1. Einleitung Chinas nachgewiesene Windenergiereserven belaufen sich derzeit auf ca. 3226 GW, wovon etwa 253 GW nutzbar sind. Diese befinden sich hauptsächlich in den Graslandschaften und der Wüste Gobi im Nordwesten, Norden und Nordosten Chinas sowie in den östlichen und südöstlichen Küstenregionen und auf den Inseln. Bis Ende 2003 hatte China 40 netzgekoppelte Windparks mit insgesamt 1042 in Betrieb befindlichen Windkraftanlagen und einer Gesamtkapazität von 567,02 MW (basierend auf der abgeschlossenen Anlageninstallation) errichtet (siehe Tabelle 1). Die wichtigsten Standorte der netzgekoppelten Windparks sind Xinjiang, die Innere Mongolei, Guangdong, Zhejiang und Liaoning. 2. Nationaler und internationaler Entwicklungsstand Im Vergleich zu anderen Ländern schreitet der Ausbau der netzgekoppelten Windenergie in China relativ langsam voran. Die Windenergieerzeugung macht landesweit nur 0,14 % der gesamten installierten Kapazität aus. Obwohl bereits 40 Windparks errichtet wurden, liegt die durchschnittliche installierte Leistung jedes einzelnen Windparks unter 15.000 kW und hat noch keine nennenswerte Größe erreicht. Abbildung 1 vergleicht die installierte Windkraftleistung von Deutschland, den USA, Spanien und China. [ALIGN=CENTER] Tabelle 1: Statistiken zu Windparks und in Betrieb befindlichen Windkraftanlagen in China (Stand: Ende 2003) Abbildung 1: Installierte Windkraftleistung in einigen Ländern im Jahr 2003 Xinhua-Nachrichtenagentur, 15. Mai 2004: „Windkraft soll Chinas neue Lösung für die Energieherausforderungen werden“ [/ALIGN] Darüber hinaus hinkt die Forschung und Entwicklung netzgekoppelter Windkrafttechnologien in China aufgrund verschiedener Faktoren dem internationalen Standard weit hinterher und erfüllt die Anforderungen für den Windparkbau in China bei Weitem nicht. Insbesondere der Kapitalmangel in China verhindert groß angelegte Investitionen in den Windparkbau. Daher wird dieser Markt derzeit weitgehend von ausländischen Unternehmen dominiert, wobei 87 % der installierten Kapazität aus importierten Anlagen bestehen (siehe Abbildung 2). [ALIGN=CENTER] Abbildung 2: Anteil der inländischen Produktion an der installierten Windkraftleistung in China [/ALIGN] Aktuell werden Chinas netzgekoppelte Windkraftanlagen hauptsächlich von ausländischen Herstellern wie Bonus, Vestas, NEG-Micon, Nordtank, Nordex und Gamesa geliefert. Während Windkraftanlagen der Megawattklasse, die international zum Standard geworden sind, in China noch entwickelt werden, hat die größte im Inland produzierte Windkraftanlage eine Leistung von lediglich 750 kW. Derzeit können große Windkraftanlagen nur durch Importe oder in Zusammenarbeit mit ausländischen Unternehmen hergestellt werden. Die Abbildungen 3 und 4 zeigen die kumulierte Anzahl und die Verteilung der installierten Kapazität von Windkraftanlagen in China. [ALIGN=CENTER] Abbildung 3: Verteilung der Windkraftanlagen in China [/ALIGN] [ALIGN=CENTER] Abbildung 4: Verteilung der Windkraftanlagen in China [/ALIGN] Abbildung 5 zeigt die Verteilung der neu installierten Anlagenkapazität im Jahr 2003. Aus dieser Abbildung geht deutlich hervor, dass die heimische Produktion zwar einige Erfolge erzielt hat, importierte Produkte aber weiterhin insgesamt dominieren. [ALIGN=CENTER] Abbildung 5: Marktanteilsverteilung der Windkraft im Jahr 2003 [/ALIGN] Ende 2003 waren in China insgesamt 497 Windkraftanlagen in Betrieb, hauptsächlich mit einer Leistung von 600 kW, darunter 16 Anlagen mit einer Leistung von 1 MW (einschließlich) oder mehr. Anlagen im Leistungsbereich von 600 kW (einschließlich) bis 1000 kW (ausschließlich) machten 65 % des Gesamtvolumens aus, einschließlich