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Geschichten aus der Schaeffler-Welt: Mobilität für morgen

Starke Brise

Der weltweit boomende Markt für Windkraft ist den Kinderschuhen entwachsen und stellt neue Anforderungen an Anlagenbauer und Komponentenhersteller. Ein Gespräch mit dem Schaeffler-Experten Andreas Mangold.

Herr Mangold, in Deutschland hat sich der Ausbau der Windenergie in letzter Zeit etwas verlangsamt. Gerät jetzt der globale Markt für Windkraft ins Stocken?

Die aktuellen Statistiken zeigen ein ungebremstes Wachstum. Nach den Zahlen des Global Wind Energy Council waren Ende 2015 mehr als 430 Gigawatt Leistung durch Windenergie installiert. Wir rechnen mit einem weiteren Anstieg von etwa 55 bis 60 Gigawatt pro Jahr bis 2020. Dafür gibt es viele Gründe. Der Energiebedarf wird weltweit weiter steigen. Hinzu kommen wichtige Weichenstellungen wie das Pariser Klimaschutzabkommen, das jetzt auch von China und den USA ratifiziert wurde. Ein guter Indikator sind auch die neuen Projekte von Betreibern und Herstellern, die jetzt vor allem im Offshore-Bereich, also bei Windrädern im Meer in der Pipeline sind. Das alles lässt auf weiteres Wachstum schließen.

Andreas Mangold, Schaeffler-Experte in Sachen Windkraft
Andreas Mangold, Schaeffler-Experte in Sachen Windkraft
 China ist der größte Markt mit den größten Wachstumsraten. Die Grafik zeigt die Top 5-Länder im Hinblick auf installierte Leistung von Windkraftanlagen: China, USA, Deutschland, Indien, Spanien (Quelle: GWEC)
China ist der größte Markt mit den größten Wachstumsraten. Die Grafik zeigt die Top 5-Länder im Hinblick auf installierte Leistung von Windkraftanlagen: China, USA, Deutschland, Indien, Spanien (Quelle: GWEC)

In welchen Weltregionen sehen Sie das größte Marktpotenzial?

China ist klar der größte Markt mit den größten Wachstumsraten, was durch den weiter steigenden Energiebedarf befeuert wird. China ist aber auch ein gutes Beispiel für den ökologischen Aspekt von Windkraft, weil diese Form der Energieproduktion dabei helfen kann, die Luftqualität in den Ballungsräumen zu verbessern. Der Markt in den USA ist weltweit der zweitwichtigste und war lange Zeit beeinflusst vom einem Fördermodell auf Basis von Steuergutschriften. In der Zwischenzeit setzen einzelne Bundesstaaten ihre eigenen Rahmenbedingungen. In Deutschland haben wir derzeit wegen des erforderlichen Netzausbaus eine Umbruchsituation, in der der Zubau nun zunächst durch Ausschreibungen reglementiert wird. Ein weiterer wichtiger Markt ist Indien, der ähnlich wie China durch einen wachsenden Energiebedarf gekennzeichnet ist.

Was treibt denn den Markt für Windkraft weltweit an?

Der Markt ist mittlerweile den Kinderschuhen entwachsen. Ein zentraler Treiber besteht in den Energie-Gestehungskosten über die gesamte Lebensdauer einer Windkraftanlage. Dahinter stecken viele Einzeltrends, etwa die Maximierung der Leistung pro Fundament durch größere Anlagen. Auf dem Lande entwickelt sich der Markt in Richtung von Drei- bis Vier-Megawatt-Turbinen, zumindest in Europa. Die Leistungsverdichtung spielt aber vor allem offshore eine Rolle. Schon heute leisten die größten Anlagen auf See acht Megawatt, und in wenigen Jahren werden wir noch größere mit bis zu zehn Megawatt sehen. Die immer größeren Anlagen werden von einigen wenigen Herstellern gebaut werden, denn hier konsolidiert sich der Markt derzeit.

 Die installierte Leistung von Windkraftanlagen ist seit dem Jahr 2000 stark angestiegen: Ende 2015 waren weltweit 432.419 MW Leistung durch Windenergie installiert. (Quelle: GWEC)
Die installierte Leistung von Windkraftanlagen ist seit dem Jahr 2000 stark angestiegen: Ende 2015 waren weltweit 432.419 MW Leistung durch Windenergie installiert. (Quelle: GWEC)
Andreas Mangold (rechts) vor dem Großlagerprüfstand Astraios. Mit seiner realitätsnahen Kraft- und Momentensimulation liefert Astraios wertvolle Erkenntnisse, die für die Neuentwicklung von Lagerlösungen  genutzt werden.
Andreas Mangold (rechts) vor dem Großlagerprüfstand Astraios. Mit seiner realitätsnahen Kraft- und Momentensimulation liefert Astraios wertvolle Erkenntnisse, die für die Neuentwicklung von Lagerlösungen genutzt werden.

Welche Auswirkungen hat der Trend zu größeren Windkraft-Anlagen auf Komponenten und Systeme?

