Windenergie -Anlagen aus Furnierschichtholz

(WK-intern) – Der Turm stellt bei jeder Windkraftanlage – im wahrsten Sinne des Wortes – die tragende Struktur dar.

Er beabstandet tonnenschwere Technik in der Höhe und Natur am Boden.

Doch aus was sollte ein solcher Turm bestehen? Rohrtürme aus Stahl sind heutzutage die gängigste und am weitesten verbreitete Turmbauart bei Windkraftanlagen. Der Transport der Turmsegmente meist in Segmente von 20-30 Metern Länge unterteilt ist nicht nur bei Brücken und Tunnel problematisch, auch bei Unterführungen und insbesondere beim Transport über hunderte Kilometer. Außerdem ist Stahl ist sehr energieintensiv und teuer. Umweltrelevant bei der Herstellung von Eisen und Stahl sind insbesondere Luftschadstoff- und Abwasseremissionen, Anfall und Entsorgung von gefährlichen und nicht gefährlichen Abfällen sowie der Energie- und Wasserverbrauch.

Oder sollten die Türme der Windkraftwerke besser aus Beton mit Gleitschalung oder in Fertigteilbauweise errichtet werden. Meist werden beim Bau von Windkraftanlagen große Betonfertigteile die meist weit weg erzeugt werden an die Baustelle geliefert, mittels einem Kran zu einem Turm zusammengesetzt und dann aneinander fixiert. Die jeweils 3.8 m hohen und 30cm starken Betonfertigteile werden in eigenen Fertigteilwerken produziert und durch halb Europa gekarrt.

Oder doch Holz? Es ist erwiesen, dass Holz eine kostengünstige Alternative zu Stahl und Beton bei hohen Windrädern sein kann, zumal es nach einem Leben aus Turm einer Windkraftanlage ein zweites Leben geben wird. Holz in Windkraftanlagen bietet einige Vorteile, sei es die Wechselbiegefestigkeit, die gespeicherte Masse an CO2 oder die spätere Entsorgung. Noch dazu ist es in Europa fast überall verfügbar.

Genau deswegen ist Holz als Werkstoff für den Bau von Windkraftanlagen prädestiniert. Ob im zerstörungsfrei rückbaubaren Fundament, in ein oder mehrlagigen Turmwänden oder in den Rotorblättern, überall in den modernsten Anlagen kann Holz mit seinen Vorteilen überzeugen.

Fundament

Statischen Kräfte, die durch das Gewicht von Rotor und Maschinengondel, sowie dynamischen Kräfte, die durch die Bewegung des Rotors sowie wirkende Windlasten entstehen, werden dabei über den (Holz)-Turm in das Fundament abgeleitet, welches die Kräfte auf den Untergrund verteilt. Dies wird dadurch erreicht, dass das zerstörungsfrei rückbaubare Fundament miteinander lösbar verbundene Segmente aufweist, wobei mehrere formgleiche Segmente geschichtet angeordnet sind. Dieser modulare Aufbau ermöglicht eine zeiteffiziente und aufwandsreduzierte Errichtung bzw. Demontage des Fundamentes unter optimierten logistischen Bedingungen. Darüber hinaus kann das Fundament zerstörungsarm abgebaut werden, sodass eine hohe Wiederverwendbarkeit von Elementen, insbesondere von Segmenten, des Fundamentes erreicht wird. Dies führt zu einer erheblichen Kostenverringerung bei der Errichtung bzw. Demontage des Fundamentes. Im Idealfall kann das Fundament demontiert und an einer anderen Stelle wieder errichtet werden. Mit Vorteil kann das Fundament flexibel je nach Anforderungen mit unterschiedlichen Größen und Gewichten ausgebildet werden ohne den Untergrund zu versiegeln. Eine ausgeprägte Einfügung bzw. Verankerung des Fundamentes mit dem umgebenden Baugrund kann dadurch erreicht werden, dass die Segmente eine im Wesentlichen radial zur Achse nach außen hin abnehmenden Höhe aufweisen. Insbesondere bei einer großen radialen Ausdehnung des Fundamentes erfolgt hierdurch eine robuste Umfassung des Fundamentes durch einen umgebenden Baugrund.

