Schwimmende Windkraftanlage

Eine schwimmende Windkraftanlage ist eine Windkraftanlage, die im Meer oder in größeren Seen auf einem schwimmenden Fundament errichtet wird. Schwimmende Windkraftanlagen ermöglichen die Nutzung der Windenergie in tieferen Gewässern. Dort - oft weit vor der Küste - weht der Wind oft stärker bzw. beständiger als näher an der Küste. Manche Küsten fallen steil ab (zum Beispiel vor Norwegen); dort sind im Meeresboden verankerte WKA nicht praktikabel.

Hywind, der erste Prototyp einer schwimmenden Multimegawatt-Windenergieanlage mit Serviceponton 2009

Technik

Die verschiedenen Konzepte unterscheiden sich zum einen darin, ob eine schwimmende Struktur eine einzelne Windkraftanlage oder mehrere Windkraftanlagen trägt, und zum anderen in der Verankerungsmethode. Einzelanlagen befinden sich im Prototypenstatus, der die Machbarkeit unter Nutzung vorhandener Windkraftanlagentechnik unter Beweis stellen soll. Mehrfachanlagen existieren derzeit nur als Konzept.

Bei der Entwicklung schwimmender Windkraftanlagen greift man auf die Erfahrungen der Erdöl- und Erdgasindustrie mit schwimmenden Erdöl- und Erdgasförderplattformen zurück. ^[1]

Einzelanlagen

Bei Einzelanlagen wird eine einzelne Windkraftanlage auf einem schwimmenden Fundament im Meeresboden verankert. Die Anlagen verfügen über die klassische Windrichtungsnachführung. Sie können auch in Gewässern eingesetzt werden, die im Winter stark vereisen.

Hywind-Prototyp

• Das Hywind-Projekt (siehe Bild) wurde vom norwegischen Erdölkonzern StatoilHydro entwickelt. Der senkrecht stehende zylinderförmige Schwimmkörper wird unter Wasser durch drei Stahltrosse gehalten und mit Betonblöcken auf dem Meeresboden verankert. 2009 wurde in Norwegen im Åmøy Fjord in der Nähe von Stavanger ein Prototyp mit einer Windenergieanlage des Typs SWT-2.3-82 von Siemens (82 m Durchmesser; 2,3 MW Nennleistung, Nabenhöhe 65 m, Masse: 5300 t) installiert und am 8. September 2009 in Betrieb genommen^[2]. Mit ihm will man innerhalb von zwei Jahren Betriebserfahrungen sammeln.

• Blue H mit Hauptsitz in den Niederlanden plant einen 2,4 MW-Zweiflügler auf einer Tiefwasser-Tauchplattform (SDP, Submerged Deepwater Platform) zu errichten. Ein erster kleiner Prototyp wurde bereits in der Nähe von Brindisi/Italien im Mittelmeer getestet^[3]. Inbetriebnahme des Prototyps war im Dezember 2007. Ende 2008 wurde er demontiert, da die Genehmigung ausgelaufen war. Die 2,4 MW-Anlage soll am gleichen Standort getestet werden. Eine SDP besteht aus einem hohlen, sechseckigen Schwimmkörper, der durch sechs Ketten in einer Halbtaucherposition gehalten wird. Die sechs Ketten sind an einem ebenfalls sechseckigen Stahlkörper verankert, der mit Kies gefüllt unverrückbar auf dem Meeresboden liegt. Der Auftrieb des Halbtauchers sorgt für die Stabilität der Konstruktion: Die Ketten sind so kurz, dass sie den Hohlkörper, der die eigentliche Plattform trägt, in Zwangslage unter Wasser halten – er will aufschwimmen, kann aber nicht. Die SDP ist so konstruiert, dass die Auftriebskraft immer größer ist als die auf die Plattform wirkenden Kräfte, die aufgrund von Wind und Wellen auftreten. Aus dem Wasser ragen lediglich sechs Rohrkonstruktionen, die Wind und Wellen dank ihres relativ dünnen Durchmessers nur wenig Angriffsflächen bieten. Die gesamte Plattform mit komplett montierter Windkraftanlage wird einsatzbereit von der Kaikante aus vor Ort geschleppt und verankert, was Kosten reduziert. Positiv wirkt auch das im Vergleich zu festen Gründungen deutlich geringere Gewicht solcher Halbtaucher, wie Blue H sie verwendet. Ähnliche Planungen gibt es auch von der deutschen Projektgesellschaft Arcadis.

