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27.09.2022

15:10

Erneuerbare Energien

Offshore-Windkraft: Betreiber streben mit schwimmenden Anlagen weiter aufs Meer hinaus

Von: Franziska Andre

Schwimmende Windkraftanlagen kosten derzeit im Schnitt rund doppelt so viel wie herkömmliche Varianten. Dennoch sind Experten überzeugt, dass sie sich durchsetzen werden.

Windenergie, Schwimmendes Windrad, Offshore Windkraft IMAGO/NTB

Schwimmendes Windrad

Das Windrad schwimmt an der Oberfläche und Seile halten es in Position.

Köln Wer an der Westküste Norwegens von der Kommune Karmøy aus auf das Meer hinausfährt, der stößt nach etwa zehn Kilometern auf ein einsames Windrad. An sich ist eine Offshore-Anlage auf offener See nichts Besonderes. Doch diese unterscheidet sich von herkömmlichen Varianten. Neu ist die leuchtend gelbe, tetraederförmige Stahlrohr-Konstruktion, auf der das Windrad steht.

Sie trägt entscheidend dazu bei, dass die Anlage in dem 200 Meter tiefen Wasser sicher Strom produzieren kann.

„Tetraspar“ heißt der Prototyp einer schwimmenden Windkraftanlage – in Fachkreisen als „Floating“-Anlagen bezeichnet. Konzipiert wurden sie vom dänischen Technikspezialisten Stiesdal.

Anders als Windräder in geringeren Tiefen wird Tetraspar nicht auf sogenannten Monopiles befestigt – das sind lange, direkt in den Boden gerammte Rohre. Das Floating-Modell steht auf einem schwimmenden Fundament, das mit langen Seilen im Boden verankert ist.

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    An dem Test in Norwegen ist neben dem deutschen Energieversorger RWE auch Siemens Gamesa beteiligt – die Siemens-Energy-Tochter hat das Windrad gebaut, das auf der gelben Stahlkonstruktion steht und nun Strom in das norwegische Netz einspeist.

    Härtetest für Pilotanlagen

    „Durch solche Demonstrationsprojekte lernen wir beispielsweise, wie unsere Turbine sich auf Floating-Fundamenten verhält und welche Prozesse bei der Installation unter echten Bedingungen funktionieren“, sagt Stephan Buller, Head of Offshore Portfolio Management & Floating Offshore Wind bei Siemens Gamesa.

    Die Erwartungen sind hoch. Denn schwimmende Windkraftanlagen gelten als Zukunftstechnik. Derzeit sind noch rund 80 Prozent der Seegebiete ungenutzt, die sich für Windkraft eignen – weil herkömmliche Offshore-Anlagen hier nicht errichtet werden können. Zu diesem Ergebnis kommt eine Studie des Vereins Wind Europe, eines internationalen Zusammenschlusses der Branche.

    Mit schwimmenden Anlagen ließe sich der Zubau beschleunigen. In ganz Europa sind bislang schwimmende Windkraftanlagen mit einer überschaubaren Leistung von insgesamt 100 Megawatt in Betrieb. Bis 2030 sollen daraus zehn Gigawatt werden, so das Ziel von Wind Europe. Zum Vergleich: Klassische Offshore-Windparks kommen schon auf rund 28 Gigawatt.

    Grafik

    Inspiriert sind die „Floating“-Konzepte von den Bohrplattformen der Öl- und Gasindustrie. Das Windrad steht auf einer Plattform, die auf dem Meer schwimmt und mit Seilen im Grund verankert ist. Bislang gibt es drei Typen schwimmender Fundamente, die in Pilotprojekten eingesetzt werden. Im schottischen „Hywind Park“ halten zylinderförmige Schwimmkörper die Turbinen über Wasser, indem sie wie Bojen für Auftrieb sorgen.

    In anderen Projekten wie Tetraspar kommen sogenannte Halbtauchboote zum Einsatz, die ähnlich wie Schiffskörper konzipiert sind. Die dritte gängige Variante ist eine Plattform mit Spannbeinen. Anders als bei Bojen und Halbtauchern wird das Fundament der Windkraftanlage bei dieser sogenannten Tension-Leg-Konstruktion nicht mit Seilen befestigt, die noch Spiel haben. Die Seile sind straff gespannt, die Anlage wird so fixiert.

    Ob sich eines der Verfahren als Standard durchsetzt, ist offen. Möglich ist, dass je nach Region, Wetterbedingungen und Bodentyp unterschiedliche Fundamente und Verankerungen sinnvoll sind. Christian Navid Nayeri, Leiter der Arbeitsgruppe Windenergie an der TU Berlin, sieht etwa in Gebieten mit besonders hohem Wellengang eher die Konstruktionen mit lockeren Verankerungsseilen als sinnvoll an. „Die flexible Struktur geht mit dem Wellengang mit und kompensiert ihn“, erläutert Nayeri.

    Das sei bei straff gespannten Verankerungen nicht gegeben – die könnten dort schneller Schaden nehmen. Die Bojen-Konstruktionen im schottischen Hywind Park haben jedenfalls schon bewiesen, dass sie Wellen von 19 Meter Höhe standhalten können.

    Schwimmende Windkraftanlagen kosten derzeit im Schnitt rund doppelt so viel wie herkömmliche Varianten. Dennoch sind Experten überzeugt, dass sie sich durchsetzen werden. Ein Report des Versicherers Allianz prognostiziert, dass die globale Offshore-Windindustrie zwischen 2021 und 2026 jährlich um 12,3 Prozent wachsen wird, auch getrieben durch die neuen Floating-Konstruktionen.

