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Die Windräder lernen schwimmen

Auf offener See ist das Wasser fast überall so tief, dass sich das riesige Potenzial an Windkraft nur mit schwimmenden Maschinen nutzen lässt. Eifrig arbeiten Forscher an verschiedenen Prototypen.

Seit September 2009 in Betrieb: Die Testanlage Hywind zwölf Kilometer vor der norwegischen Südwestküste. (Bild: PD)
Seit September 2009 in Betrieb: Die Testanlage Hywind zwölf Kilometer vor der norwegischen Südwestküste. (Bild: PD)

Es war zwei Uhr morgens, als Sway in den Fluten verschwand. Der Orkan Berit peitschte mit Windgeschwindigkeiten von bis zu 165 Kilometern pro Stunde über den Atlantik vor Norwegen. Selbst im geschützten Hjeltefjorden, in der Nähe von Bergen, wütete Berit derart, dass Sway, der gerade erst installierte Prototyp einer schwimmenden Windkraftanlage, kenterte und unterging.

Verloren ist Sway aber nicht. Im Gegenteil. «Im April wird die Anlage wieder im Wasser sein», sagt Michal Forland. Der Sway-Geschäftsführer erklärt, dass Berit mit sechs Meter hohen Wellen der Anlage zusetzte – zu stark für den kleinen Prototyp im Massstab 1:6. Forland ist überzeugt: «Der Anlage in Originalgrösse hätte der Orkan nichts anhaben können. Die hält bis zu 40 Meter hohen Wellen stand.»Und der Prototyp hat den ungewollten Tauchgang zumindest gut überstanden. «Die Struktur ist nicht beschädigt, lediglich die Elektronikkomponenten müssen ersetzt werden», sagt Forland. Zu den abgesoffenen Elektronikkomponenten zählen auch eine ganze Reihe von Instrumenten, die das National Renewable Energy Laboratory (NREL) beigesteuert hatte, das in Golden im US-Bundesstaat Colorado beheimatet ist.

Die Amerikaner interessieren sich brennend für die schwimmende Windkraft, schliesslich ist ihr Land auf beiden Seiten von Ozeanen eingerahmt. Zu den Messgeräten, die von einem NREL-Team am Sway-Windrad angebracht wurden, zählen Beschleunigungs-, Wellen- und Windsensoren. Von den aufgezeichneten Daten erhofft sich das Institut Rückschlüsse darauf, wie sich solche Turbinen bewegen.

«Je tiefer das Wasser, desto stärker der Wind darüber»

Weltweit arbeiten Forscher und Unternehmen mit Druck an der vielversprechenden Technik. Die Windausbeute auf See stösst auf immer grösseres Interesse. Testreihen und Berechnungen des NREL haben ergeben, dass allein das Potenzial in den Vereinigten Staaten über 900 Gigawatt beträgt – und damit grösser ist als die gesamte installierte Kraftwerksleistung der USA. Doch 98,5 Prozent aller Windräder weltweit standen Ende 2010 an Land.

Das Verhältnis wird sich ändern, da ist sich John Olav Tande von der norwegischen Stiftung für wissenschaftliche und industrielle Forschung (Sintef) sicher. «Das Potenzial durch die vorhandene Meeresoberfläche ist praktisch unendlich. Es ist um ein Vielfaches grösser als der globale Energiebedarf», sagt Tande.

Das grosse Problem beim Hochsee-Windfang ist die Wassertiefe. Fast überall ist das Wasser so tief, dass die Windernte nur mit schwimmenden Plattformen möglich wird. 61 Prozent der amerikanischen Offshore-Ressourcen zum Beispiel liegen über Wassertiefen von mehr als 100 Metern. Japans Küsten sind ebenfalls steil, und in Europa sind Teile des Mittelmeers und der Atlantik vor Norwegen tief. Hier fällt der Meeresboden bis zu 700 Meter ab. Und das ist gut, denn: «Je tiefer das Wasser, desto stärker der Wind darüber.» Von dieser Faustformel ist Jochen Bard vom Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik überzeugt.

Das nutzbare Potenzial ist Brands Berechnungen zufolge im bis zu 200 Meter tiefen Wasser bis zu dreimal höher als in den Flachwasserzonen bis 50 Meter Tiefe. Allein in Europa, schätzt er, liessen sich pro Jahr rund 8000 Terawattstunden (TWh) ernten. Zum Vergleich: Der jährliche Stromverbrauch der gesamten EU betrug im Jahr 2010 rund 3500 TWh. Schwimmplattformen sollen es ermöglichen, diese Ressourcen zu erschliessen. Eine viele Hundert Tonnen schwere Windkraftanlage, an der sich ein 130 Meter grosser Rotor dreht und gegen die gleichzeitig Wind und Wellen drücken, auf dem Wasser so schwimmen zu lassen – das ist eine riesige Herausforderung. Die Maschinen tanzen mit den Wellen und wanken mit dem Wind. Öle im Getriebe und Kühlflüssigkeiten schwappen umher. Wie auf einem Schiff fliegt alles, was nicht festgeschraubt ist, durch die Luft.