der Leistungsstufen 660 kW, 750 kW und 850 kW (siehe Abbildung 6). [ALIGN=CENTER] Abbildung 6: Leistungsverteilung von Windkraftanlagen [/ALIGN] Anfänglich lagen die Kosten für Windkraftprojekte in China bei etwa 9000–10000 RMB/kW. Durch die teilweise Lokalisierung der Produktion sanken die Kosten später auf rund 7000 RMB/kW. Am Beispiel einer 600-kW-Windkraftanlage lassen sich die Preise einiger Schlüsselkomponenten wie folgt darstellen: ① Getriebe (Anstieg von ca. 18 U/min auf 1500 RMB/kW). ① **U/min**. Importierte Einheiten kosteten etwa 600.000 RMB, während im Inland produzierte Einheiten jeweils etwa 180.000 RMB kosteten. ② **Generator (4-polig, 1500 U/min, 600 kW)** Importierte Einheiten kosten ca. 580.000 RMB, während inländische Einheiten jeweils ca. 130.000 bis 180.000 RMB kosten. ③ **Windkraftanlagenflügel** Inländische Windkraftanlagen kosten jeweils ca. 180.000 RMB, also etwa ein Drittel bis die Hälfte des Preises importierter Produkte. Bei drehzahlvariablen Windkraftanlagen muss zusätzlich der Preis des Wechselrichters hinzugerechnet werden, der ca. 1000 bis 1500 RMB/kW beträgt. Bei einem doppelt gespeisten, drehzahlvariablen und frequenzkonstantbetriebenen Windkraftsystem beträgt die Wechselrichterleistung ca. ein Drittel der Gesamtleistung des Systems, was bedeutet, dass der Wechselrichter weniger als ein Zehntel der Gesamtsystemkosten ausmacht. Abbildung 7 zeigt die Kostenstatistik für Windkraftanlagen der Firma Xinjiang Goldwind in China. Abbildung 8 zeigt schematisch das Kostenverhältnis von Windkraftanlagen von der Planung bis zur Inbetriebnahme. [ALIGN=CENTER] Abbildung 7 Funktionale Beziehung zwischen Leistung und Kosten pro Kilowatt (U-förmige Kurve) [/ALIGN] [ALIGN=CENTER] Abbildung 8 Kosten einer kompletten Windkraftanlage [/ALIGN] 3. Schlüsseltechnologien von Windkraftanlagen In einem Windkraftsystem ist der Generator die zentrale Komponente der Energieumwandlung. Windkraftanlagen werden hauptsächlich anhand ihrer Betriebsart in zwei Kategorien eingeteilt: Windkraftanlagen mit konstanter Drehzahl und konstanter Frequenz sowie Windkraftanlagen mit variabler Drehzahl und konstanter Frequenz. Windkraftanlagen mit konstanter Drehzahl und konstanter Frequenz verwenden in der Regel Synchron- oder Käfigläufer-Asynchronturbinen als Generatoren. Durch eine Turbine mit fester Blattverstellung wird die Generatordrehzahl konstant gehalten, wodurch eine konstante Frequenz und Amplitude der Ausgangsspannung gewährleistet wird. Ihr Betriebsbereich ist relativ eng. Windkraftanlagen mit variabler Drehzahl und konstanter Frequenz steuern die Windkraftanlage mittels Pitchregelung und ermöglichen so einen optimalen Betrieb über einen weiten Drehzahlbereich. Dies entspricht einem aktuellen Trend in der Windenergieentwicklung. Systeme mit variabler Drehzahl werden hauptsächlich in Synchrongeneratoren und Asynchrongeneratoren unterteilt. Zu den Synchrongeneratoren zählen Permanentmagnet-Synchrongeneratoren und elektrisch erregte Synchrongeneratoren; Asynchrongeneratoren sind hauptsächlich Schleifringläufergeneratoren. Permanentmagnet-Synchrongeneratoren nutzen Permanentmagnete anstelle des Erregermagnetfelds des Rotors, was zu einer relativ einfachen und robusten Konstruktion führt. Die Windkraftanlage mit Permanentmagnet-Synchrongenerator und konstanter Drehzahl nutzt eine Steuereinheit, um die vom Generator erzeugte Wechselstromleistung mit variabler Frequenz und Spannung in Wechselstrom mit konstanter Frequenz und Spannung umzuwandeln, der den Netzanforderungen entspricht. Eine typische Struktur ist in Abbildung 9 dargestellt. [ALIGN=CENTER] Abbildung 9: Blockdiagramm eines