• Das Sway-Konzept wurde von der Sway Company und Hauptanteilseigner Inocean in Zusammenarbeit u. a. mit Shell und Statkraft für Meerestiefen von 80 bis 300 m entwickelt. Der Schwimmkörper, in Form einer verlängerten Stange, wird nach dem TLP-Prinzip im Meeresboden fest verankert.^[4]

• Im Gegensatz zu anderen Konzepten schlägt Ritec Industries einen H-Darrieus-Rotor vor. Vorteile eines solchen Rotors sind das niedrige Gewicht sowie der niedrige Schwerpunkt der Anlage. Die Plattform des Rotors ist nach dem Halbtaucher-Prinzip mit einem tief liegenden Gegengewicht für zusätzliche Stabilität konzipiert. Das Projekt der 2007 gegründeten Firma wurde aufgrund fehlender Investoren Ende 2009 eingefroren.

Konzepte für Mehrfachanlagen

Es existieren auch Konzepte, bei denen sich nicht die einzelne Windkraftanlage in den Wind dreht, sondern durch den Winddruck eine große Plattform mit mehreren Windkraftanlagen bewegt werden soll. Diese benötigt nur einen Ankerpunkt ^[5] und auch nur ein Seekabel zur Stromabführung. Das Konzept zeichnet sich auch dadurch aus, dass sich die einzelnen Windkraftanlagen auf der Plattform nicht gegenseitig abschatten^[6]. Die Ausrichtung der Plattform muss bei Ausfall einer (äußeren) Anlage oder bei unterschiedlichen Richtungen von Wind- und Meeresströmungen (Gezeiten) gegebenenfalls zusätzlich korrigiert werden.

• Das MUFOW-Konzept (Multiple Unit Floating Offshore Windfarm) von A. Henderson basiert auf der Halbtaucher-Technologie. Hier liegt der großflächige und großvolumige Auftriebskörper (Rohr oder verbundene Zwillingsrohre) unterhalb der zerstörerischen Wellen. Das „Schweben“ der Konstruktion wird durch Ballasttanks oder durch zusätzliche, bojenförmige Auftriebskörper gewährleistet. Diese Bojen sind flexibel an der Plattform befestigt und können dadurch den Wellenkräften wie ein Punchingball ausweichen.^[7]
• Die Kusan-Konzeption basiert auf einer halbschwimmenden Bauweise^[8]. Der halbschwimmende Windpark dreht sich um eine fest im Meeresboden montierte Halterung oder um einen hochragenden Felsen^[9]. Dieses Konzept zeichnet sich dadurch aus, dass die Masten der Windkraftanlagen bis zur Gondel abgestützt werden.

Vor- und Nachteile

Schwimmende Windkraftanlagen haben gegenüber landgestützten Anlagen einige Vorteile:

• Höheres Seewindpotential: Im Zentrum der Betrachtung steht der erzielbare Mehrertrag durch die stärkeren und gleichmäßigeren Winde auf dem Meer. Im Vergleich zu dem durchschnittlichen Ertrag der Windkraft in Deutschland mit etwa 1.500 Volllaststunden wäre der Stromertrag in der Nordsee um mehr als das Dreifache (4.500^[10] Volllaststunden), höher gewesen. Im Vergleich zu den besten Windstandorten in Deutschland wäre die Stromproduktion annähernd doppelt so hoch gewesen.

• Sehr großes Standortpotential: Im Vergleich zu herkömmlichen Offshore-Windkraftanlagen können schwimmende Windkraftanlagen in viel größeren Wassertiefen eingesetzt werden und das riesige Flächenpotential auf dem Meer nutzen.^[11].

• Geringeres Konfliktpotential: Schwimmende Windkraftanlagen können in großer Entfernung von den Küsten installiert und dort positioniert werden, dass Konflikte mit der Seeschifffahrt, dem Tourismus und Sichtbarkeitsbeschränkungen vermieden werden.^[12]

• Nutzung von Skaleneffekten: Windstrom kann mit schwimmenden Windparks in sehr großen Mengen und zu günstigen Preisen erzeugt werden. Im Bezug auf die Baukosten in tieferen Gewässern ab ca. 30 Metern sind Windkraftanlagen mit schwimmendem Fundament im Vergleich zu Windkraftanlagen mit festem Fundament die kostengünstigere Alternative.^[13]

• Kombinationsmöglichkeiten: Durch die Kombinationsmöglichkeit der Plattform mit den verschiedensten zusätzlichen Nutzungsformen, auch auf dem Nichtenergiesektor, können die Kosten der Plattform anteilig aufgeteilt werden. Beispielsweise durch die gleichzeitige Nutzung der Wellenenergie^[14] und der Nutzung der Strömungsenergie (Meeresenergie).