Turm

Alle Wandelemente sind in Ihren Abmessungen so gewählt, dass kein Sondertransport erforderlich ist. Der Wandaufbau kann bei kleineren Türmen einschalig erfolgen, bei großen Türmen kommt der Vorteil der Mehrschaligkeit voll zum Tragen. Bei einschalig ausgeführtem Turm bestehen die Wandelemente aus multidirektionalem Furnierschichtholz, mit in Ebenen befindlicher Brettsperrholzplatten zur Aussteifung mit Scheibenwirkung. Hierbei können die Wandelemente massiv oder hohl ausgeführt sein.

Bei mehrschalig ausgeführten Turmwänden insbesondere bei Nabenhöhen über 250m kann im Wesentlichen der Homogenisierung der Schalenwände aus mehreren faserverstärkten Furnierschichten Rechnung getragen werden, wobei die Mehrschaligkeit eine Innenschale und eine über Stege beabstandete Außenschale beinhaltet. Die Wandelemente der Tragschalen sind etwa 12,5m lang, etwa 30 cm stark und aus bis zu 9-lagigem multidirektionalem Furnierschichtholz mit je nach Erfordernis faserverstärkter Kleberschicht gefertigt. Die Verstärkungsfasern können aus pflanzlichen oder tierischen Fasern, oder aber aus mineralischen Fasern bestehen.

Für die aussteifenden Scheiben in jeweils 12,5 m Abständen, kann normales Brettsperrholz Verwendung finden. Die die Tragschalen beabstandenden Stege können aus Furnierschichtholz oder Brettsperrholz, vollflächig, vollwandig oder aus Fachwerk bestehen. Die zumindest teilweise Bildung einer Wand des Turmes durch mehrere verbundene, vorzugsweise miteinander verklebte, Furnierschichten ermöglicht es, mit einer Zunahme der Höhe des Turmes entstehenden Anforderungen an Statik und Materialbelastbarkeit bei gleichzeitig reduziertem Materialaufwand gerecht zu werden. Insbesondere ein Turm mit zumindest kreisähnlichem oder polygonalem horizontalen Querschnitt erweist sich als besonders stabil.

Die bei zunehmender Höhe notwendige Biegesteifigkeit des Turmes kann erhöht werden, indem Spannelemente vertikal, diagonal und horizontal in verschiedensten Winkeln und Längen wirkende Kräfte schalenübergreifend weiterleiten. Insbesondere kann dadurch Torsionsbelastungen entgegengewirkt werden.

Die Wandoberfläche des Turmes ist mit einer, insbesondere wasserundurchlässigen Beschichtung versehen, die die Außenschale vor einwirkenden Umwelteinflüssen schützt.

Eine Windenergieanlage mit Holzturm besitzt im Gegensatz zu Stahlrohr-, und Betonringtürmen eine mehr als ansehnliche Ökobilanz. Die in den Turmringen verbaute Masse an Holz speichert weit über 1000 Tonnen CO2. Nach Ablauf seine Nutzungszeit, die mehr als 50 Jahre beträgt, werden die Elemente einem zweiten stofflichen Verwertungsweg zugeführt.

Zusätzliche Nutzungsmöglichkeiten von Windkrafttürmen

Da diese Anlage einiges an Grundfläche einnimmt, ist es notwendig hier einige zusätzliche Nutzungsmöglichkeiten aufzuzählen:

• Als Garage oder Parkplatz

Außerhalb von Ballungsgebieten ist eine Parkmöglichkeit insbesondere für E-Mobilitäts-Fahrzeuge denkbar, z.B. mit integrierter Ladestation.

• Mit integriertem Wärmespeicher insbesondere Latent Wärmespeicher

Das System kann ihm zugeführte Wärme oder Arbeit verlustarm, mit vielen Wiederholzyklen und über lange Zeit speichern. Dies ist in der Nähe von Städten eine sinnvolle Option um Nahwärme über kurze Distanzen zur Verfügung zu stellen.

• Mit integriertem Batteriespeicher

Mittels einer Nasszelle, auch Flüssigbatterie genannt wird elektrische Energie in chemischen Verbindungen genauer gesagt in ein oder mehreren Elektrolyten gespeichert. Integrierte Batteriespeicher können bei Windkraftanlagen mehr als 20 Megawatt Strom speichern.

• Mit integriertem Datencenter

Eine weitere Nutzungsmöglichkeit ist der Einbau von Datencentern.

• Als Hochspannungsmast – Freileitungsmast

Windenergie-Türme mit Nabenhöhen über 200 m bieten am Turmkörper genug Platz für Stromleitungen. Mit solchen Türmen lassen sich Mastabstände von bis zu 1000 Meter zwischen den einzelnen Masten realisieren, zudem können mit integrierten Batteriespeichern die Stromläufe geglättet werden. Hierbei wird auch die Möglichkeit aufgezeigt, gleichzeitig Strom ins Netz zu liefern.