Permanentmagnet-Synchron-Windkraftsystems [/ALIGN] Ein elektrisch erregtes Synchron-Windkraftsystem ist in Abbildung 10 dargestellt. Der Generatorstator ist über einen Frequenzumrichter mit dem Netz verbunden, und der Rotor wird mittels eines AC/DC-Gleichrichters mit Erregung versorgt. Der Generator kann über ein Getriebe oder direkt angetrieben werden. [ALIGN=CENTER] Abbildung 10: Blockdiagramm eines elektrisch erregten Synchron-Windkraftsystems [/ALIGN] Windkraftanlagen der Megawattklasse verwenden heutzutage in der Regel drehzahlvariable Konstantfrequenz-Systeme mit Schleifringläufer-Asynchrongeneratoren. Eine typische Struktur ist ein System mit einem doppelt gespeisten Asynchrongenerator, wie in Abbildung 11 dargestellt. Dies ist ein relativ geeignetes drehzahlvariables Konstantfrequenz-System. In dieser Struktur ist der Stator direkt mit dem Netz verbunden, und der Rotor ist mit dem Umrichter verbunden. Der Leistungsmesser am Umrichter misst lediglich die Schlupfleistung. Die doppelt gespeiste Drehzahlregelung speist die Schlupfleistung zurück in die Generatorwelle oder das Netz und ist damit im Vergleich zu anderen Übertragungssystemen relativ effizient. Diese Struktur eignet sich besonders für Windkraftanlagen mit einem engen Drehzahlregelbereich, insbesondere für große und mittelgroße Anlagen. [ALIGN=CENTER] Abbildung 11 Blockdiagramm eines doppelt gespeisten Windkraftsystems [/ALIGN] Ende 2003 war der Anteil drehzahlvariabler Windkraftanlagen in China mit nur 6 % der Gesamtkapazität noch relativ gering. Dies betraf die zwölf Gemesa-Generatoren im Windpark Yumen in Gansu. Die G42- und vier G52-Einheiten im Windpark Fengxian in Shanghai sowie jeweils zwölf VESTAS V52-Einheiten in den Windparks Zhangwu und Kangping in der Provinz Liaoning sind allesamt doppelt gespeiste, drehzahlvariable Konstantfrequenz-Windkraftanlagen. Darüber hinaus gibt es einige Vestas-Windkraftanlagen mit variablem Schlupf. Doppelt gespeiste, asynchrone Windkraftanlagen mit variabler Drehzahl und konstanter Frequenz lassen sich anhand der Rotorwechselrichtertopologie in drei Hauptkategorien unterteilen: AC/AC-Wechselrichter, Matrixumrichter und DC/AC-Wechselrichter. AC/AC-Wechselrichter nutzen die natürliche Kommutierung von Thyristoren. Sie sind stabil und zuverlässig und eignen sich als Stromversorgung für die Rotorwicklungen doppelt gespeister Generatoren. Die maximale Ausgangsfrequenz eines AC/AC-Wechselrichters liegt bei einem Drittel bis zur Hälfte der Netzfrequenz, was im Hochleistungs- und Niederfrequenzbereich erhebliche Vorteile bietet. AC/AC-Wechselrichter benötigen keinen Zwischenkreis, was zu einem hohen Wirkungsgrad, einem einfachen Hauptstromkreis und dem Wegfall von Gleichstromkreisen oder Filterstufen führt. Auch die Blindleistungskompensation und die Wirkleistungsrückführung zwischen Stromquelle und Generator sind unkompliziert. Obwohl doppelt gespeiste AC/AC-Wechselrichtersysteme weit verbreitet sind, schränken ihr Leistungsfaktor, die niedrige Frequenz, die hohe Oberwellenverzerrung, die niedrige Ausgangsfrequenz, der enge Frequenzbereich und die große Anzahl an Bauteilen ihre Anwendung ein. Ein Matrixumrichter ist ein direkter Wechselstromumrichter, bestehend aus neun Schaltern, die direkt zwischen dem dreiphasigen Ein- und Ausgang geschaltet sind. Matrixumrichter benötigen keinen Zwischenkreis und liefern drei Ausgangsspannungen mit relativ geringem Oberwellengehalt. Ihre Leistungsschaltung ist einfach und kompakt, und sie können sinusförmige Lastspannungen mit steuerbarer Frequenz, Amplitude und Phase ausgeben. Der Leistungsfaktor am Eingang eines Matrixumrichters ist steuerbar, und er kann in allen