinien dargestellten Anforderungen im Detail erläutert.

Wirkungskette Generator-Leistungselektronik-Netz und Netzrückwirkungen: Da die elektrischen Komponenten einer Windenergieanlage ein gemeinsames System bilden, kann das Gesamtverständnis nur aus der Systembetrachtung erwachsen. Deshalb wird an dieser Stelle die Wirkungskette Generator-Leistungselektronik-Netz diskutiert. Wegen seiner praktischen Relevanz wird anschließend das Thema Netzrückwirkungen vertiefend diskutiert.

Anforderungen nach EEG 2009, Systemdienstleistungsverordnung: Als Grundlage der nachfolgenden Zertifizierungsabläufe werden sowohl die Anforderungen nach EEG 2009 als auch die in der Systemdienstleistungsverordnung spezifizierten Detailanforderungen hinsichtlich ihrer Relevanz für die elektrotechnische Gestaltung von Windenergieanlagen diskutiert.

Zertifizierung und Modellbildung: Die technischen und organisatorischen Anforderungen und Abläufe der Zertifizierung und Modellbildung werden durch einen Koreferenten erläutert, der diese Aufgaben hauptamtlich bei einer Zertifizierungseinrichtung bearbeitet.

 

Möchte man tiefer einsteigen muss man sich mit den elektrischen Komponenten für Windparks beschäftigen. Die Auswahlkriterien für elektrische Komponenten von Windparks sind komplex. Dazu gehören die Auswahl der Spannungsebene, die Netzgestaltung, die Auswahl von Transformatoren und Schaltanlagen, die Auswahl geeigneter Kabel, die Verminderung von Netzrückwirkungen sowie die Anforderungen an die Schutztechnik. Für den Netzanschluss von leistungsstarken Windenergieanlagen sind unterschiedliche Konzepte nutzbar. Abhängig von der Spannungsebene ergeben sich unterschiedliche Anforderungen für die Auswahl von Transformatoren, Schaltanlagen, Kabel und die Schutztechnik. Auch die Regelung der Blindleistung muss abhängig von der eingesetzten Anlagentechnik erfolgen. Im Kurs wird ein grundlegendes Verständnis für das Zusammenspiel der technischen Komponenten sowie die dabei auftretenden Wirkungsketten aufgebaut.

 

Im folgenden nochmals die Themen:

  • Technische Grundlagen von Windenergieanlagen und Windparks
  • Generatoren - Asynchrongenerator
  • Generatoren - Synchrongenerator
  • Leistungselektronik für WEA
  • Elektrische Netze
  • Transformatoren
  • Kabel
  • Freileitungen und natürlicher Betrieb
  • Schaltanlagen
  • Schutztechnik
  • Blindleistungsmanagement in Windparks
  • Trafos für Offshore-Anwendungen
  • Anforderungen nach EEG 2009 an WEA und Zusatzkomponenten
  • Zertifizierung und Modellbildung für WEA und Windparks

 

Diese Themen werden wie folgt vertieft:

Technische Grundlagen von Windenergieanlagen und Windparks: Hier werden die allgemeinen technischen Grundlagen von Windenergieanlagen und Windparks diskutiert. Die Diskussion dient dazu, einen gemeinsamen Anfangsstand für die weiterführenden Betrachtungen zu schaffen.

Generatoren - Asynchrongenerator: Hier wird eine kurze Einführung in den Aufbau und die Betriebsweise des Drehstrom-Asynchrongenerators gegeben.

Generatoren – Synchrongenerator: Hier wird eine kurze Einführung in den Aufbau und die Betriebsweise des Drehstrom-Synchrongenerators gegeben.

Leistungselektronik für WEA: Es werden die Aufgaben einer gesteuerten Gleichrichtung auf der Generatorseite des Gleichspannungszwischenkreises mit gepulstem Chopper und des netzseitigen Wechselrichters beschrieben.

Elektrische Netze: Hier werden die Spannungsebenen, unterschiedliche Netztopologien und ihre Vor- und Nachteile sowie Besonderheiten des Netzbetriebs erläutert.

