Blitzschutz Schutzeinrichtungen schützen Windkraftanlage vor Blitzen

Blitze gefährden an Windenergieanlagen Technik und Bauteile gleichermaßen. Deshalb sollten spezielle Schutzeinrichtungen eingesetzt werden, die Windräder gegen schwere Blitzschlagschäden wie Feuer oder Überspannung sichern.

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Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik - IWES

Abgerissene Rotorblätter, zerfetzte Flügel, brennende Gondeln – ein Blitzschlag kann für eine Windenergieanlage (WEA) ein spektakuläres Ende bedeuten. Das Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES, ehemals: ISET) verzeichnete zwischen 1992 und 2005 in den erfassten WEA insgesamt 1155 Blitzschäden, im Durchschnitt standen die Räder danach 35 Stunden still. Der Schutz der teuren High-Tech-Kraftwerke wird umso schwieriger, je mehr sich die Windkraft in den Offshore-Bereich verlagert, weitab von Wartungstechnikern. Doch schon an ein normales Onshore-Windrad käme die Feuerwehr im Ernstfall nicht mehr heran. Um das Schadensrisiko von vornherein zu minimieren, sind deshalb abgestimmte Schutzkonzepte gefragt.

Ausgebranntes Windrad - Kosten zwischen 1,5, bis 2 Millionen Euro

Anfang 2007 fängt in Riemsloh die Gondel eines Windrads wohl nach einem Blitz Feuer, die Flammen breiten sich aus, weil die Feuerwehr den Brand in 80 Metern Höhe nicht erreichen kann, die Anlage brennt aus. Der Sachschaden durch solch verheerende Einschläge ist für den Betreiber enorm, die Kosten für ein 2004 ausgebranntes Windrad bei Gettorf lagen laut dem Hersteller bei 1,5 bis 2 Millionen Euro. „Hinzu kommt der wirtschaftliche Verlust, denn der Strom, den die stillstehende WEA nicht produzieren kann, fehlt und muss ausgeglichen werden“, erklärt Reiner Linder, der sich bei dem auf Blitz- und Überspannungsschutz spezialisiertem Unternehmen Leutron bereits länger mit dem Thema ‚Blitzschutz für WEA’ beschäftigt.

Gewittergefahr auf hoher See und in den Mittelgebirgen

Entsprechend dem hohen Verlustrisiko, so der Experte, muss nach den Berechnungsgrundlagen der DIN EN 62305(VDE 0185-305):2006-10 eine hohe Blitzschutzklasse angelegt werden. Für Onshore-Anlagen gilt Blitzschutzklasse II mit einer Absicherung gegen bis zu 150 Kiloampere, für Offshore gilt sogar Blitzschutzklasse I mit erwarteten Einschlägen bis 200 Kiloampere. Grund dafür ist die exponierte Lage der Windräder und die damit verbundene hohe Einschlagswahrscheinlichkeit. So ergaben Berechnungen der Fachhochschule Kiel und REpower für eine Offshore-Anlage mit fünf Megawatt und einer Nabenhöhe von 120 Metern eine äquivalente Einfangfläche von etwa 80.000 Quadratmetern, die jährliche Einschlagswahrscheinlichkeit läge bei 0,6 direkten Einschlägen. Im schlimmsten Fall könnte ein Funke eines solchen Treffers an den beweglichen Teilen das Schmieröl entzünden.

Auf Plattform FINO wird Blitz-Häufigkeit gemessen

Verlässliche statistische Daten zur Gefährdung der Standorte im offenen Meer gibt es nicht, in Deutschland werden derartige Parks erst seit Kurzem realisiert. Allerdings wurden bereits Forschungsprojekte auf den Weg gebracht, etwa RAVE (Research at Alpha Ventus) im ersten Offshore-Park Alpha Ventus oder die Plattformen FINO, auf denen unter anderem Blitz-Häufigkeiten und -Parameter für künftige Offshore-Anlagen gemessen werden sollen. 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 IWES erfasst waren, kamen 497 Meldungen über Blitzschäden, 147 waren direkte Treffer.

Komplexes Zusammenspiel aus äußerem und innerem Blitzschutz

Betroffen ist in erster Linie die Steuerungseinheit, daneben aber auch der Körper der Rotorblätter und die aerodynamische Bremse, das Anhalten des Windrads durch Anstellen der Flügel. „Das verwundert nicht, immerhin zeigen Statistiken, dass der Blitz zu 56 Prozent ein Rotorblatt trifft“, erklärt Linder. Dabei könne es sogar zu Ausschmelzungen an den Rotorspitzen kommen. Dagegen werden inzwischen in die Blattspitzen Rezeptoren eingebaut, die definierte Einschlagpunkte vorgeben. Die konkrete Ausführung variiert hier 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 den Sprung zum Gondelkörper überbrücken. Der Turm selbst als Leiter oder eingebettete Drähte führen den Strom zur Erdung. Die Gondelaufbauten und die Gondel selbst werden zusätzlich mit Fangstangen oder Fangkäfigen geschützt.

Teil 2: Elektrische Komponenten benötigen besonderen Schutz

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