vier Quadranten betrieben werden. Obwohl Matrixumrichter viele Vorteile bieten, ist das gleichzeitige Leiten oder Sperren zweier Schalter während des Kommutierungsprozesses nicht zulässig, was die Implementierung erschwert. Die geringe Fähigkeit zur Überspannung und die niedrige Spannungsfestigkeit der Komponenten sind weitere wesentliche Nachteile dieses Umrichtertyps. In der Windenergieerzeugung beeinflussen Asymmetrien auf der Last- oder Versorgungsseite die jeweils andere Seite, da Ein- und Ausgang des Matrixumrichters nicht entkoppelt sind. Darüber hinaus muss ein Filterkondensator an den Eingang des Matrixumrichters angeschlossen werden. Obwohl seine Kapazität kleiner ist als die des Zwischenspeicherkondensators in einem AC/DC/AC-Umrichter, handelt es sich dennoch um einen Wechselstromkondensator, der dem Wechselstrom bei der Schaltfrequenz standhalten muss, wodurch seine Größe begrenzt ist. Derzeit befinden sich doppelt gespeiste asynchrone Windkraftanlagen mit Matrixumrichtern noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase. AC/DC/AC-Frequenzumrichter lassen sich weiter in Spannungs- und Stromumrichter unterteilen. Aufgrund verschiedener Faktoren wie Regelungsverfahren und Hardware-Design finden Spannungsumrichter eine relativ breite Anwendung. Traditionelle AC/DC/AC-Umrichter mit Stromquelle verwenden selbstkommutierte Thyristoren als Leistungsschalter, deren DC-seitige Induktivitäten vergleichsweise teuer sind. Darüber hinaus ist bei doppelt gespeisten Drehzahlregelungssystemen bei höheren Drehzahlen eine Kommutierungsschaltung erforderlich, und die Leistung ist bei niedrigen Schlupffrequenzen unzureichend, was ihren Einsatz in doppelt gespeisten asynchronen Windkraftanlagen einschränkt. Spannungsquellen-AC/DC/AC-Umrichter bieten hingegen entscheidende Vorteile wie einen einfachen Aufbau, geringe Oberwellenanteile und einstellbare Stator- und Rotorleistungsfaktoren. Sie können den Betriebszustand und die Ausgangsleistungsqualität von doppelt gespeisten Generatoren deutlich verbessern. Darüber hinaus trennt diese Struktur die Netz- und Rotorseite vollständig durch den DC-Bus-seitigen Kondensator, was eine Stromführungsrichtung in der drehzahlvariablen, frequenzkonstant arbeitenden Windkraftanlage ermöglicht. Ende 2003 waren alle in China installierten Windkraftanlagen Niederspannungsanlagen mit 690 V; Mittel- oder Hochspannungsanlagen gab es nicht. Die in diesen Anlagen verwendeten Frequenzumrichter waren zumeist zweistufige Spannungsquellen-AC/DC/AC-Umrichter. Der PowerFlex 7000 von Rockwell verwendet einen SGCT-Stromquellenumrichter, der für Mittelspannungsgeneratoren geeignet ist, jedoch nicht mit den 690-V-Generatoren in Windkraftanlagen kompatibel ist. Bei Verwendung in einer doppelt gespeisten, drehzahlvariablen, frequenzkonstant arbeitenden Windkraftanlage sind Spannungsanpassungen erforderlich. Um den Leistungsfaktor auf der Rotorseite zu gewährleisten, ist ein aktives Eingangssignal erforderlich, und die Oberwellenanforderungen des Netzes an den Generator müssen erfüllt werden. Darüber hinaus müssen doppelt gespeiste Windkraftanlagen häufig nahe der Synchrondrehzahl betrieben werden, was Verbesserungen der Leistung des PowerFlex 7000 bei niedrigen und Nulldrehzahlen erfordert. 