Zunächst einmal werden die Rotorblätter noch länger werden. Genaue Schätzungen dazu sind aber nicht ganz einfach. Vor 15 Jahren sprachen viele Ingenieure bei Blattlängen von 30 Metern bereits vom Ende der Fahnenstange. Heute haben die Anlagen mehr als doppelt so lange Blätter bei Rotordurchmessern von 160 Metern und darüber. Für den Triebstrang bedeutet das, dass die Kräfte weiter steigen, die vom Rotor auf Lager und Wellen übertragen werden. Diese Maschinenelemente werden also stärker dynamisch beansprucht. Damit die Anlagen möglichst leicht und kompakt bleiben, können wir diese Zusatzbeanspruchung aber nicht eins zu eins durch einen immer größeren Durchmesser dieser Bauteile auffangen. Wir brauchen also neue, konstruktive Ansätze, um weiterhin kompakt und leicht bauen zu können.

Wie können solche neuen Ansätze aussehen?

Betrachten wir beispielsweise das Hauptlager einer Windkraftanlage. Im Offshore-Bereich sehen wir bei den aktuellen Multi-Megawatt-Anlagen den Trend, Rotorlagerungen mit Kegelrollenlagern zu realisieren. Dabei geht man konstruktiv zwei Wege: Die sogenannte Momentenlagerung – ein zweireihiges Kegelrollenlager, das in einer Lagerposition alle Kräfte und Momente aus dem Wind aufnimmt – erfüllt durch die Ausführung als angeflanschtes Lager konsequent die Anforderungen hinsichtlich einfacher Montage und modularem Aufbau. Ein anderer Weg ist die sogenannte angestellte Lagerung mit zwei einreihigen Kegelrollenlagern, die axial zueinander verspannt werden. Hier können wir die Balance zwischen steigender Belastung und Lagerdurchmesser herstellen, indem wir die Hebelarme von Lasteinleitung und Lastaufnahme durch die Lager optimieren.

Lager, Welle und Gehäuse werden also nicht unbedingt größer und schwerer, müssen aber mehr aushalten?

Genau. Es kommt aber noch ein wichtiger Aspekt hinzu. Denn neben dieser Leistungsverdichtung steigt der Anspruch an die Zuverlässigkeit von Komponenten und Systemen, weil auch das die Gestehungskosten beeinflusst. Die Bauteile müssen also mehr leisten und gleichzeitig über die gesamte Lebensdauer hinweg zuverlässig funktionieren. Aus Sicht von Schaeffler geht das nur, wenn wir einzelne Komponenten wie etwa die Hauptlager und Getriebe nicht isoliert betrachten, sondern das gesamte System und dessen Wechselwirkung verstehen.

"Im Offshore-Bereich sehen wir bei den aktuellen Multi-Megawatt-Anlagen den Trend, Rotorlagerungen mit Kegelrollenlagern zu realisieren", so Andreas Mangold.
Simulationsmodelle sind die Basis, um robuste Lagerungskonzepte entwickeln zu können.
Simulationsmodelle sind die Basis, um robuste Lagerungskonzepte entwickeln zu können.

Wie gelangen Sie zu diesem Systemverständnis?

Wir arbeiten schon in einer frühen Entwicklungsphase in enger Partnerschaft mit den Herstellern von Windkraftanlagen und den Lieferanten anderer Komponenten zusammen. Außerdem sind wir mit unseren Simulationsmodellen in der Lage, eine komplette Windkraftanlage vom Rotorblatt über den Antriebsstrang bis ins Fundament hin abzubilden. Das ist die Basis, um robuste Lagerungskonzepte entwickeln zu können.

Gibt es einen Trend hin zum direkt angetriebenen Antriebsstrang ohne Getriebe?

Das ist nicht eindeutig zu beantworten. Sowohl Turbinen mit Getriebe als auch ohne Getriebe haben ihren Markt. Es gibt Einsatzgebiete, in denen der Direktantrieb sinnvoll sein kann. So verfolgt Siemens für Offshore-Anlagen ein schlankes, modulares Konzept mit Rotornabe, Rotorblättern, Rotorlager und direkt angetriebener Generatoreinheit. Dabei geht es aber vor allem darum, wenige Komponenten in kurzer Zeit mit einem Kran an Ort und Stelle zu bringen, zu montieren und in Betrieb zu nehmen – und sie später auch leichter austauschen zu können. Auch hier geht es wieder um die Gestehungskosten für Energie. Das kann an Land aber ganz anders aussehen.

Warum ist für Sie persönlich Windkraft so wichtig?

Der Energiebedarf wird weltweit weiter steigen. Wir müssen also mehr Energie produzieren. Langfristig wird aber die konventionelle Erzeugung von Energie immer teurer werden, weil die Rohstoffe begrenzt sind und es immer aufwändiger wird, sie zu gewinnen. Der Wind aber ist ein Rohstoff, der unbegrenzt zur Verfügung steht. Allein die Tatsache, dass man mit einer Windkraftanlage innerhalb von wenigen Monaten die Energie erzeugen kann, die man für ihre Produktion aufgewendet hat, zeigt: Windkraft ist eine sehr effiziente Art der Energieerzeugung. Mit robusten und zuverlässigen Komponenten und Systemen wollen wir dazu beitragen, dass die Anlagen auch wirtschaftlich gesehen erfolgreich sind.

"Mit einer Windkraftanlage kann man innerhalb von wenigen Monaten die Energie erzeugen, die man für ihre Produktion aufgewendet hat", sagt Andreas Mangold (rechts).
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