Transformatoren: Es werden Aufbau und Funktion von Leistungstransformatoren beschrieben. Behandelt werden feststoffisolierte und flüssigkeitsisolierte Transformatoren. Als Parameter werden die Schaltgruppe, die relative Kurzschlussspannung sowie Bedingungen der Parallelschaltung im Netz untersucht. Es werden typische Schadensbilder von Leistungstransformatoren gezeigt und deren Ursachen erläutert. Der Einsatz von Leistungstransformatoren in Windparks wird diskutiert. Hierbei wird auf den Zusammenhang zwischen Isolierstoff und Brandsicherheit eingegangen.

Kabel: Aufbau und Funktion von Kabeln im Nieder-, Mittel- und Hochspannungsbereich werden erläutert. Es wird auf die Unterschiede im Aufbau bei unterschiedlichen Spannungsebenen eingegangen. Die Bezeichnungen von Kabeln werden erläutert. Das Ersatzschaltbild von Kabeln wird beschrieben.

Freileitungen und natürlicher Betrieb: Es werden der Aufbau und die Funktion der Elemente von Freileitungen beschrieben. Besonderer Wert wird auf die Darstellung des Betriebsverhaltens gelegt. Der natürliche Betrieb als wirtschaftlichste Betriebsart wird ausführlich behandelt. Dazu gehört die Bewertung unterschiedlicher Betriebsfälle anhand des Ersatzschaltbildes einer Freileitung. Anschließend wird das Problem der Spannungsstabilität behandelt.

Schaltanlagen: Es werden die unterschiedlichen Technologien zur Ausführung von Schaltanlagen vorgestellt. Die wesentlichen Komponenten wie Leistungsschalter, Lastschalter, Lasttrennschalter und Trenner sowie deren Aufgaben werden erläutert.

Schutztechnik: Hier werden die grundlegenden Prinzipien des Anlagen- und Komponentenschutzes vorgestellt. Es werden Beispiele für die Anwendung der Schutztechnik erläutert.

Blindleistungsmanagement in Windparks: Es wird gezeigt, in welcher Form Windenergieanlagen am Blindleistungsmanagement in Windparks beteiligt werden können und wodurch deren Stellmöglichkeit begrenzt wird.

Transformatoren für Offshore-Anwendungen: Ein Koreferent aus der Praxis stellt Konzeptionen für Transformatoren in Offshore-Anwendungen vor. Dabei werden die Vor- und Nachteile unterschiedlicher Isolierkonzepte sowie die damit zusammenhängenden Anforderungen an die Brandsicherheit diskutiert.

Anforderungen nach EEG 2009 an WEA und Zusatzkomponenten: Es werden sowohl die Anforderungen nach EEG 2009 als auch die in der Systemdienstleistungsverordnung spezifizierten Detailanforderungen diskutiert. Das erfolgt anhand der technischen Richtlinien, d.h. der BDEW-Mittelspannungsrichtlinie und des TransmissionCodes. Die Folgen für die Auslegung von Komponenten und für die elektrotechnische Gestaltung von Windenergieanlagen werden diskutiert.

Zertifizierung und Modellbildung für WEA und Windparks: Die technischen und organisatorischen Anforderungen und Abläufe der Zertifizierung und Modellbildung für Windenergieanlagen, Zusatzkomponenten und Windparks werden durch einen Koreferenten erläutert, der diese Aufgaben hauptamtlich bei einer Zertifizierungseinrichtung bearbeitet.

Quelle: 
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Detlef Schulz
Helmut-Schmidt-Universität
Universität der Bundeswehr Hamburg
Elektrische Energiesysteme

 

Antriebsstrang Windenergieanlage

Komponenten

Bei der Anordnung der Komponenten im Triebstrang existieren drei unterschiedliche Bauformen: aufgelöste, integrierte und teilintegrierte Bauform.

Bei der aufgelösten Variante werden alle Komponenten des Triebstranges einzeln auf dem Maschinenträger befestigt. Hier besteht eine eigenständige Rotorlagerung und separat aufgestellte Generatoren und Getriebe. Auf diese Art und Weise werden die Zugänglichkeit aller Bauteile und das Wechseln des Getriebeöls ohne Demontage des Maschinenträgers ermöglicht. Andererseits ist die Wahrscheinlichkeit von Schäden aufgrund von Montagefehlern relativ hoch, was zu nicht vorherzusehenden Zusatzbeanspruchungen und Verschleiß führen kann. 

