Schwimmende Windkraftanlage

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

Eine schwimmende Windkraftanlage ist eine Windkraftanlage, die im Meer oder in größeren Seen auf einem schwimmenden Fundament errichtet wird. Es gibt eine Reihe von Projekten in verschiedenen Planungsstadien.[1][2] Neben kleineren Prototypen wurden bereits mehrere schwimmende Windkraftanlagen der Multimegawattklasse realisiert (Stand Ende 2013).

Allgemeines[Bearbeiten]

Im Verhältnis zu dem durchschnittlichen Ertrag der Onshorewindkraft in Deutschland mit etwa 1500 Volllaststunden ist der Stromertrag in der Nordsee um etwa das Dreifache höher (ca. 4500 Volllaststunden)[3][4]. Im Unterschied zu herkömmlichen Offshore-Windkraftanlagen können schwimmende Windkraftanlagen in viel größeren Wassertiefen eingesetzt werden und das riesige Flächenpotential auf dem Meer nutzen[5]. In der Regel sind die Windverhältnisse mit zunehmender Küstenferne noch etwas besser[6][7]. Schwimmende Windkraftanlagen können im Hafen in Serie gefertigt und dann an den Standort auf See geschleppt werden, so wie dies auch bei Windfloat gemacht wurde[8][9]. Über die Umweltauswirkung auf Meeresflora und Fauna von Offshore-Windparks wurden nun langjährigen Erfahrungen gesammelt. Es gab hierbei keine Beobachtungen, die negative Folgen für die Vogelwelt belegt hätten[10].

Technik[Bearbeiten]

Verankerungsmethoden in der Erdöl- und Erdgas-Industrie

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 (Spar-Platform (SP), Tension Leg Platform (TLP), Semi-submersible-Platform).

Bei der Entwicklung schwimmender Windkraftanlagen greift man auf die Erfahrungen der Erdöl- und Erdgasindustrie mit schwimmenden Erdöl- und Erdgas-Förderplattformen zurück.[11]

Einzelanlagen[Bearbeiten]

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.

  • Das Hywind-Projekt (siehe Bild) wurde vom norwegischen Erdölkonzern StatoilHydro entwickelt. Der senkrecht stehende zylinderförmige Schwimmkörper wird unter Wasser durch drei Stahltrossen 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 Siemens SWT-2.3-82 (82 m Durchmesser; 2,3 MW Nennleistung, Nabenhöhe 65 m, Masse: 5300 t) installiert und am 8. September 2009 in Betrieb genommen[12]. Damit wollte man zwei Jahre lang Betriebserfahrungen sammeln. Ende 2013 hat StatoilHydro angekündigt, vor der schottischen Küste den bisher größten schwimmenden Windpark Europas mit sechs Windenergieanlagen (je 6 MW) bauen zu wollen[13]
  • Windfloat-Prototyp
    Das Windfloat-Projekt wurde 2011 vor der Küste von Portugal installiert. Anstelle eines einzigen zylinderförmigen Schwimmkörpers wird die Windkraftanlage von Vestas mit 2 MW von drei Schwimmkörpern getragen.[14]
  • Im Rahmen des Projekts Goto ocean energy ist ein schwimmendes Demonstrationsprojekt vor der Küste der zu den Gotō-Inseln gehörenden Insel Kaba (椛島) in der japanischen Präfektur Nagasaki errichtet worden. Es besteht aus einer schwimmenden Windkraftanlage vom Typ Hybrid Spar mit 2 MW. Die Anlage ging im Oktober 2013 in Betrieb. Bereits im August 2012 wurde eine kleinere Testanlage mit 100 KW in der Region installiert. Am Projekt beteiligt sind die Firmen Toda, Hitachi, Fuyo Ocean Development & Engineering, die Universität Kyōto und das japanische National Maritime Research Institute (上技術安全研究所, Kaijōgijutsuanzenkenkyūjo).[15]
  • Das Fukushima FORWARD Project ist ein weiteres schwimmendes Demonstrationsprojekt vor der Küste der Präfektur Fukushima[16]. Dieses besteht zunächst aus einer schwimmenden Windkraftanlage mit 2 MW und einer schwimmenden Umspannplattform.[17] Später sind zwei weitere Windkraftanlagen mit einer Leistung von jeweils etwa 7 MW geplant. Ein Konsortium von Marubeni Corporation (Projekt-Integrator), die Universität Tokio (technischer Berater), Mitsubishi Corporation, Mitsubishi Heavy Industries Ltd, Japan Marine Vereinigte Corporation, Mitsui Engineering & Shipbuilding Co. Ltd, Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation, Hitachi Ltd, Furukawa Electric Co. Ltd, Shimizu Corporation und Mizuho Information & Research Institute Inc. haben das experimentelle Offshore-Windpark-Projekt begonnen, in dem am 28. Juni 2013 eine schwimmende Windkraftanlage von zwei Megawatt vom Produktionshafen zum Verankerungsort in der Nähe von Fukushima geschleppt wurde[18][19]. Seit dem 7. November 2013 ist diese Windkraftanlage am Netz und speist Strom ein[20].
  • Das Winflo-Projekt soll 2012/2013 vor Frankreich realisiert werden. Durch die mittige Anbringung des Turms ergibt sich von Natur aus eine bessere Statik[21][22].
  • Das Nautica-Konzept: Nautica Windpower verfügt als Leeläufer mit einem Zweiblattrotor eine passive Windausrichtung, eine nicht drehbare (somit besondere robuste Gondel), zeichnet sich durch große Flexibilität und schnelle, kostengünstige Montage auf See aus.[23][24]
  • Prinzipschema des Schwimmenden Offshore-Fundaments von GICON
    Die GICON GmbH hat eine eigene Lösung für eine schwimmende Gründungstruktur entwickelt, das GICON-SOF[25]. Es handelt sich um eine spezielle Lösung einer Tension Leg Platform. Beim GICON-SOF handelt es sich um ein Stahltragwerk mit Auftriebsköpern, das über Seile am Meeresboden verankert wird. Es handelt sich hier um ein starres Konzept. Andere Entwickler sind dagegen überzeugt, dass nur flexible Konzepte[26] die Kosten in dem erforderlichen Ausmaß senken können, wie dies z.B. auch das Nautica-Konzept unterstreicht.
  • 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. 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.
  • 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, soll nach dem TLP-Prinzip im Meeresboden fest verankert werden.[27]
  • Seit einigen Monaten ist der schwimmende Prototyp SEATWIRL vor Schweden im Einsatz, der mit einem VAWT-Rotor ausgestattet ist[28].

