Wind Offshore – der Wettlauf um die größte Windenergieanlage

Gastautor Portrait

Prof. Dr.-Ing. Andreas Reuter

Geschäftsführender Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts für Windenergiesysteme IWES und Leiter des Institutes für Windenergiesysteme der Leibniz Universität Hannover

Prof. Dr. Andreas Reuter leitet seit 2010 das Fraunhofer IWES (Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik)  und bekleidet parallel dazu eine W3-Professur für Windenergietechnik an der Leibniz Universität Hannover, Fakultät für Bauingenieurwesen und Geodäsie. Der Masterstudiengang Windenergie-Ingenieurwesen wird von ihm maßgeblich mitgestaltet. Prof. Reuter studierte Luft- und Raumfahrttechnik an der TU Berlin. 1995 promovierte er zum Thema Betriebsfestigkeit von Windkraftanlagen. Anschließend ging er als Konstruktionsleiter, Generalbevollmächtigter und Geschäftsführer in die freie Wirtschaft, arbeitete bei verschiedenen Windkraftanlagenherstellern und Ingenieurbüros.

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20. Mai 2019

Die Offshore-Windenergie kann demnächst auf bereits drei Jahrzehnte Erfahrung zurückblicken. Im Jahr 1991 wurde der erste Windpark auf See in Vindeby in Dänemark errichtet – schon damals war allen Beteiligten deutlich, dass hier ein relevanter Zukunftsmarkt entsteht. Der damalige Hersteller der Turbinen ist heute unter dem Namen SiemensGamesa Marktführer für Anlagen auf See. Allerdings haben weder die Turbinen noch das Projekt viele Gemeinsamkeiten mit heutigen Offshore-Windparks.

Fokus auf Zuverlässigkeit

Nicht nur durch die Offshore-Nutzung, sondern auch angetrieben durch den kontinuierlich wachsenden Onshore-Markt, der zu allen Zeiten der deutlich Größere und Wichtigere war, wurde die Entwicklung von zuverlässiger Windenergietechnologie systematisch vorangetrieben. Während zu Beginn der 90er-Jahre neue Anlagen mehr oder weniger beim Kunden fertig entwickelt wurden, sind inzwischen Methoden aus der Luft- und Raumfahrt im Einsatz, um das erforderliche Zuverlässigkeitsniveau zu erreichen. Hier muss gesehen werden, dass Windenergieanlagen zu den intensivst genutzten Maschinen gehören, in kaum einer sonstigen technischen Anlage wird eine so lange ununterbrochene Betriebszeit erreicht.

Alle Fortschritte und Erfahrungen der Branche mit Turbinen an Land wurden auch sofort für die nächsten Offshore-Anwendungen genutzt. So konnten dann bereits zu Beginn des Jahrtausends große Parks mit jeweils mehr als 100 MW erfolgreich in der dänischen und britischen Nordsee aufgestellt werden – allerdings immer noch in relativer Küstennähe in Wassertiefen von 10-20 m.

Der Ausbaustand von Offshore Windenergie in Nord- und Ostsee

Quelle: Stiftung OFFSHORE-WINDENERGIE

Offshore-Windenergie in Deutschland

Große Windparks von 500 MW und mehr können inzwischen in einer Saison aufgestellt werden

Prof. Dr.Ing. Andreas Reuter

Die Nutzung der Offshore-Windenergie hatte in Deutschland eine große Hürde zu überwinden: die komplette deutsche Nordseeküste ist ein Schutzgebiet, hier kam eine Installation von Windparks nicht in Frage. Erste nach ca. 50 km Abstand von der Küstenlinie konnten Projekte geplant werden – eine große technische Herausforderung, da nicht nur der Installations- und Service-Aufwand viel größer als bei den küstennahen Parks ist, sondern auch Wassertiefen von mehr als 30 m vorherrschen.

Um hier eine wirtschaftlich tragfähige Lösung zu finden, musste zum ersten Mal eine völlig neue Windenergieanlagentyp speziell für diese Offshore-Anwendung entwickelt werden. Insbesondere die Größe der Turbine in Verbindung mit speziellen Gründungsvarianten stand in Zentrum der Aufmerksamkeit der Konstrukteure. Eine völlig neue Klasse von 5-MW-Turbinen auf dreibeinigen Stahlgründungen konnte dann im Forschungs- und Demonstrationsprojekt Alpha-Ventus ca. 80 km vor der Küste erfolgreich (nach einigen teuren Erfahrungen) für den weiteren Einsatz qualifiziert werden.