Die integrierte Bauform stellt eine Zusammenfassung der Funktionen der einzelnen Komponenten sicher. Die Rotorlagerung, das Getriebe und der Generator werden hier als Block zusammengefasst, wobei allerdings eine Sonderanfertigung des Getriebes, welches ohne Demontage des gesamten Maschinenträgers nicht ausgetauscht werden kann, erforderlich ist. Vorteilhaft bei dieser Bauweise ist die Kompaktheit bei Transport und Montage.

Die teilintegrierte Bauform stellt eine Mischform der ersten beiden Formen dar. Bei dieser Bauweise wird fast ausschließlich die sogenannte Drei-Punkt-Lagerung verwendet. Das vordere Rotorlager übernimmt einen großen Teil der Rotorgewichtslasten und den Rotorschub, wobei die Kräfte direkt an die langsam laufende Getriebewelle übertragen werden. Die weiteren beiden Lager haben als Aufgabe die Abstützung des Getriebegehäuses.

Ein sehr unterschiedlicher Triebstrang ist in getriebelosen Anlagen zu finden. Hier wird ein direkt getriebener, hochpoliger Generator verwendet, wobei Nabe und Generator direkt miteinander verbunden sind. Solche WEA haben ein sehr hohes Gewicht aber auch die höchste Verfügbarkeit.

Getriebe

Das Getriebe einer WEA befindet sich zwischen der Rotorwelle und dem Generator und hat als Aufgaben die Übersetzung der Drehzahl der langsam laufenden Rotorwelle (10 – 30 U/min) auf die Drehzahl des Generators (bis zu 1500 U/min). Das Getriebe hat ein gleichbleibendes Übersetzungsverhältnis, welches von der Baugröße der WEA abhängt. Die Baugröße eines Getriebes wird durch das erforderliche Übersetzungsverhältnis zwischen Rotor- und Generatorwelle vorgegeben.

Mechanische Bremse

Die mechanische Scheibenbremse bei WEA mit einer Nennleistung kleiner als 600 kW sitzt entweder auf der langsamen Hauptwelle oder auf der schnellen Seite des Getriebes, was zur keiner Belastung des Getriebes während des Bremsvorgangs führt. Bei Anlagen mit Nennleistungen größer als 600 kW ist die mechanische Bremse auf der schnellen Welle zu finden. Hier muss bei der Konstruktion die sofortige Versetzung des Rotors aus voller Last in den Stillstand berücksichtigt werden. Im Normalbetrieb dient die mechanische Bremse als Feststellbremse.

QUELLE: B.Sc. Kristina Spasova, HOCHSCHULE BREMERHAVEN

 

Die Tagungen und Seminare, die sich mit den Gründungen und Tragstrukturen (Türme) von Windenergieanlagen beschäftigen, gehören seit Jahren zu den am besten besuchten Veranstaltungen im Haus der Technik. Herr Professor Peter Schaumann von der Leibniz Universität Hannover, Institut für Stahlbau/Institute for Steel Construction hat die Veranstaltungen ganz wesentlich mit geprägt. http://www.stahlbau.uni-hannover.de.

Türme und Fundamente für On- und Offshore Windenergieanlagen

Aktuelle Multi-Megawatt Windenergieanlagen (WEA) stellen sehr hohe Anforderungen an die Tragfähigkeit des Untergrundes und an ihre Fundamente. Die wachsenden Turmhöhen stellen die Ingenieure vor immer größere Herausforderungen, die mit technisch herausragenden und wirtschaftlichen Lösungen zu beantworten sind. Hierfür sind an Land Türme mit Nabenhöhen von über 100 m eine Schlüsseltechnologie.

Baugrunderkundung und Baugrundverbesserung

Zahlreiche Fachleute aus der Industrie und von den Hochschulen sorgen für eine praxisnahe Wissensvermittlung auf hohem Niveau. Im Detail geht es um die Bereiche: Baugrunderkundung, Baugrundverbesserung, Fundamente, Türme, Stahrohrturm, Hybridturm, Tragstrukturen, Ermüdungsverhalten, Offshorefundamente, Gründungsmonitoring, geotechnische Felderkundung, Tragfähigkeit des Untergrundes.

Neue Standorte können erschlossen werden, z. B. auch in weniger windreichen Bundesländern wie Bayern und Baden-Württemberg. Auch die Vielzahl von kleinen Windenergieanlagen kann im Rahmen von anstehenden Repowering-Maßnahmen durch eine geringere Anzahl an leistungsfähigeren und größeren Windenergieanlagen der Multimegawatt-Klasse ersetzt werden. 

