Dabei entstehen durch Reibung und elektrische Verluste – insbesondere im Stator und Rotor – erhebliche Mengen an Wärme. Wird diese Wärme nicht effektiv abgeführt, kann sie zu einer Überhitzung führen, was die Effizienz des Generators verringert, die Lebensdauer der Komponenten verkürzt oder sogar zu ernsthaften Schäden führen kann.
Eine effektive Generatorkühlung ist also essenziell, um den zuverlässigen Betrieb der Windkraftanlage zu gewährleisten, Ausfallzeiten zu minimieren und die Energieeffizienz langfristig hoch zu halten.
Luftkühlung bei Generatoren
Die Luftkühlung bei Windkraftanlagen ist ein weit verbreitetes und vergleichsweise einfaches Kühlsystem, das insbesondere bei kleinen bis mittelgroßen Anlagen zum Einsatz kommt. Aus ökologischer Sicht hat sie einige Vorteile, aber auch gewisse Grenzen, die bei der Betrachtung von Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit wichtig sind.
Bei der Luftkühlung wird Umgebungsluft durch den Generator oder einen separaten Kühlkanal geleitet, um die entstandene Wärme abzuführen. Das geschieht entweder direkt durch natürliche Konvektion oder aktiver durch Ventilatoren, die die Luft zirkulieren. In geschlossenen Systemen wird die Luft im Inneren der Anlage umgewälzt, oft durch einen Wärmetauscher gekühlt, ohne dass Salze, Schmutz oder Feuchtigkeit von außen eindringen können.
Luftkühlung kommt ohne umweltrelevante Kühlmittel wie Wasser-Glykol-Gemische oder andere chemische Substanzen aus, die im Fall von Leckagen Boden, Grund oder Meerwasser belasten könnten.
Luft ist als Kühlmedium unbegrenzt verfügbar und muss nicht aufbereitet oder nachgefüllt werden. Das reduziert Betriebskosten und Wartungsaufwand.
Im Vergleich zu aktiven Wasserkühlsystemen benötigt die Luftkühlung in der Regel weniger Energie, da keine Pumpen betrieben werden müssen – lediglich Ventilatoren (wenn nötig), die oft effizient arbeiten.
Weniger Bauteile bedeuten auch eine geringere Anfälligkeit für Defekte, was wiederum den Materialverbrauch für Reparaturen und Austausch reduziert.
Luft hat eine deutlich geringere Wärmekapazität als Wasser. Das bedeutet, bei sehr hohen Leistungen (wie sie in modernen, großen Windkraftanlagen auftreten) stößt Luftkühlung gegebenenfalls an ihre Grenzen. Dadurch kann es zu einer geringeren Effizienz oder verkürzten Lebensdauer der Komponenten kommen, was indirekt mehr Material- und Energieeinsatz erfordert.
Um die Anlage vor Staub, Pollen oder salzhaltiger Luft (z. B. bei Offshore-Anlagen) zu schützen, müssen Filter eingesetzt werden. Diese müssen regelmäßig gewartet und ausgetauscht werden, was zusätzlichen Ressourcenverbrauch bedeutet.
Aktive Luftkühlung durch Ventilatoren kann zusätzliche Geräusche verursachen, was – je nach Standort – ein Aspekt der Umweltverträglichkeit sein kann. ebm-papst Ventilatoren sind stark lärmreduziert. Zur weiteren Verringerung der Lärmemission können wir Lösungen anbieten.
Aus ökologischer Sicht ist die Luftkühlung bei Windkraftanlagen eine ressourcenschonende und umweltfreundliche Lösung – vor allem bei kleineren oder gut belüfteten Anlagen. Bei großen Turbinen mit hoher Leistung stößt sie jedoch an natürliche Grenzen, sodass dort häufig effizientere, aber auch komplexere und potenziell umweltrelevantere Kühlsysteme wie Wasserkühlung eingesetzt werden müssen. Die Wahl des Kühlsystems sollte also immer unter Berücksichtigung der ökologischen Auswirkungen, der Anlagengröße und des Einsatzortes getroffen werden.
Gekapselte Lüftkühlungssysteme
Aufbau und Funktionsweise
Die Luft im Inneren der gekapselten Windkraftanlage zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf. Sie nimmt die Wärme von den heißen Komponenten (z. B. Generator, Umrichter) auf und transportiert sie zum Wärmetauscher. Dabei bleibt sie vollständig von der Außenumgebung isoliert, was besonders vorteilhaft für Anlagen in staubiger, salzhaltiger oder feuchter Umgebung ist (z. B. Offshore-Anlagen oder Wüstenregionen).
Der zweite Luftkreislauf befindet sich außerhalb des gekapselten Systems. Ein Ventilator saugt Außenluft an und führt sie durch die äußere Seite des Luft-Luft-Wärmetauschers. Dort nimmt diese Außenluft die Wärme auf, die über die Innenluft auf die Wärmetauscherfläche übertragen wurde, und gibt sie nach außen wieder ab. Die beiden Luftströme vermischen sich dabei nie.
Da das Innere der Windkraftanlage vollständig abgeschirmt ist, können keine Partikel, Feuchtigkeit, Salze oder Insekten eindringen. Das reduziert den Wartungsaufwand und erhöht die Lebensdauer der Anlage.
Das System arbeitet rein mit Luft und benötigt keine umweltrelevanten Stoffe wie Glykol oder andere Flüssigkeiten.
Durch die äußere Luftführung und die Trennung beider Kreisläufe wird der Verschmutzungsgrad im Inneren gering gehalten, was zu weniger Filtereinsatz führt – ein ökologischer Vorteil im Lebenszyklus.
Weil Luftbewegungen intern kanalisiert werden, ist das System im Betrieb oft leiser als offene Kühllösungen.
Der Einsatz eines Luft-Luft-Wärmetauschers und mehrerer Ventilatoren erfordert präzise Steuerung und regelmäßige Wartung der Komponenten – was energetisch und ressourcentechnisch leicht ins Gewicht fallen könnte. Mit unseren Lösungen von ebm-papst bieten wir jedoch energiesparende Vorteile in der Ventilator- und Regelungstechnik.
Der Wärmetauscher und die Luftkanäle nehmen mehr Platz ein als einfache Luftkühlung mit offenen Lüftungsschlitzen.
Auch wenn die Wärmetauscher effizient arbeiten, bleibt Luft als Medium physikalisch begrenzt in ihrer Wärmekapazität. Für sehr große Generatoren oder heiße Klimazonen kann das System an seine thermischen Grenzen stoßen.
Ein vollständig gekapseltes aktives Luftkühlsystem mit Luft-Luft-Wärmetauscher ist aus ökologischer Sicht eine sehr saubere und sichere Kühlmethode für Windkraftanlagen – besonders dort, wo Umwelteinflüsse aggressiv sind oder wo ein möglichst geringer Eingriff in Natur und Ressourcen gewünscht wird. Es kombiniert die Vorteile geschlossener Systeme (Schutz, Wartungsarmut, Langlebigkeit) mit einer umweltfreundlichen Kühlstrategie, kommt aber nur dann in Frage, wenn die Wärmeleistung noch im luftbasierten Rahmen bewältigt werden kann.
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