Konzepte für Mehrfachanlagen[Bearbeiten]

Hexicon-Plattform mit mehreren Anlagen

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[29] 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.[30] Die Ausrichtung der Plattform muss bei Ausfall einer (äußeren) Anlage oder bei unterschiedlichen Richtungen von Wind- und Meeresströmungen (Gezeiten) gegebenenfalls zusätzlich korrigiert werden. Damit wird der sogenannte WAKE-Verlust vermieden, was bei Einzelanlagen nur mit Schwierigkeiten verringert werden kann.[31]

  • Das MUFOW-Konzept (Multiple Unit Floating Offshore Windfarm) von A. Henderson basiert auf der Halbtaucher-Technologie. Hier soll der großflächige und großvolumige Auftriebskörper (Rohr oder verbundene Zwillingsrohre) unterhalb der zerstörerischen Wellen liegen. Das „Schweben“ der Konstruktion wird durch Ballasttanks oder durch zusätzliche, bojenförmige Auftriebskörper gewährleistet. Diese Bojen sollen flexibel an der Plattform befestigt werden und können dadurch den Wellenkräften wie ein Punchingball ausweichen.[32]
  • Das Poseidon-Konzept der dänischen Firma Floating Power Plant A/S beinhaltet die gleichzeitige Produktion von Strom aus Wind- und Wellenkraft. «Poseidon 37» ist eine etwa 37 Meter lange und 360 Tonnen schwere Insel aus Metallteilen, die auf der Meeresoberfläche schwimmt und gleichzeitig Strom aus Wind- und Wellenenergie produzieren kann. «Poseidon 37« wird seit September 2008 im Vindeby Havmøllepark (Vindeby Windpark) vor der dänischen Insel Lolland getestet.[33]
  • Die "WindSea floating offshore wind platform" vereinigt drei Windkraftanlagen auf einer gemeinsamen Plattform.[34]

Versorgungssicherheit: Ausgleich in Europa[Bearbeiten]

Während über dem europäischen Binnenland längere, großräumige Flaute beobachtet werden können, ist dies über den Meeren in dieser Form nicht der Fall[35]. Die guten Standorte auf den Meeren haben höhere Volllaststunden[36]. Im Regelfall nimmt sowohl der Wind, als auch die Meerestiefe mit zunehmenden Abstand zur Küste zu, was dann zwingend den Einsatz von schwimmenden Windparks erfordert. Noch bedeutsamer ist die saisonal unterschiedliche Stromproduktion. So hat die Südwestspitze von Portugal[37] die Höchsterträge im Sommer, gleiches gilt für die Ägäis[38]. Damit kann der Bedarf an Backup-Kraftwerken systematisch reduziert werden, indem der Aufstellungsort gezielt ausgewählt wird. Zeigt es sich, dass gesamteuropäisch im Sommer mehr Strom aus Wind gewünscht wird, dann müssen die Windparks vor Portugal und der Ägäis erweitert werden. Leistungsfähige HGÜ-Trassen[39], wie sie z.B. in China schon Realität sind, werden dann vorausgesetzt. Damit lässt sich die Kritik der mangelnden Versorgungssicherheit vermindern[40].

Einsatzmöglichkeiten[Bearbeiten]

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.