Die wachsenden Turmhöhen stellen die Ingenieure vor immer größere Herausforderungen, die mit technisch herausragenden und wirtschaftlichen Lösungen zu beantworten sind. Im Rahmen unserer Veranstaltungen über Türme und Gründungen von Windenergieanlagen werden alle relevanten Themenbereiche behandelt:

• Lastannahmen und -simulation
• Tragstrukturkonzepte 
   • Stahlrohrtürme
   • Fachwerktürme
   • Spannbetontürme in Situ hergestellt und in Fertigteilbauweise
   • Hybride Türme
• Baugrunduntersuchungen und Gründungen
• Bemessung von Türmen und Gründungen für Windenergieanlagen

   • Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit
   • Nachweise im Grenzzustand der Ermüdung

• Einführung in die Offshore-Windenergie

• Erste Erfahrungsberichte mit Offshore-Projekten

 

Die Auslegung einer Tragstruktur für eine Windenergieanlage ist eine interdisziplinäre Aufgabe. Der rasante technologische Fortschritt wird durch die regelmäßigen Weiterentwicklungen der Regelwerke dokumentiert und spiegelt sich bei den verfügbaren Tragstrukturkonzepten und Werkstoffen bzw. der Werkstoffkombinationen wieder. Entsprechend werden die Inhalte des Seminars regelmäßig aktualisiert und bieten Anlass für erneute Teilnahmen.

Lastannahmen und -simulation 

Die Lasten für Onshore-Windenergieanlagen sind nach DIBt-Richtlinie für Windenergieanlagen bzw. in Anlehung an die IEC 61400-1 anzunehmen. Bei der Lastsimulation zur Ermittlung der maßgebenden Beanspruchungen für Turm und Gründung berücksichtigen die verschiedenen Rechenverfahren die Interaktion zwischen Wind- und Betriebslasten aus der Maschine und der Tragstruktur mit unterschiedlicher Genauigkeit. Die wesentlichen Einflussparameter auf die dynamische Strukturantwort werden für die Auslegung der Tragstruktur anschaulich anhand eines Campell-Diagramms erläutert. Je nach möglicher dynamischer Erregung der Tragstruktur kann ein vereinfachtes Verfahren zur Schnittgrößenermittlung oder eine aufwendigere, integrierte Gesamtsimulation zur Anwendung kommen.

Tragstrukturkonzepte 

Entscheidenden Einfluss auf das dynamische Verhalten der Tragstruktur, bestehend aus Turmkonstruktion und Gründung, hat das Tragstrukturkonzept: 

Reine Stahlbauweisen als Rohrturm- oder aufgelöste Fachwerkkonstruktionen, vorgespannte Betontürme aus Ortbeton oder Fertigteilsegmenten und hybride Turmkonstruktion als Mischbauweise kommen zum Einsatz. Die wesentlichen Parameter für die Wahl des Turm- und Gründungskonzeptes sind die Nabenhöhe, freie Fertigungskapazitäten, die Transportmöglichkeiten von der Produktionsstätte bis zum geplanten Standort der Windenergieanlage und die vorliegenden Baugrundverhältnisse. 

Rohrtürme aus Stahl sind bis ca. 100 m Nabenhöhe sehr wirtschaftlich. Mehrere Turmsegmente mit Ringflanschverbindungen werden auf die Baustelle transportiert. Mit großen Schrauben wird das unterste Segment auf der fertiggestellten Gründung befestigt und die weiteren Segmente werden darüber aufgeschraubt. Aus Transportgründen ist der Durchmesser des Segmentes am Turmfuß auf maximal 4,30 m begrenzt. 

Höhere Türme, derzeit bis etwa 160 m Nabenhöhe, werden daher im unteren Drittel vor Ort aus Spannbeton hergestellt. Ein aufgesetzter Stahlrohrturm komplettiert die hybride Turmkonstruktion. Alternativ kommt eine reine Betonbauweise in Frage, die örtlich mit Kletterschalung betoniert oder aus Betonfertigteilen aufgestellt wird. Die Vorspannung wird durch Spannglieder im Verbund oder durch extern geführte Litzenpakete aufgebracht. 

