A A A
| Sitemap | Kontakt | Impressum
ETZ Logo VDE Verlag Logo

Schutzeinrichtungen sichern Windräder

Bild 1. Fängt ein Windrad durch einen direkten Einschlag Feuer, sind die Maßnahmen der Feuerwehr begrenzt: Der Brandherd ist außer Reichweite, zudem würden herabfallende Trümmer die Helfer gefährden

Bild 2. Über 50 % der Blitze treffen das Rotorblatt. Die Flügelspitzen werden deshalb mit definierten Einschlagpunkten in Form von Metallkappen oder -kanten geschützt, von denen aus der Blitzstrom sicher abgeleitet wird

Bild 3. Blitz- und Überspannungsschutz nach dem SEP-Prinzip: Alle aktiven Elemente werden an einem Punkt (Single Entry Point) in die beziehungsweise aus der Schutzzone geführt und können so gemeinsam gesichert werden

Abgerissene Rotorblätter und brennende Gondeln – ein Blitzschlag kann für eine Windenergieanlage ein spektakuläres Ende bedeuten. Andere Schäden sind weniger sichtbar, dafür aber häufiger, wie ausgefallene Steuerungen, zerstörte Elektrik und stillstehende Generatoren. Der Schutz der Kraftwerke wird schwieriger, je mehr sie in den Offshore-Bereich verlagert werden, weitab von Wartungstechnikern. Doch schon an ein normales Onshore-Windrad kommt die Feuerwehr im Ernstfall nicht mehr heran. Um das Schadensrisiko von vornherein zu minimieren, sind deshalb abgestimmte Schutzkonzepte gefragt.

Im Juli 2009 bricht von einem Windrad in Brieske ein Teil des Rotors ab und stürzt in ein nahes Waldstück. Vermutlich hatte ein Blitzschlag Feuchtigkeit im Flügel schlagartig verdampfen lassen, was das Blatt sprengte. Anfang 2007 fängt in Riemsloh die Gondel eines Windrads wohl nach einem Blitz Feuer. In einem solchen Fall kann die Anlage ausbrennen, weil die Feuerwehr den Brand in 80 m Höhe nicht erreichen kann (Bild 1).
Der Sachschaden ist hoch: Die Kosten für ein 2004 ausgebranntes Windrad bei Gettorf lagen laut dem Hersteller bei 1,5 Mio. € bis 2 Mio. €. „Hinzu kommt der wirtschaftliche Verlust, wenn die stillstehende Windenergieanlage keinen Strom produziert“, erklärt Reiner Linder, der sich bei der auf Blitz- und Überspannungsschutz spezialisierten Leutron GmbH bereits länger mit dem Thema „Blitzschutz für Windenergieanlagen (WEA)“ beschäftigt.

Gewittergefahr auf hoher See und in den Mittelgebirgen
Entsprechend dem hohen Verlustrisiko sollte nach den Berechnungsgrundlagen der Normengruppe DIN EN 62305 eine hohe Blitzschutzklasse angelegt werden. Für Onshore-Anlagen gilt die Blitzschutzklasse II mit einer Absicherung gegen bis zu 150 kA, für Offshore-Anlagen gilt sogar die Blitzschutzklasse I mit erwarteten Einschlägen bis 200 kA. Grund dafür ist die exponierte Lage der Windräder und die damit verbundene hohe Einschlagswahrscheinlichkeit. So ergaben Berechnungen der Fachhochschule Kiel und von Repower für eine Offshore-Anlage mit 5 MW und einer Nabenhöhe von 120 m eine äquivalente Einfangfläche von etwa 80 000 m²; die Wahrscheinlichkeit eines direkten Einschlags liegt bei 0,6 pro Jahr. Im ungünstigen Fall kann ein solcher Treffer an den beweglichen Teilen das Schmieröl entzünden.
Verlässliche statistische Daten zur Gefährdung der Standorte im offenen Meer gibt es noch nicht, in Deutschland werden derartige Parks erst seit Kurzem realisiert. Allerdings wurden bereits Forschungsprojekte auf den Weg gebracht, wie Rave im Offshore-Park Alpha Ventus oder die Plattformen Fino, auf denen unter anderem Blitzhäufigkeiten und -parameter gemessen werden.
Onshore haben vor allem Windräder in den Mittelgebirgen mit Blitzschlägen zu kämpfen. Von den 405 WEA im Mittelgebirge, die zwischen 1992 und 2005 im Windmonitor des Fraunhofer Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik erfasst waren, kamen 497 Meldungen über Blitzschäden, 147 waren direkte Treffer.

Zusammenspiel aus äußerem und innerem Blitzschutz
Betroffen ist in erster Linie die Steuerungseinheit. Daneben sind es aber auch die Rotorblätter und die aerodynamische Bremse, die für das Anhalten des Windrads durch Anstellen der Flügel verantwotlich ist. „Das verwundert nicht. Immerhin zeigen Statistiken, dass 56 % der Blitze ein Rotorblatt treffen“, erklärt R. Linder. Um Ausschmelzungen an den Rotorspitzen zu verhindern, werden inzwischen in die Blattspitzen Rezeptoren eingebaut, die definierte Einschlagpunkte vorgeben (Bild 2). Die konkrete Ausführung variiert je nach Hersteller, von einem Kupfergeflecht an den Spitzen über austauschbare Metallkappen bis zu leitenden Profilen in den Blattkanten. Auch die Ableitung kann innerhalb des Rotorblatts, über die Blattfläche oder entlang der Blattkanten verlaufen.
Um den Blitzstrom kontrolliert abfließen zu lassen, werden die Ableiter mit der Nabe verbunden, wo Kohlefaserbürsten oder Luftfunkenstrecken die Verbindung zum Gondelkörper herstellen. Der Turm selbst als Leiter oder eingebettete Drähte führen den Blitzstrom zur Erdung. Die Gondelaufbauten und die Gondel werden zusätzlich mit Fangstangen oder Fangkäfigen geschützt.