Daneben gibt es auch Einschränkungen:

• Die Energieerzeugung erfolgt fern der Verbraucher.
• Ohne Optimierungen sind schwimmende Strukturen deutlich aufwändiger als Landanlagen.
• Die Erreichbarkeit z.B. für Wartungsarbeiten ist ebenso wie bei feststehenden Offshore-Anlagen stark wetterabhängig.
• Die Anlagen sind auf dem Meer deutlich höheren Belastungen (z.B. Wetterextremen) ausgesetzt als an Land. Langzeiterfahrungen aus der Offshoretechnik liegen zwar vor, die Offshore-Windkraftnutzung ist jedoch noch ein recht junges Feld.
• Über die Umweltauswirkung auf Meeresflora und Fauna von Offshore-Windparks gibt es Kontroversen. Erfahrungswerte^[15] an bislang gebauten Offshorewindparks sind (Stand 2010) noch nicht verifiziert.

Einsatzmöglichkeiten

Schwimmende Windkraftanlagen wandeln die Windenergie in elektrischen Strom um und können diesen in das allgemeine Stromnetz einspeisen. Angesichts ihrer üblicherweise großen Entfernung zu Verbrauchsgebieten sind auch Anwendungen denkbar, die den Strom vor Ort oder in unmittelbarer Nähe (Küste) nutzen. Dabei stehen Anwendungen im Blickpunkt, die auch mit schwankendem Energieangebot betrieben werden können und deren Produkte speicherbar und transportabel sind.

beispielsweise:

• die Meerwasserentsalzung^[16]: Griechische Forscher unter Führung der Universität der Ägäis entwickelten den Prototyp einer schwimmenden Meerwasserentsalzungsanlage, die unabhängig vom Stromnetz, durch eine Windkraftanlage angetrieben, Trinkwasser produziert^[17]. Die 20x20 m große Anlage mit der Bezeichnung FAEFEDU - Floating Autonomous Environmental Friendly and Efficient Desalination Unit, zu deutsch etwa schwimmende autonome umweltfreundliche effiziente Entsalzungsanlage ist in der Lage etwa 70 Kubikmeter Wasser pro Tag zu entsalzen. Sie wurde im Hafen von Iraklia getestet.
• die Produktion von Wasserstoff^[18]. Teilweise, insbesondere in der Nordsee, wären die hierfür erforderlichen Gasleitungen^[19] bereits vorhanden.
• die Herstellung von Methanol^[20] (Methanolwirtschaft) oder von BtL-Kraftstoffen

Optimierungsmöglichkeiten

Neben dem wesentlich höheren Stromertrag gibt es eine Reihe von Optimierungsmöglichkeiten bei den wesentlichen Baugruppen des schwimmenden Windparks (Plattform, Turm, Rotor/Gondel), die auch die Wirtschaftlichkeit verbessern. In vollem Umfang treffen diese Möglichkeiten auf die MUFOW-Konzepte zu, teilweise auch auf die anderen Konzepte.

Rotor/Gondel

Obwohl der Einflügler im Binnenland erfolgreich getestet wurde, nahm man die akustischen und optischen Belastungen zum Anlass, auf die weitere Entwicklung von Einflüglern (Monopteros (WEA)) zu verzichten. Auch für Zweiflügler trifft dies zu, obwohl diese häufiger gebaut wurden. Dabei hat der Einflügler Vorteile: Es werden nicht nur zwei Flügel eingespart, sondern durch die hohe Umdrehungszahl des Rotors genügt ein kleineres Getriebe – und bei getriebelosen Windkraftanlagen ein kleinerer Ringgenerator, was zu deutlichen Kupfereinsparungen führt. Durch den stärkeren Wind auf See fällt auch das schlechtere Anlaufverhalten von Einflüglern nicht ins Gewicht. Außerdem spielen auf dem Meer akustische und optische Faktoren keine Rolle.

Turm

Bei der Verwendung von verbundenen Zwillingsrohren als Träger der Plattform sind wesentlich bessere Möglichkeiten der Abspannung/Abstützung gegeben, die die statischen Erfordernisse mit deutlich geringerem Materialaufwand gewährleisten. Da sich die gesamte Plattform in den Wind dreht, kann diese Abstützung wie bei einem Riesenrad, oder Dreibein auch nach vorne gebaut werden.