    Und RWE rechnet damit, dass die schwimmenden Fundamente im Jahr 2030 wettbewerbsfähig sein werden. Beim Hersteller Siemens Gamesa herrscht ebenfalls Zuversicht. „Die Anlagen werden jetzt immer leistungsstärker, wodurch die Kosten sinken“, sagt Buller. „Dann wird auch der Markt wachsen.“

    Bis zu 200 Meter Länge der Rotorblätter sind laut Experten in Zukunft bei Offshore-Windrädern denkbar. picture alliance

    Windrad

    Bis zu 200 Meter Länge der Rotorblätter sind laut Experten in Zukunft bei Offshore-Windrädern denkbar.

    Parallel arbeiten die Hersteller daran, den Ertrag der Anlagen zu steigern. Eine der Aufgaben ist dabei, auf offener See den optimalen Abstand zwischen den Windrädern und der Ausrichtung der Turbinen und Rotorblätter zum Wind zu finden. Christian Navid Nayeri koordiniert mit seiner Arbeitsgruppe das Projekt „Floatech“, das daran forscht. „Ziel ist, dass wir vor allem die Bewegung mitberücksichtigen, die durch das Schwimmen der Anlage erzeugt wird“, sagt Nayeri.

    Sensoren an der Windkraftanlage messen Wind und Wellengang und liefern die Daten an die Steuer-Software. „Die Rotorblätter lassen sich dann einzeln so verstellen, dass mehr aus dem Wind herausgeholt werden kann“, sagt der Windkraft-Experte. Gleichzeitig würden auf diese Weise eine falsche Belastung und die Überlastung der Rotoren verhindert – was wiederum den Bedarf an Reparatur- und Wartungsarbeiten verringert.

    Denn die sind bei Floating aufwendiger als bei im Grund fest verankerten Offshore-Anlagen. Die speziellen Wartungsschiffe können an die schwimmenden Windkraftanlagen beispielsweise nur andocken, wenn wenig Wellengang herrscht.

    Kunststoffe ersetzen Stahl

    Auch in Sachen Befestigungstechnik für die schwimmenden Fundamente ist noch einiges zu tun. Derzeit bestehen die Seile meist aus Stahl. Der hat den Vorteil, dass er sehr widerstandsfähig ist und die Lebensdauer einer Offshore-Anlage überstehen kann – etwa 20 bis 30 Jahre. Zugleich helfen Stahlseile dank ihrer Masse, die Bewegungen der Windräder durch den Wellengang abzudämpfen.

    „Allerdings wird sich zeigen, ob Kunststoffbefestigungen in der Produktion vielleicht so viel günstiger sind, dass sich der Austausch alle paar Jahre mehr lohnt als die Investition in ein Stahlseil“, sagt Experte Nayeri.

    Um die Kosten zu senken, experimentieren einige Entwickler nun auch stärker mit der Form der Windräder. Beim EU-geförderten Projekt „PivotBuoy“ etwa wurde der vertikale Windrad-Turm gekippt. Die Turbine wird zusätzlich von zwei Streben gestützt, sodass das Konstrukt wie ein schwimmender Tetraeder aussieht. Dadurch sollen die Kosten für Plattform und Verankerung sinken. Die Kosten der Stromerzeugung könnten sich dadurch halbieren.

    Ein ganz neues Design liefert ebenfalls das norwegische Start-up World Wide Wind. Dessen Konzept erinnert an einen schräg aus dem Wasser ragenden Strommasten. Die Rotoren sollen sich vertikal direkt um diesen Mast drehen – anstatt horizontal wie bei herkömmlichen Windrädern.

    Um das Ganze zu stabilisieren, arbeiten zwei Rotoren pro Windrad in entgegengesetzte Richtungen – und produzieren somit auch eine doppelte Menge Strom. Bisher existiert das Konzept nur auf dem Papier, der erste Prototyp soll 2026 fertig sein.

    Windenergie, schwimmendes Windrad, Offshore Windkraft X1 Wind

    Pivotbuoy

    Bei diesem Projekt wurde der vertikale Windrad-Turm gekippt.

    Eine Doppelnutzung wie bei World Wide Wind ziehen auch die Designer klassischer Windräder in Erwägung, um die Plattformen wirtschaftlicher zu machen. „In Zukunft könnten wir zwei Turbinen auf einer Plattform sehen“, sagt Christian Navid Nayeri.

    Auch hier gibt es bereits erste Versuche – zum Beispiel mit dem Projekt „Nezzy2“, an dem der Energieversorger EnBW beteiligt ist. Nachdem ein Modell im Maßstab 1:10 schon erfolgreich in der Ostsee getestet wurde, soll das Doppel-Windrad sich ab diesem Jahr vor der Küste Chinas in Originalgröße beweisen.

    Rotorblätter werden länger

    Ein weiterer Kniff für mehr Effizienz: Die Rotorblätter könnten auf offener See länger werden. Auch das sorgt für eine höhere Energieerzeugung bei gleichbleibender Umdrehungsgeschwindigkeit. Heute misst ein Offshore-Rotorblatt gut 100 Meter – das entspricht ungefähr der Höhe der Türme der Münchener Frauenkirche.

    Laut Nayeri könnten sie sogar bis zu 170 Meter lang werden. „Auf dem Meer haben wir den Vorteil, dass wir keine Hindernisse im Weg haben und die Rotorblätter recht tief an die Wasseroberfläche reichen können“, erklärt der Windkraft-Forscher.

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