Windkraftanlage mit mehreren Rotoren

Da in den letzten Jahren viele Windparks gebaut wurden, die doch meist einige Anlagen umfassen, ist ein größerer Flächenverbrauch als Vorrangzone einhergegangen. Das bemerkt man insbesondere in der „Verspargelung“ einiger Gebiete, insbesondere an Küsten oder an windhöffigen Standorten im Binnenland. Die Windräder stehen oft wie Kraut und Rüben in der Landschaft. Eine Einbettung in die Umgebung spielt bei der Planung keine Rolle.

Bringt man mehrere Rotoren an einem Turm an, so ist die Verbauung (insbesondere Bau-Straßen) aber auch die Versiegelung von Boden auf ein Minimum reduziert. Geht man bei einem Windpark von etwa 10 Anlagen aus, beläuft sich der Flächenverbrauch für Zuwegungen etwa in der Größe eines Fußballfeldes.

Werden jedoch mehrere Maschinen auf einem Turm installiert, geht der Flächenverbrauch signifikant zurück und der Abstand zu Wohngebieten ist wesentlich leichter einzuhalten. Durch die größere Höhe und der meist höheren Windgeschwindigkeiten sowie der länger andauernden Windbewegungen ist es einfacher und kostengünstiger Wind zu ernten. WEAs mit mehreren Rotoren setzen den unterschiedlichen Windverhältnissen gewissermaßen ein Optimum an Erntefähigkeit entgegen. Während bei großen Rotordurchmessern (z.B. 164 m) die gleichzeitigen Windverhältnisse an der 6 Uhr und 12 Uhr Position wesentlich abweichen können, ernten Mehr-Rotor-Anlagen effizienter, da die Rotordrehzahl dem unterschiedlichen Windaufkommen anpassbar ist.

Auch ein Vorteil ist, dass sowohl Horizontalachsanlagen als auch Vertikalachsanlagen entweder separiert aber auch gemeinsam verwendbar sind. Ebenso hervorzuheben sind die herstellerunabhängige Aufrüstung mit Maschinenhäusern sowie der Einsatz gebrauchter Maschinerie.

Rotorblätter

Bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung lenkt ein Rotorblatt eine Luftströmung um, um die Energie der Luftströmung in Bewegungsenergie des Rotors umzuwandeln. Form und Größe eines üblichen Rotorblattes hängen in der Regel von zu erwartenden Windgeschwindigkeiten, der maximalen Belastbarkeit, sowie den dynamischen Kräften ab. Das Rotorblatt ist so konstruiert, dass die Oberfläche bei bestimmungsgemäßer Verwendung variierbar ist, so ist es möglich das Blatt an die jeweils vorherrschende Luftströmung anzupassen, und dadurch einen optimalen Betriebszustand zu ermöglichen. Auf einfache Weise kann dies dadurch umgesetzt werden, dass zumindest eine Länge des Rotorblattes veränderbar ist, um die Größe der Oberfläche zu variieren.

Insbesondere kann bei geringen Windgeschwindigkeiten eine große Oberfläche vorteilhaft sein, um erforderliche Drehmomente aufzubringen, während bei hohen Windgeschwindigkeiten eine kleinere Oberfläche zur Vermeidung von Überbelastungen zweckmäßig ist. Um dies zu erreichen kann das Rotorblatt über teleskopartige Abschnitte im Nabenbereich in seiner Länge variiert werden, ohne in die wesentliche Form des Blattes einzugreifen. Auf Druck vorgespannte Blattschalen haben den Vorteil, dass die in der Rotationsphase wirkende Zentrifugalkraft weniger Zugkräfte verursacht, und deshalb auch nur wenig ausgeprägte Zug-Druck-Lastwechsel auftreten. Die maximale Blattlänge aktueller Windkraftanlagen liegt Onshore bei etwa 65 Metern, auf See sind es ungefähr 85 Meter.

Windenergieanlagen mit teleskopierbaren Rotorblättern sind bei niedrigen Wind-geschwindigkeiten in der Lage Dank Längenverstellung die überstriche Fläche zu vergrößern. Bei etwa 25% Verstelllänge eines Rotorblattes wächst die überstrichene Fläche auf das eineinhalb-fache an. Große Rotorflächen optimieren so die Schwachwindstandorte.

