Schwimmende Offshore-Windenergieanlagen sind Hoffnungsträger für eine nachhaltige Energieversorgung. Noch ist diese Technologie jedoch sehr teuer. Ein europäisches Forschungsteam möchte das ändern.
Offshore-Windenergie gewinnt für eine klimaneutrale und unabhängige Stromversorgung in Deutschland und der Europäischen Union zunehmend an Bedeutung. Sowohl die Bundesregierung als auch die Europäische Kommission streben daher einen massiven Ausbau der Energieerzeugung auf dem Meer an. So soll die installierte Leistung von Offshore-Windkraftanlagen in der EU bis 2030 um das Fünffache steigen: von rund 12 Gigawatt im Jahr 2020 auf mindestens 60 Gigawatt.
Zu den wichtigsten Hoffnungsträgern zählen dabei schwimmende Offshore-Windenergieanlagen. Im Vergleich zu anderen Windenergieanlagen können sie die stärkeren Winde nutzen, die in größerer Entfernung von der Küste wehen. Schwimmende Anlagen können daher besonders viel Energie erzeugen. Zudem lässt sich damit grüner Wasserstoff produzieren.
Schwimmende Offshore-Windenergieanlagen
Offshore-Windanlagen sind Windkraftanlagen, die im offenen Meer stehen. Man unterscheidet zwischen fest im Meeresboden verankerten Anlagen und schwimmenden Anlagen, die mit Ankerleinen am Meeresboden befestigt werden.
Fest verankerte Anlagen sind bereits im Einsatz. Sie sind beispielsweise in der Nord- und Ostsee verbreitet. Bei schwimmenden Anlagen ist die Technologie dagegen noch nicht so weit fortgeschritten. Aktuell forschen Unternehmen und wissenschaftliche Einrichtungen weltweit an verschiedenen Konzepten.
Im Vergleich zu fest verankerten Anlagen lassen sich schwimmende Anlagen auch in größerer Entfernung von der Küste und bei Wassertiefen von über 50 Metern installieren. Das bringt zwei Vorteile: Einerseits werden dadurch weltweit viel mehr Flächen verfügbar, um die Offshore-Windenergie auszubauen. Zum anderen können sie Winde nutzen, die weiter draußen auf dem Meer wehen. Diese sind oft stärker und konstanter als in Küstennähe.
Das Potenzial schwimmender Offshore-Windenergieanlagen ist daher sehr groß. Allerdings stecken sie derzeit noch in den Kinderschuhen. „Die größte Herausforderung sind die Kosten“, sagt Professor Po Wen Cheng, Leiter des Stuttgarter Lehrstuhls für Windenergie an der Universität Stuttgart. Die Rotorblätter der Windräder haben einen Durchmesser von 240 bis 250 Metern. Das ist größer als zwei Fußballfelder. Für manche der aktuellen Konzepte benötigt man Stahlrohre, die über 1000 Tonnen wiegen.“ Da so viele Ressourcen benötigt werden, ist es aktuell noch sehr teuer, solche „schwimmenden Riesen“ zu installieren und zu betreiben.
Genau hier setzte ein deutsch-spanisches Forschungsteam mit dem Eurostars-Projekt „CROWN“ an. Der Windenergie-Experte Cheng war daran beteiligt. „Wir haben nach Lösungen gesucht, um die Bewegungen von schwimmenden Anlagen zu minimieren. Denn das hilft letztlich dabei, die Kosten zu senken.“
Ein Flüssigkeitsdämpfer und moderne Sensorik sorgen für mehr Stabilität
Weit draußen auf dem Meer wirken durch Wind und Wellen sehr große Kräfte auf die schwimmenden Offshore-Windenergieanlagen. Dadurch neigen sie sich oder kippen im schlimmsten Fall sogar um. Das hat Auswirkungen auf die Energieproduktion. Denn diese hängt von der Angriffsfläche der Rotorblätter ab. Wenn sich die Anlage hin und her neigt, wird diese Fläche nicht nur kleiner, sondern auch weniger konstant.
Die Forschenden haben daher ein Modell eines Flüssigkeitsdämpfers entworfen und erfolgreich getestet. Dieser befindet sich unterhalb der Plattform, die die Windturbine trägt, also unter Wasser. Er wirkt den Neigungen der Anlage entgegen, indem er ihren Schwerpunkt tiefer legt. Die zusätzliche Dämpfung stabilisiert die schwimmende Anlage. „Damit bleibt die Energieproduktion konstanter. Zudem wird es möglich, leichtere Anlagen zu bauen“, sagt Professor Cheng.
Eine weitere Innovation des Forschungsteams ist die Software-Applikation „Real-time Observer“. Moderne optische Sensoren liefern dabei wichtige Informationen, beispielsweise wie stark der Wind weht und aus welcher Richtung er kommt. Mithilfe der Software ist eine Regelung der Anlage in Echtzeit möglich. So lassen sich etwa die Rotorblätter passgenau ausrichten, um die großen Kräfte auszugleichen, die auf die schwimmende Anlage wirken. Das sorgt für mehr Stabilität.
Vom Labormaßstab zum Markt
Das Ergebnis des „CROWN“-Projekts ist ein Prototyp einer schwimmenden Offshore-Windenergieanlage im Maßstab 1:36, der im Labor getestet wurde. Dabei konnten die Forschenden nachweisen, dass die Bewegung des Prototyps durch Wind und Wellen tatsächlich minimiert wird. Der nächste Schritt besteht nun darin, eine größere Versuchsanlage zu bauen und diese in einer realen Umgebung, etwa im Mittelmeer, zu testen.
Werden sich schwimmende Offshore-Windenergieanlagen auf dem Markt durchsetzen? Der Experte Cheng hält dies für sehr wahrscheinlich. Er prognostiziert für die kommenden Jahre einen weltweiten Wettlauf um das beste Konzept. Welcher Typ von schwimmenden Anlagen letztlich auf dem Markt erfolgreich sein wird, wisse niemand genau. „Die großen Energiekonzerne beteiligen sich an mehreren der aktuellen Konzepte – natürlich in der Hoffnung, auf das richtige zu setzen. Es ist ein spannendes Rennen. Mit unseren Projektergebnissen tragen wir dazu bei, dass die Technologie reifer und rentabler wird.“
Projekttitel: Motion Reduction of a Concrete Reduced-draft spar for the Offshore floating Wind Industry (CROWN)
Laufzeit: 09/2019 – 07/2021
Partnerland: Spanien
Artikel vom 28.02.2023