Ebenso wichtig wie der äußere Schutz ist aber auch der innere Blitzschutz, insbesondere, da die Systemspannungen der WEA immer mehr steigen. „Der Trend geht zu 690 V und 1 000 V bei TN-Systemen, um den Leitungsquerschnitt bei großen Anlagen gering zu halten“, so R. Lindner. „Das bedeutet für den Ableiter besondere Anforderungen, etwa was die bauliche Gestaltung angeht. Hier muss auf die Luft- und Kriechstrecken für diese Systeme geachtet werden.“
Auch die Leistungsfähigkeit des Ableiters ist für die Sicherheit des Windrads entscheidend. Da Windräder mit einer Nabenhöhe von über 60 m nach Blitzschutzklasse II betrachtet werden, muss hier das Blitzstoßstrom-Summenvermögen der Ableiter mindesten 75 kA betragen. Bei symmetrischer Verteilung bedeutet das 25 kA für jeden Ableiter. Bei WEA von 600 kW bis 2,5 MW treten Kurzschlussströme zwischen 8 kA und 30 kA auf, weshalb nur Funkenstrecken mit hohem Folgestromlöschvermögen in Frage kommen.
Leutron setzt daher zum Beispiel im Übergang von Blitzschutzzone 0 zu 1 in der Hauptverteilung am Turmfuß einen speziell abgestimmten Kombiableiter für 400V/690V-Systeme mit einem Blitzstoßstromvermögen von 50 kA pro Pol ein, der auch Netzfolgeströme selbstständig löscht. Bei der verwendeten Ableiter-Technologie handelt es sich um hermetisch dichte, mit Edelgas gefüllte Funkenstrecken, mit denen auch noch höhere Systemspannungen einfach zu realisieren sind. Da es keine Ausblasöffnung gibt, sind auch bei der Installation keine Sicherheitsabstände nötig. Zudem enthält die Komponente keine sensible Triggerelektronik und ist unabhängig von Luftdruck und Luftfeuchtigkeit – dies ist vor allem offshore ein wichtiges Kriterium.

Besonderer Schutz elektrischer Komponenten
Zusätzlich rät R. Linder bei WEA nicht allein das Blitzschutzzonenkonzept anzuwenden, sondern es mit dem Single-Entry-Point-Prinzip (SEP) (Bild 3) zu verbinden: „Das bedeutet, lokale Schutzinseln zu bilden und umzusetzen.“ Alle Leitungen, die in eine Zone eintreten, werden dazu an einem zentralen Punkt verlegt, an dem auch der Überspannungsschutz montiert wird. Dadurch sind die Anlagen innerhalb der Zone besser gegen Einkopplungen und verschleppte Potentialdifferenzen geschützt. Gleichzeitig sinken die Kosten für die Ableiter und der Wartungsaufwand wird minimiert.
Der innere Blitzschutz ist insofern besonders wichtig, als er die Elektrik nicht nur gegen direkte Einschläge, sondern auch gegen Überspannung aus Blitzschlägen in Leitungen oder Störungen durch elektromagnetische Felder abschirmt. Wie empfindlich gerade dieser Bereich ist, zeigt eine Statistik des Iset (jetzt Teil des Iwes): Über 50 % aller Störungen an WEA zwischen 1992 und 2008 fanden sich in der Elektrik, den elektronischen Regelungseinheiten oder der Sensorik. Zwar lassen sich diese Schäden in der Regel schneller beheben als beispielsweise ein zerstörter Rotor, in ihrer Häufigkeit sind sie allerdings ein entscheidender Aspekt der Wirtschaftlichkeit. „Verfügbarkeit ist oberstes Gebot“, sagt Blitzschutzexperte R. Linder. „Schutzmaßnahmen können zwar den Blitz nicht verhindern, wohl aber den Schaden.“

Der Beitrag als pdf

Forschung für die Windenergie
Das Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik befasst sich mit anwendungsorientierter Forschung und ist 2009 aus dem ehemaligen Fraunhofer-Center für Windenergie und Meerestechnik CWMT in Bremerhaven sowie dem Institut für Solare Energieversorgungstechnik e.V. (ISET) in Kassel hervorgegangen. Seine Forschungsgebiete umfassen das gesamte Spektrum der Windenergie von der Materialentwicklung bis hin zur Netzoptimierung sowie die Energiesystemtechnik für die Nutzung aller Formen der erneuerbaren Energien, insbesondere der Photovoltaik, Wind-, Meeres- und Bioenergie. Im Institutsteil Kassel sind derzeit rund 180 Wissenschaftler, Angestellte und Studenten tätig. Der Jahreshaushalt von rund 9 Mio. € wird, neben einer Grundfinanzierung des Hessischen Ministeriums für Wissenschaft und Kunst, zu rund 80 % aus Drittmitteln finanziert.

Autorin: Christine Gaßel ist als freie Fachjournalistin für die Leutron GmbH in Leinfelden-Echterdingen tätig.