Aufgrund der aufwendigeren Fertigung, Montage und Wartung einschließlich des Korrosionsschutzes kommen die deutlich leichteren, geschraubten Gittermasttürme aktuell nur wenig zum Einsatz. Gegebenenfalls erlebt diese Bauweise bei stark steigenden Stahlpreisen, besonders wegen der zusätzlichen Stahlnachfrage für die Tragstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen, eine Renaissance.

Nachweise und Bemessung

Die Bemessung von Türmen für Windenergieanlagen gliedert sich im Wesentlichen in zwei Bereiche – den Nachweis der Tragfähigkeit und die Auslegung gegen Ermüdung. Die folgende Auflistung fasst die Kernpunkte in Kürze zusammen:

• Lastzusammenstellung und Kombinationen

• Stabilitätsnachweis gegen Schalenbeulen oder Knicken von Fachwerkstäben

• Druckfestigkeit der vorgespannten Betone

• Detailnachweise an Unstetigkeitsstellen bei Blechdickenabstufungen und Türöffnungen

• Tragfähigkeit der 

  • eingesetzten Verbindungstechnik
  • Ringflansche
  • Schrauben großer Abmessung
  • Geschweißten Konstruktionsdetails
  • Vorgespannten Verankerungen zwischen Stahl- und Betonturmsegmenten
  • Endverankerung von Spanngliedern oder externen geführten Litzenpaketen

 

• Ermüdungsnachweise 

  • Ringflansche, Schweißverbindungen und große SchraubenEinstufung in Kerbfallklassen oder Anwendung des Strukturspannungskonzeptes
  • Einstufung in Kerbfallklassen oder Anwendung des Strukturspannungskonzeptes
  • Höherfeste Betone unter Druckschwellbeanspruchung
  • Spannungsumlagerungen durch Kriechen, Schwinden und Ermüdungsbeanspruchungen
  • Dekompressionnachweis der Spannbetondetails zur Vermeidung großer Schwingspiele in den Spanngliedern

 

Dieses Seminar stellt die grundlegenden Nachweise vor. Für stählerne Türme stehen im Grenzzustand der Tragfähigkeit die Stabilitätsnachweise im Vordergrund. Die Beulgefahr der schlanken Stahlrohrtürme ist bekannt und wird bisher durch Nachweise nach DIN 18800 erfasst, welche in Kürze durch den Eurocode 3 (DIN EN 1993) ersetzt wird. Nach Eurocode 3 stehen zusätzlich erweiterte Nachweisformate gegen Schalenbeulen zur Verfügung. Besonders beim Beulnachweis von Türmen für Windenergieanlagen in größerer Stückzahl kann sich der hierfür größere Rechenaufwand durch weitere Materialeinsparungen rentieren. 

Der Nachweis der Ermüdung ist häufig maßgebend für die Dimensionierung der Tragstruktur, insbesondere im Bereich von Fügestellen, die eine geringere Ermüdungsfestigkeit aufweisen. Während der Lebensdauer von mindestens 20 Jahren von Windenergieanlagen muss die Tragstruktur an Land rund 108 Spannungsschwingspiele ertragen. Die genaue Untersuchung der Bauteildetails, wie z. B. den Ringflanschen als kombiniert geschraubte und geschweißte Verbindungselemente, ist daher unerlässlich.

Baugrunduntersuchungen und Gründungen

Aktuelle Multi-Megawatt Windenergieanlagen (WEA) stellen sehr hohe Anforderungen an die Tragfähigkeit des Untergrundes und an ihre Fundamente. Mit dem kontinuierlichen Größenwachstum während der letzten 30 Jahre stieg die WEA-Nennleistung von etwa 55 kW im Jahre 1984, über 1,0 MW im Jahre 1999/2000 bis hin zur aktuellen Multimegawatt-Klasse mit 6,0 MW oder mehr an. Damit einhergehend stiegen aber auch die Anforderungen an den Baugrund hinsichtlich der einzuhaltenden Mindestwerte für das dynamische Steifemodul, die dynamische Drehfedersteifigkeit und die abzutragende Bodenpressung deutlich an. Neben einer sach- und fachgerechten Baugrunderkundung sind die fundierte Beurteilung der technischen und wirtschaftlichen Möglichkeiten von Baugrundverbesserungsverfahren, die Wahl eines geeigneten Gründungskonzeptes und dessen standortbezogene Optimierung von entscheidender Bedeutung für die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit von Windenergieanlagengründungen.