Logistik

Transport zum Einsatzort

Schwimmende Kraftwerke können an Land vormontiert und dann in wenigen großen Baugruppen aufs Meer hinaus transportiert werden. ^[21] In ausreichend tiefen Gewässern ist auch der Transport der gesamten Anlage mittels Schleppern möglich. Am Zielpunkt ist dann nur die Verankerung und der Anschluss notwendig, welche im Idealfall^[22] schon vorbereitet sind. Ein Transport von großen Bauteilen auf den öffentlichen Straßen kann entfallen, sofern der Windkraftanlagenbauer Zugang zu einem See- oder Binnenhafen hat, was bei einigen Herstellern der Fall ist. Dann können Großbauteile ohne Restriktionen wegen Transport über öffentliche Straßen in einem Stück gefertigt werden, anders als bei der Windkraftanlage von Enercon vom Typ E-126, deren Flügel in zwei Segmenten^[23] vorgefertigt und dann vor Ort zusammengefügt werden.

Energietransport

Die Stromerzeugung durch schwimmende Windparks erfolgt fern der Verbraucherzentren. Deshalb ist der Energietransport über große Strecken vom Standort im Meer^[24] zur Küste, und dann meist noch weiter ins Binnenland^[25] notwendig. Im Meer kann man dazu Seekabel im Meeresboden verlegen; diese können große Entfernungen überbrücken. Dabei sollte, um Leitungsverluste zu verringern, eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung verwendet werden, wie dies bei der BorWin Alpha bereits realisiert wurde.

Weblinks

• Windenergiepotential in der Nordsee
• Windenergie über den europäischen Meeren
• aktuelle Windprognose für Europa mit Animationsfunktion

Einzelnachweise

1. ↑ IWR: „Schwimmende Ölplattformen: Ein Erfahrungsschatz für Offshore-Windkraftwerke“ vom 20. September 2006
2. ↑ http://www.norwegen.no/News_and_events/germany/business/Worlds-first-floating-wind-turbine/
3. ↑ Bericht über Blue H in der Zeitschrift Offshore Industry 2009, Volume 2, Issue 4, S. 48-51 (engl. PDF)
4. ↑ Internetauftritt der Sway Company
5. ↑ http://www.sptoffshore.com/bin/ibp.jsp?ibpDispWhat=zone&ibpPage=S8_FocusPage&ibpDispWho=S8_Products29160573466&ibpZone=S8_Products29160573466&ibpDisplay=view&
6. ↑ http://turboyacht.com/windpark-vorderansicht.jpg
7. ↑ MUFOW v. A. Henderson (PDF-Datei; 63 kB)
8. ↑ http://www.kusan.de/18.pdf
9. ↑ http://www.kusan.de/info4.pdf
10. ↑ http://www.innovations-report.de/html/berichte/umwelt_naturschutz/bericht-51309.html)
11. ↑ http://www.verivox.de/nachrichten/die-zukunft-der-windenergie-liegt-offshore-19783.aspx
12. ↑ "MIT designs 'invisible,' floating wind turbines"
13. ↑ PM-Magazin: "Schwimmkurs für Windräder"
14. ↑ http://de.wikipedia.org/wiki/Wellenkraftwerk#Kombinationsm.C3.B6glichkeiten
15. ↑ http://www.innovations-report.de/html/berichte/umwelt_naturschutz/bericht-45154.html
16. ↑ "A Floating Wind Turbine/Desalination Plant, developed at the University of the Aegean"
17. ↑ http://www.see.ed.ac.uk/~afm/tmp/sslides/.n/The-School/RIs/ies/Conf_proceedings/WREC_X_2008/DATA/INVWE20.PDF Wind Energy Based Desalination Processes and Plants Emilia Kondili1, John K. Kaldellis (PDF)
18. ↑ http://www.fh-stralsund.de/dokumentenverwaltung/dokumanagement/psfile/file/4/tb_regwa_2491d57f6cdcb6.pdf
19. ↑ http://www.bsh.de/de/Meeresnutzung/Wirtschaft/CONTIS-Informationssystem/ContisKarten/Gesamte_Nordsee%2c_saemtliche_Nutzungen_und_Schutzgebiete_.pdf
20. ↑ http://www.fvee.de/fileadmin/publikationen/Themenhefte/th1999/th1999_02_08.pdf
21. ↑ Darstellung des Hywindkonzeptes auf Youtube
22. ↑ http://www.youtube.com/watch?v=5GuW4KsIfAU Das Sealock-Konzept
23. ↑ http://www.pvcplus.de/fileadmin/user_upload/news_2008/leistungsstaerkste_windturbine.jpg Flügel der E-126 in zwei Segmenten
24. ↑ http://www.agenda21-treffpunkt.de/archiv/08/bild/northseagrid,-gp-088-g.jpg HGÜ-Netz in der Nordsee
25. ↑ http://www.innovations-report.de/html/berichte/energie_elektrotechnik/bericht-107020.html