Nachhaltigkeit

Holz ist ein überall vorkommendes, kostengünstiges und einfach zu bearbeitendes Material mit enormen Potenzial an Nachhaltigkeit. Können bei einem einschaligen Holzturm (etwa 100m Nabenhöhe) durch den Einsatz von Holz auf etwa 300 Tonnen Stahlblech verzichtet werden, sind es bei einem 300m Turm schon mehr als 1000 Tonnen Stahl oder einige tausend Tonnen Hochleistungsbeton. Während bei Stahlblechtürmen und Betontürmen enorm viel Energie benötigt und zudem klimaschädliches CO2 freigesetzt wird, können in Holztürmen je nach Höhe bis zu 5000 t CO2 gespeichert werden. Zertifikate der Holzlieferanten garantieren außerdem den Rohstoff aus einer ökologisch, ökonomisch und sozial verantwortlichen Waldwirtschaft zu entnehmen.

3.3 MW und 3.7 MW Windkraft Lösungen

Ertragsstark auch an Binnenland Standorten mit wenig Wind: Die U-133/156 sowie die U-137/164 erwirtschaften dank ihrer teleskopierbaren Rotorblätter deutlich vergrößerten überstrichenen Rotorflächen deutliche Ertragszuwächse an Schwachwindstandorten. Die U-133/156 ist auf Nabenhöhen von 125 bis 225 Metern erhältlich, die U-137/164 auf Nabenhöhe mit 125, 150, 175, 200, 225oder 250 Metern für den europäischen Markt. Erreicht wird die Effizienzsteigerung vor allem durch eine Vergrößerung der Erntefläche aufgrund teleskopierbarer Uniqueline Veneer Blades.

U-133/156

Nennleistung: 3.300 kW

Rotordurchmesser Starkwindbetrieb: 133 m

Rotorfläche: 13.893 m2

Rotordurchmesser Schwachwindbetrieb: 156 m

Rotorfläche: 19.113 m2

Nabenhöhen: 125, 150, 175, 200, 225 m

Betriebstemperaturbereich: -25 bis +45 °C

Schallleistungspegel: 101 dB

Einschaltgeschwindigkeit 3 m/s

Abschaltgeschwindigkeit 28 m/s

Blattanzahl 3

Rotorblattlänge 65 m

Bauart: Uniqueline Veneer Blade

U-137/164

Nennleistung: 3.700 kW

Rotordurchmesser Starkwindbetrieb: 137 m

Rotorfläche: 14.741 m2

Rotordurchmesser Schwachwindbetrieb: 164 m

Rotorfläche: 21.124 m2

Nabenhöhen: 150, 175, 200, 225, 250 m

Betriebstemperaturbereich: -25 bis +45 °C

Schallleistungspegel: 103,4 dB

Einschaltgeschwindigkeit 3 m/s

Abschaltgeschwindigkeit 28 m/s

Blattanzahl 3

Rotorblattlänge 67 m

Bauart: Uniqueline Veneer Blade

4.2 MW und 4.8 MW Windenergie Lösungen

U-142/174

Nennleistung: 4.200 kW

Rotordurchmesser Starkwindbetrieb: 142 m

Rotorfläche: 15.877 m2

Rotordurchmesser Schwachwindbetrieb: 174 m

Rotorfläche: 23.779 m2

Nabenhöhen: 125, 150, 175, 200, 225 m

Betriebstemperaturbereich: -25 bis +45 °C

Schallleistungspegel: 101 dB

Einschaltgeschwindigkeit 3 m/s

Abschaltgeschwindigkeit 28 m/s

Blattanzahl 3

Rotorblattlänge 69,50 m

Bauart: Uniqueline Veneer Blade

U-148/185

Nennleistung: 4.800 kW

Rotordurchmesser Starkwindbetrieb: 148 m

Rotorfläche: 17.203 m2

Rotordurchmesser Schwachwindbetrieb: 185 m

Rotorfläche: 26.880 m2

Nabenhöhen: 150, 175, 200, 225, 250, 275 m

Betriebstemperaturbereich: -25 bis +45 °C

Schallleistungspegel: 103,4 dB

Einschaltgeschwindigkeit 3 m/s

Abschaltgeschwindigkeit 28 m/s

Blattanzahl 3

Rotorblattlänge 72,50 m

Bauart: Uniqueline Veneer Blade

PM: Uniqueline
Michael Schmidt

Uniqueline
https://www.uniqueline.eu/