LIGHTWIND: A disruptive drive-train for ultralight and lower cost wind turbines

Auf einen Blick

• Mit dem Größenwachstum von Windenergieanlagen steigen Material- und Wartungskosten überproportional, insbesondere im Bereich der Lagerungen. Der Austausch von kompletten Komponenten ist mit signifikanten Kosten verbunden.
• Im internationalen Projekt LIGHTWIND entwickeln die Projektpartner auf Basis der patentierten OptiGen-Technologie einen leichten, modular aufgebauten Antriebsstrang für Offshore-Windenergieanlagen und prüfen dessen Wirtschaftlichkeit.
• Das Fraunhofer IWES ist für die Entwicklung und Validierung der Prüfmethodik verantwortlich.

Herausforderung

Windenergieanlagen auf einer schwimmenden Konstruktion (Floating Offshore Wind/FOW) haben den Durchbruch im Markt noch nicht erreicht. Dabei wäre die Technologie, die in Wassertiefen ab 60 Metern zum Einsatz kommen kann, ein wichtiger Baustein des EU-Ziels, bis 2050 insgesamt 300 GW Windleistung offshore zu erreichen. Denn ihr Potenzial ist gewaltig: Allein in der EU könnten knapp 2.500 GW FOW errichtet werden.

Unter anderem liefern technische Herausforderungen die Gründe dafür, dass sich FOW bislang nicht durchsetzen kann. Zum einen müssen im tiefen Wasser besonders zuverlässige und leistungsstarke Turbinen errichtet werden, um die hohen Betriebskosten zu minimieren. Bei den direktangetriebenen Windenergieanlagen, die wegen ihrer Robustheit offshore zum Einsatz kommen, steigt das Gewicht der Gondel mit wachsender Generatorleistung überproportional. Das hat Auswirkungen auf die gesamte Anlagenkonstruktion, insbesondere bei FOW, die derzeit bei einer Anlagengröße von 16 MW an ihre Grenzen stößt.

Darüber hinaus wird es mit zunehmender Größe des Generators bei Anlagen mit Direktantrieb immer schwieriger, die Einhaltung der Luftspaltlänge, also des radialen Abstands zwischen Generatorrotor und -stator, zu gewährleisten. Technische Lösungen erfordern entweder sehr sorgfältige Produktion der Komponenten oder ein stärkeres Magnetfeld, was wiederum das Gewicht erhöht und mehr Einsatz Seltener Erden für die permanent erregten Magneten erfordert.

Lösung

Hier setzt das Projekt LIGHTWIND an. Ziel ist die Entwicklung eines leichten, teilbaren Antriebsstrangs für Offshore-Windenergieanlagen auf Grundlage der patentierten OptiGen-Technologie. Dieses schienengeführte und modulare Generator-Konzept ermöglicht unter anderem eine deutlich kompaktere Bauweise und weniger Gewicht auch bei steigender Leistung.

OptiGen soll im Laufe des Projektes in die bestehende Offshore-Windenergietechnologie integriert und stufenweise über digitale Modellierung und physische Tests von Komponenten, Teilsystemen und eines verkleinerten Prototyps validiert werden. Ziel ist ein vorläufiger digitaler Entwurf für eine Windenergieanlage mit 22 MW Nennleistung. Darüber hinaus erarbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Quantifizierung der Vorteile von OptiGen auf sozialer, ökologischer und allgemein wirtschaftlicher Ebene sowie eine Markteinführungsstrategie.

Das Fraunhofer IWES ist für die Entwicklung und Validierung der Prüfmethodik verantwortlich. Des Weiteren wird die experimentelle Validierung in der bestehenden Prüfinfrastruktur des Instituts durchgeführt.

Mehrwert  

LIGHTWIND legt die Grundlage dafür, das Potenzial von FOW zu vertretbaren Kosten zu erschließen. Gleichzeitig wird auch die küstennahe Offshore-Windenergie von größeren Anlagen und neuen technischen Konzepten profitieren. Durch das modular aufgebaute Generatorkonzept wächst die Zahl der Zulieferer, da die Ansprüche an die Produktionsbedingungen sinken. Damit geht die Vermeidung von Lieferengpässen und Projektverzögerungen einher. LIGHTWIND trägt somit dazu bei, die deutschen Ziele für den Ausbau der Offshore-Windenergie zu erreichen.