Die Gründung von Windenergieanlagen erfolgt üblicherweise als Flachgründung, die bei schlechten Baugrundverhältnissen durch zusätzliche Pfähle verstärkt wird, um die Lasten in tieferen, tragfähigeren Bodenschichten abzusetzen. Die Gründungstragfähigkeit ist häufig nicht maßgebend für die Auslegung, weil die Bodensteifigkeiten am Turmfuß die Eigenfrequenzen signifikant beeinflussen. Die dynamische Belastung der gesamten Tragstruktur hängt maßgebend von der fachgerechten Auslegung der Gründung ab. Gemäß den Annahmen der Windenergieanlagenhersteller muss die Gründung eine Mindeststeifigkeit erfüllen, um die berücksichtigten Eigenfrequenzen bei der Lastermittlung der Tragstruktur einzuhalten. Die frühzeitige Beratung durch einen geotechnischen Sachverständigen ist zu empfehlen, um eine optimale Kombination aus Turm und Gründung auswählen zu können. Ein entsprechendes Baugrundgutachten ist aufgrund des hohen Schwierigkeitsgrades der Gründung – hier geotechnische Kategorie 3 –in jedem Fall vorgeschrieben. Die erforderlichen umfangreichen Baugrunderkundungen werden diskutiert. 

Auch bei der Gründung spielen die hohen Lastspielzahlen eine maßgebende Rolle. Das Baugrundverhalten unter zyklischer Belastung ist richtig einzuschätzen, damit der Turm der Windenergieanlage über die gesamte Lebensdauer auf sicherem Fuße steht. Die Fortschritte im Forschungsbereich für die Gründung von Windenergieanlagen und deren Bemessung werden durch namhafte Gastreferenten erläutert.

Einführung in die Offshore-Windenergie 

Der kurze Einblick in die Offshore-Windenergie stellt die wesentlichen Unterschiede, aber auch die Gemeinsamkeiten mit den Onshore-Windenergieanlagen heraus. Mit Bezug auf die derzeit viel diskutierte Energiewende, ist ein Vorteil der Offshore-Standorte die stetigere Energieproduktion und ein höherer Jahresenergieertrag mit bis zu 4.000 Volllaststunden. Ein entscheidender Nachteil ist die schlechtere Zugänglichkeit für Wartungszwecke. 

Beim Tragstrukturdesign werden im Offshore-Bereich aufgrund der komplexeren geometrischen Details verschiedene aufwendigere Nachweise, wie das Strukturspannungskonzept, bevorzugt angewendet. Es ist zu erwarten, dass die Onshore-Konstruktionen von den großen Forschungsanstrengungen für Tragstrukturen von Offshore-Windenergielagen nachhaltig profitieren werden. Die Windenergieaktivitäten in Nord- und Ostsee werden deshalb in diesem Seminar thematisiert und sind eine Bereicherung für jeden Planer von Windenergieanlagen an Land.

Quellen: 
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann
Leibniz Universität Hannover
Institut für Stahlbau/Institute for Steel Construction
Dipl.-Geol. Christian Schümann, TÜV NORD SysTec GmbH & Co. KG 
Abteilung Windenergie Baugrunderkundung und Gründungsberatung, Essen

 

Aktuelles Interview:

Im Vorfeld der 7. internationalen HDT-Tagung  
Baugrunderkundung, Baugrundverbesserung und Gründungen für Windenergieanlagen 
sprachen wir mit Dipl.-Geol. Christian Schümann, Sachverständiger Gruppe Wind Standortgutachten –Baugrunderkundung und Gründungsberatung TÜV NORD SysTec GmbH & Co. KG

1) Was ist bei einer Gründung von Windenergieanlagen aus Ihrer Sicht besonders zu beachten?

Windenergieanlagen stellen a) sehr hohe Anforderungen an den Baugrund, weisen b) dynamische (zyklische) Belastungen auf und sind c) aufgrund ihrer hohen, schlanken Bauweise als kippgefährdete Bauwerke einzustufen. Daher kommt einer Baugrunderkundung für derartig anspruchsvolle Bauwerke eine besondere Bedeutung zu, die u.a. in der Einstufung der Windenergieanlagen in die höchste geotechnische Kategorie 3 ihren Ausdruck findet.

2) Wer erstellt Baugrundgutachten?