4. Zukunftsperspektiven Die Entwicklung der chinesischen Windkraftindustrie begann mit kleinen Windkraftanlagen und expandierte schrittweise. Chinas Kleinwindkrafttechnologie ist relativ ausgereift und kann eigenständig Kapazitäten von 0,1 bis 10 kW entwickeln. Mit einer kumulierten installierten Basis von 1-kW-Windkraftanlagen belegt China weltweit den ersten Platz. Die netzunabhängige Windkraft hat nach über 20 Jahren Entwicklung einen bedeutenden Beitrag zur Elektrifizierung ländlicher Gebiete geleistet. Ende 2001 gab es 43 Unternehmen, die netzunabhängige Windkraftanlagen entwickelten und produzierten. Darunter befanden sich 16 Forschungseinrichtungen, 17 Hauptgerätehersteller und 10 Zulieferer. Die jährliche Produktionskapazität lag bei über 30.000 Einheiten. Zu den wichtigsten Produktvarianten zählten Modelle mit 100 W, 150 W, 200 W, 300 W, 500 W, 600 W, 1 kW, 2 kW und 5 kW sowie 10-kW-Windkraftanlagen. Im Jahr 2001 wurden landesweit insgesamt 12.170 netzunabhängige Windkraftanlagen verschiedener Modelle (ca. 2577 kW) produziert. Den größten Anteil stellten die 150-W-Anlagen mit 41,45 % der Gesamtproduktion dar, gefolgt von den 100-W- und 300-W-Anlagen mit 27,29 % bzw. 19,8 %. Die Nachfrage der Nutzer konzentrierte sich weiterhin hauptsächlich auf Anlagen unter 300 W. Bis Ende 2001 wurden landesweit insgesamt rund 210.000 netzunabhängige Windkraftanlagen produziert. Gleichzeitig führten chinesische Unternehmen durch Joint Ventures und Kooperationen fortschrittliche Technologien ein, darunter auch netzunabhängige Windkraftanlagen ausländischer Firmen. Beispielsweise kooperierte die Inner Mongolia Huade New Technology Co., Ltd. mit dem deutschen Unternehmen WENUS, um 5-kW-Windkraftanlagen zu entwickeln und installierte erfolgreich über 20 Anlagen in Xinjiang, der Inneren Mongolei, Guangdong und anderen Regionen. Diese Anlagen sowie autarke Stromversorgungssysteme (Wind/Diesel/Batterie), windbetriebene Wasserhebeanlagen und Windkraftanlagen für Fernsehrelaisstationen deckten effektiv den Strombedarf der lokalen Bevölkerung für Arbeit und Produktion. Die Inner Mongolia Tianli Wind Power Machinery Factory führte sieben verschiedene Windkraftanlagen des französischen Unternehmens AEROWATT ein, von denen 51... Alle 1-kW-Windkraftanlagen werden mittlerweile im Inland produziert. Das Maschinenwerk Shangdu in der Inneren Mongolei produzierte in Zusammenarbeit mit dem schwedischen Unternehmen SVLAB die Windkraftanlage SVB065-24. Das Elektromaschinenwerk Xiangtan in Hunan und das US-amerikanische Unternehmen BERGEY gründeten ein Joint Venture zur Herstellung von Windkraftanlagen mit 600 W und 1 kW Leistung. Die netzunabhängige Windenergie befindet sich derzeit in einer Phase stabiler industrieller Entwicklung. Im Vergleich zu ähnlichen ausländischen Anlagen bieten chinesische Produkte Vorteile wie niedrigere Anlaufwindgeschwindigkeiten, höhere Stromerzeugung bei niedrigen Drehzahlen, zuverlässige Drehzahlbegrenzung und stabilen Betrieb und sind zudem kostengünstiger. Allerdings bestehen weiterhin Defizite hinsichtlich der Oberflächenqualität, der Materialwahl für die Rotorblätter, des Fertigungsprozesses und der Produktionstechnologie von netzunabhängigen Anlagen mit höherer Leistung. Um die kommerzielle Entwicklung netzgekoppelter Windkraft zu fördern, legte die Nationale Entwicklungs- und Reformkommission (NDRC) Chinas im September 2003 klare Entwicklungsziele für die Windkraft fest: 1 Million kW installierte Windkraftleistung landesweit bis 2005, 4 Millionen kW bis 2010, 10 Millionen kW bis 2015 und 20 Millionen kW bis 2020. Dies entspricht etwa 2 % der gesamten landesweit installierten Leistung. Daraus ergibt sich ein durchschnittlicher jährlicher Zubau von fast 600.000 kW: fast 1,2 Millionen kW von 2010 bis 2015 und fast 2 Millionen kW von 2015 bis 2020. Es ist absehbar, dass China bald zu den weltweit führenden Ländern im Bereich der Windkraftentwicklung gehören wird. (Artikelquelle: „Energy Saving Innovation 2006 – Proceedings of the First National Electrical Energy Saving Competition“)