Mögliche Anwendungen (Auswahl):

  • Meerwasserentsalzung:[41] Griechische Forscher unter Führung der Universität der Ägäis entwickelten den Prototyp einer schwimmenden Meerwasser-Entsalzungsanlage, die unabhängig vom Stromnetz, durch eine Windkraftanlage angetrieben, Trinkwasser produziert. Die 20×20 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.
  • Produktion von Wasserstoff aus Windstrom durch Elektrolyse
  • Produktion von Biomethan, auch EE-Gas genannt[42]
  • Herstellung von Methanol[43] (Methanolwirtschaft) oder von BtL-Kraftstoffen

Optimierungsmöglichkeiten[Bearbeiten]

Neben dem wesentlich höheren Stromertrag gibt es eine Reihe von Optimierungsmöglichkeiten[44] bei den wesentlichen Baugruppen schwimmender Windkraftanlagen (Plattform, Turm, Rotor/Gondel), die auch die Wirtschaftlichkeit verbessern. In vollem Umfang treffen diese Möglichkeiten auf die MUFOW-Konzepte zu, teilweise auch auf die anderer Konzepte.

Rotor/Gondel[Bearbeiten]

Obwohl der Einflügler im Binnenland erfolgreich getestet wurde, nahm man die akustischen und optischen Belastungen zum Anlass, weitgehend 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[45][46] 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 eine geringere Rolle.

Turm[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

Schwimmende Kraftwerke können an Land vormontiert und dann in wenigen großen Baugruppen aufs Meer hinaus transportiert werden.[47] 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, die im Idealfall[48] schon vorbereitet sind. Ein aufwändiger Transport von großen Bauteilen, wie zum Beispiel langer Flügel[49] kann entfallen, sofern der Windkraftanlagenbauer oder Zulieferer einen 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[50] vorgefertigt und dann vor Ort zusammengefügt werden.

Literatur[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Schwimmende Windkraftanlage – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Projekt Malta
  2. http://www.cleanenergy-project.de/erneuerbare-energien/windenergie/item/5679-usa-erste-offshore-windturbine-installiert
  3. Kaum Flauten im Meer
  4. IWR: alpha ventus liefert ca. 4400 Volllaststunden
  5. Riesiges Potential der Offshore-Windkraft-Nutzung
  6. Statistik: Windstärken bei Ekofisk
  7. Statistik: Windstärken bei Feuerschiff Dt. Bucht
  8. Windfloat wird von der Küste ins Meer geschleppt
  9. Installation eines schwimmenden Zweiflüglers mit einem Frachtkahn
  10. Auswirkungen auf Flora und Fauna
  11. Die Firma Bladt baut Fundamente für gesamte Offshore-Infrastruktur: Gas, Öl und Wind
  12. Hywind: Der Prototyp vor Norwegen
  13. Statoil plant größten schwimmenden Windpark Europas
  14. Das Windfloat-Konzept
  15. Stadt Gotō 「五島市海洋エネルギー」 (Japanisch, abgerufen amm 8. Dezember 2013) Nagasaki Projekt, ソフトエネルギ「長崎県五島沖に世界初の2MW Hybrid Spar型浮体式洋上風力発電機が登場!」 (Japanisch, abgerufen am 8. Dezember 2013)
  16. Fukushima FORWARD Projekt
  17. Schwimmender Windpark mit zunächst sechs Windkraftanlagen vor Fukushima
  18. Testanlage mit 2 MW vor Fukushima
  19. Projekt vor Fukushima
  20. Windkraftanlage vor Fukushima ist am Netz
  21. Das Winflo-Konzept
  22. Videoanimation vom Winflo-Konzept als Zweiflügler
  23. Nautica Windpower als Zweiflügler
  24. Video-Animation über Nautica Windpower
  25. 'GICON-SOF'
  26. Kostensenkung durch flexible Konzepte
  27. Internetauftritt der Sway Company
  28. Der Klein-Prototyp Seatwirl vor Schweden
  29. Sauganker können zur lautlosen Halterung werden
  30. Ein Beispiel für eine Mehrfachanlage
  31. Ideolkonzept verringert den WAKE-Verlust
  32. MUFOW v. A. Henderson (PDF-Datei; 63 kB)
  33. Poseidon - eine Kombination von Wind und Wellen
  34. Windsea - eine Plattform, drei Windkraftanlagen
  35. Aktuelle Windsituation in Europa
  36. Windkarte über den europäischen Meeren
  37. Südportugal: Höchster Windertrag im Sommer
  38. Ägäis: Höchste Einspeisung von Windstrom im Sommer
  39. HGÜ - eine Notwendigkeit für Europa (PDF; 51 kB)
  40. Kritik an der konkreten Umsetzung der Energiewende
  41. "A Floating Wind Turbine/Desalination Plant, developed at the University of the Aegean"
  42. Herstellung von Biomethan
  43. Methanolherstellung aus Windenergie (PDF; 907 kB)
  44. Neues Konzept: Multifloater, Dreibein, mittige Gondel, Einflügler
  45. Einflügler von ADES
  46. Einflügler von ADES mit starrer Nabe
  47. Darstellung des Hywindkonzeptes auf Youtube
  48. Das Sealock-Konzept für eine schnelle Installation
  49. Transport der 83,5 Meter langen Flügel
  50. Flügel der E-126 in zwei Segmenten