Baugrundgutachten für derart anspruchsvolle Bauwerke der geotechnischen Kategorie 3 sollten nur von geotechnischen Sachverständigen erstellt werden, die über entsprechende langjährige Erfahrungen auf diesem Fachgebiet verfügen. Von der fachlichen Ausbildung her sind derartige geotechnische Sachverständige üblicherweise entweder Bauingenieure, Ingenieure für Geotechnik oder (Ingenieur-)Geologen. Die Beauftragung der geotechnischen Erkundung erfolgt im Regelfall durch den Bauherrn oder durch dessen Planer / Architekten.

3) Was sollte heute nach Stand der Technik bei einer Baugrunderkundung besonders berücksichtigt werden?

Der Umfang einer Baugrunderkundung ist in den diesbezüglichen Normen wie der DIN 4020 (Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke – Ergänzende Regelungen zu DIN EN 1997-2), dem Beiblatt 1 zu DIN 4020 sowie dem Eurocode 7, Teil 2 (Deutsche Fassung EN 1997-2:2007 + AC:2010) und dessen nationalem Anhang (DIN EN 1997-2/NA) eindeutig geregelt. (Hinweis: Für Offshore-Windenergieanlagen gelten noch andere, zusätzliche Normen und Regelwerke (wie z. B. der BSH-Standard Baugrunderkundung für Offshore-Windenergieparks), auf die ich hier nicht näher eingehen möchte. Bezüglich der Gründung von Offshore-Windparks herrscht vermutlich noch ein gewisser Forschungsbedarf, während der Onshore-Bereich aufgrund umfangreicher und langjähriger Erfahrungen als ausreichend bekannt gelten kann.) Leider stellt man in der Praxis aber immer wieder fest, dass die Vergabe von geotechnischen Erkundungen einem sehr starken wirtschaftlichen Druck unterworfen ist. Dies führt letztendlich oft zu Abstrichen / Reduzierungen bei der Umsetzung der geotechnischen Erkundung sowie zu entsprechenden Mängeln in den resultierenden geotechnischen Berichten / Baugrundgutachten.

4) Wer trägt das Baugrundrisiko bei Erstellung der Windkraftanlagen und wie kann es noch besser abgesichert werden?

Das Baugrundrisiko trägt grundsätzlich der Bauherr, denn er stellt den „Baustoff Boden“ zur Verfügung. Sollte also trotz einer sorgfältigen und fachgerechten Baugrunderkundung ein nicht vorhersehbarer Schaden an dem Bauwerk „Windenergieanlage“ entstehen, dessen Ursache dem Baugrund zuzuordnen ist, so spricht man vom sogenannten „Baugrundrisiko“, dass der Bauherr zu tragen hat. Der Begriff „Baugrundrisiko“ deckt jedoch nicht die Schäden ab, die auf eine ungenügende, nicht sach- und fachgerechte Baugrunderkundung zurückzuführen sind! Für derartige Schäden haftet der geotechnische Sachverständige.

5) Was sollte bei einer Baugrunduntersuchung aus Ihrer Sicht besonders geprüft werden?

Die Art, Anzahl und erforderliche Mindesttiefe der Baugrundaufschlüsse sind jeweils zu beachten. Ferner sollte darauf geachtet werden, dass boden-/felsmechanische Laboruntersuchungen ausgeführt und rechnerische Standsicherheitsnachweise geführt werden. Für Bauvorhaben, die mittels eines typengeprüften Fundamentes (typische deutsche Vorgehensweise) erstellt werden, kann der geotechnische Bericht und der geotechnische Entwurfsbericht in einer Hand vergeben und innerhalb eines Berichtes erstellt werden, jedoch sollte dann im Inhaltsverzeichnis die Kapitel entsprechend getrennt behandelt werden. Für alle anderen Fundamente sollten der geotechnische Bericht und der geotechnische Entwurfsbericht zwei getrennte Berichte darstellen, was in der Praxis aber häufig nicht beachtet wird.

6) Was sollte bei der Suche nach einem Baugrundgutachter / geotechnischen Sachverständigen (ich habe hier die vermutlich fehlenden Begriffe ergänzt) beachtet werden?