Doch es gibt Möglichkeiten, selbst im stärksten Sturm die Ruhe zu bewahren. Die Lösungsansätze, die derzeit ausprobiert werden, stammen alle aus der Öl- und Gasindustrie, die seit Jahrzehnten schwere Bauwerke in stürmischer See errichtet. Genau wie bei den Offshore-Windrädern heute wurden auch diese Förderplattformen in den Anfangsjahren mittels gigantisch grosser Gerüste auf dem Meeresgrund verankert. Das hat sich gehörig geändert: Heute gibt es praktisch nur noch schwimmende Plattformen. Die sind, speziell im tiefen Wasser, weit günstiger. Aber genauso fest. Da erscheint es nur logisch, dass auch Windräder in Zukunft auf schwimmenden Fundamenten stehen sollen.

«Es ist zu früh, ein Gewinnerkonzept auszurufen», sagt Tande. Klar ist: Schwimmende Windräder bieten eine Reihe von Vorzügen, etwa die raschere Installation als bei Turbinen mit Bodenhaftung. Auch sind weniger spezielle Errichterschiffe und weniger aufwendige Unterwasser-Rammarbeiten nötig. Und natürlich ist da die höhere Windausbeute, welche allfällige höhere Kosten wettmacht. Dafür bieten sich neue Herausforderungen. Allen voran die Anlagendynamik. Dabei könnte genau diese Dynamik letztlich ein grosser Vorteil sein.

Testanlage in Originalgrösse

Als Treiber der schwimmenden Windkraft gilt Hywind: Die Testanlage in Originalgrösse, die dem norwegischen Energiekonzern Statoil gehört, ist bereits seit September 2009 in Betrieb. Dass sie auch Orkane übersteht, hat sie spätestens bei Berit bewiesen. Zwölf Kilometer vor der Südwestküste Norwegens schwebt die Maschine im Atlantik, der hier 220 Meter tief ist. Die Spar-Boje reicht 100 Meter in die Tiefe, drei locker gespannte Seile, die am Meeresboden befestigt sind, halten sie auf Position.

Die Boje ist mit Wasser und Steinen gefüllt, insgesamt 3000 Tonnen, um den Schwerpunkt weit unten zu halten. Der Turm ragt 65 Meter aus dem Meer. Oben thront ein 2,3 MW starkes Siemens-Windrad. Allein die Gondel samt Rotorblättern, die einen Durchmesser von 82 Metern haben, wiegt 138 Tonnen. Jochen Bard bezeichnet das Projekt, in das bis heute rund 50 Millionen Euro geflossen sind, als «Meilenstein». Gelernt haben die Siemens-Ingenieure am Projekt vor allem, «dass schwimmende Windräder genauso gebaut und betrieben werden können wie Turbinen auf fest stehenden Fundamenten – vorausgesetzt, man hat die Bewegungen der Anlage im Griff», wie Per Egedal von Siemens Wind Power sagt. Siemens hat schnell erkannt, dass die Maschine auf See mit der Originalsteuerung Probleme bekommt. Die schaukelnde Anlage schaukelt der Steuerung nämlich falsche Werte vor: Schwingt das Maschinenhaus nach vorne, steigt die Windgeschwindigkeit. Federt sie zurück, sinkt die Windgeschwindigkeit. Warum? Weil die Messgeräte auf der Gondel installiert sind und durch die Bewegung Fahrtwind abbekommen oder gebremst werden.

Die Steuerung will das ausgleichen und dreht die Flügel in oder aus dem Wind. Mit der Folge, dass alles durcheinandergerät. Durch die Zeitverzögerung und das gemächliche Schwingen, etwa 30 bis 40 Sekunden dauert ein Durchgang, stehen die Flügel mit voller Fläche im Wind, wenn die Anlage in den Wind schwingt – und umgekehrt. Per Egedal vergleicht die behäbige Dynamik eines schwimmenden Windrads mit der eines Schiffs. Seine Idee: «Wir brauchen eine gedämpfte Anlagensteuerung.» Egedal und sein Team messen mit Bewegungs- und Beschleunigungssensoren in der Gondel, wie stark sich diese bewegt. Diese Werte fliessen in Echtzeit in die Steuerung ein und korrigieren die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors nach oben oder unten. So haben die Flügel mehr oder weniger Zeit, um ihren Anstellwinkel anzupassen. Wenn es nach Per Egedal geht, dann kann die Ära der schwimmenden Windkraft beginnen.

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