Der Bauherr sollte sich nach der Erfahrung des geotechnischen Sachverständigen mit derartig anspruchsvollen Bauvorhaben erkundigen und nur entsprechend erfahrene Sachverständige / Ingenieurbüros mit diesen Leistungen beauftragen. Leider wird häufig von Bauherrenseite nur auf das Preisniveau geachtet und die Vergabe erfolgt ausschließlich unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten an den „günstigsten Anbieter“. Es ist verwunderlich, dass bei derart anspruchsvollen und kostenintensiven Bauwerken (Windenergieanlagen / Windparks), die Vergabe der geotechnischen Standorterkundung / Baugrunderkundung, obwohl der Baugrund im wahrsten Sinne des Wortes die „Basis“ für das geplante Bauvorhaben darstellt, derart stark von preislichen Aspekten gesteuert wird, während der Erfahrung und Sachkunde des Gutachters vergleichsweise wenig Beachtung geschenkt wird.

7) Die durch die Baugrunderkundung gewonnenen Werte, weichen oft von der Realität im Baufeld ab (Stichwort Pile driving analysis), wie kann man diesen Umstand evtl. verbessern, welche Methoden würden Sie favorisieren und aus welchem Grund?

Dass im Vorfeld der Baugrunderkundung gewonnene Ergebnisse / Bodenkennwerte während der Durchführung der eigentlichen Baumaßnahme ggf. etwas abweichen, ist einerseits den punktuellen Baugrundaufschlüssen, die im Vergleich zum späteren WEA-Fundament nur einen sehr kleinen Durchmesser aufweisen und strenggenommen nur für den jeweiligen Ansatzpunkt aussagekräftig sind sowie andererseits den wechselnden Eigenschaften der Böden, die auch über kürzere Entfernungen hinweg variieren können, geschuldet. Der erfahrene Baugrundsachverständige wird im Regelfall daher mehrere Baugrundaufschlüsse ausführen lassen, um sich einen Eindruck von der Homogenität bzw. Inhomogenität des Baugrundes zu verschaffen und das Baugrundmodell zu präzisieren. Darüber ist der geotechnische Sachverständige nicht nur im Zuge der Baugrunderkundung, sondern auch noch danach, z. B. im Zuge der gutachterlichen Abnahme und Freigabe der Baugrubensohlen oder beim Rammen bzw. Herstellen der ersten Pfähle einer Tiefgründung vor Ort anwesend, um den Baugrund nochmals beurteilen und ggf. erforderliche Anpassungen vornehmen zu können. Geophysikalische Erkundungsverfahren können als ergänzende, flächehafte Erkundungsverfahren z. B. bei der Suche nach ggf. im Untergrund vorhandenen Hohlräumen sehr hilfreich sein, jedoch geraten geophysikalische Erkundungsverfahren bei der Bestimmung der bodenmechanischen Eigenschaften und Tragfähigkeiten der Böden häufig an ihre verfahrensbedingten Grenzen. Auch zukünftig werden die Baugrundsachverständigen daher auf Bohrungen, Sondierungen und bodenmechanische Laboruntersuchungen angewiesen sein.

8) Können Sie eine Aussage dahingehend machen, ab wann die CPT basierten Pfahltragfähigkeitsberechnungen in Deutschland anerkannt werden?

Für die Bemessung von Pfählen werden auch heute schon die Ergebnisse von Drucksondierungen (CPT) herangezogen, die jedoch in Deutschland immer nur in Kombination mit ergänzenden Bohrungen auszuführen sind. Auf der Basis der Ergebnisse der Bohrungen und Drucksondierungen, ergänzt um Ergebnisse aus bodenmechanischen Laborversuchen werden im Zuge der Vordimensionierung die zu erwartenden äußeren Pfahltragfähigkeiten rechnerisch ermittelt. Die tatsächlich vor Ort erreichten Pfahltragfähigkeiten werden an extra dafür hergestellten Testpfählen oder aber nach erfolgter Herstellung der ersten Gründungspfähle an diesen Pfählen durch dynamische oder statische Pfahlprobebelastungen ermittelt. Lediglich wenn genügend Erfahrungen aus Pfahlprobebelastungen an ähnlichen Standortbedingungen vorliegen, darf auf der Basis der vorliegenden Erfahrungen die Pfahltragfähigkeit ermittelt bzw. abgeleitet werden. Hierfür werden dann auch die Ergebnisse aus Rammformeln herangezogen, anhand derer man die erzielten Pfahltragfähigkeiten abschätzen bzw. ableiten kann. Drucksondierungen spielen also auch heute schon eine wichtige Rolle bei der Dimensionierung von Pfahlgründungen. 

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