In den nächsten kommerziellen Projekten wurde dann schnell deutlich, dass mit den Windenergieanlagen und der Gründung nur ein Teil der Herausforderungen adressiert wird. Die komplette Logistikkette, die Errichterschiffe, die Netzanbindung und die Wartungskonzepte waren weitere Themenfelder, die mühselig neu entwickelt werden mussten.

Die Nordsee – ein europäischer Markt für Offshore-Windenergie

Die Entwicklungen in Deutschland dürfen nicht isoliert betrachtet werden. Auch in den anderen Anrainerstaaten der Nordsee wurden die Möglichkeiten der neu entwickelten Technologien für eigene Projekte in immer tieferen Gewässern genutzt bzw. auch vor Ort an der Lösung von Herausforderungen gearbeitet. Über die Jahre hat sich dadurch der Offshore-Markt arbeitsteilig entwickelt: in den Niederlanden entstand z.B. auf Basis der bereits existierenden Erfahrungen aus dem Öl- und Gasbereich eine Industrie für Errichterschiffe, die wesentlich zur Beschleunigung der Installationszeiten beigetragen hat. Der Großteil der Turbinen kommt aus Dänemark (mit deutschen Bauteilen), Rotorblätter werden in Großbritannien gefertigt etc. Auf dieser Basis werden dann die Projekte in den einzelnen Ländern beliefert, diese Arbeitsteilung ermöglicht wichtige Skaleneffekte, Risikominimierung bezüglich Marktschwankungen und letztendlich erhebliche Kostensenkungen. Große Windparks von 500 MW und mehr können inzwischen in einer Saison aufgestellt werden, insgesamt bewegt sich der Nordsee-Markt in einer Größenordnung von ca. 2-3 GW pro Jahr.

Aktuelle Entwicklungen

Der historische Verlauf macht das Rennen um die größte Windenergieanlage deutlich

Quelle: Stiftung OFFSHORE-WINDENERGIE

Bisher basierte der Markt in Deutschland auf einer festen Vergütung pro kwh von ca. 11 Cent. Über eine Laufzeit von 20 Jahren. Dieses System wurde nun auf ein Ausschreibungsmodell umgestellt, bei dem das niedrigste Angebot den Zuschlag für eine Netzkapazität erhält. Ähnlich Konzepte werden auch in den Nachbarländern angewandt. Das neue Verfahren hat zum gewünschten Ergebnis geführt: die Gebote sind je nach Projekt entweder bei 0 Cent (also ohne Einspeisevergütung) oder bei sehr geringen Werten unter 3 Cent.  Das heißt, dass die zukünftigen Betreiber der Windparks sich über den Verkauf des Stroms an der Strombörse refinanzieren wollen. Hier wird eine Wette auf zukünftige Entwicklungen abgeschlossen: einerseits wird auf höhere Strompreise spekuliert (Elektromobilität!), andererseits wird auch von weiteren Kostensenkungen in den Projekten ausgegangen. Insbesondere eine neue Generation von Turbinen soll das Problem lösen: Anlagen mit einer Nennleistung von deutlich über 10 MW mit einem Rotordurchmesser über 200 m!

Schon die Abmessungen der bisherigen Anlagen sind gewaltig – derzeit sind 150 bis 164 m Rotordurchmesser im kommerziellen Einsatz. Zum Vergleich: ein Airbus A380 hat eine Spannweite von 70 m. Diesen Turbinen sind bereits die größten rotierenden Maschinen, die die Menschheit je gebaut hat – und nun wird noch ein weiterer substanzieller Schritt gemacht.

Hierbei stoßen die IngenieurInnen an die Grenzen des Machbaren: neue Materialien müssen entwickelt werden, die Fertigung der Bauteile erfordert neue Lieferantenketten und die Validierung der Konzepte muss komplett neu gedacht werden, um die Risiken zu beherrschen. Es wird daher geschätzt, dass eine derartige Neuentwicklung durchaus eine halbe Milliarde Euro kostet. Ebenfalls inzwischen eine Größenordnung, die eher in der Luftfahrt üblich ist.

Aussichten

Es ist absehbar, dass sofern in Europa die Klimaziele erreicht werden sollen, die Offshore-Windenergie ein Hauptlieferant für die benötigten erneuerbaren Energiemengen sein wird: kostengünstig, mit hoher Verfügbarkeit und geringen Akzeptanzproblemen. Außerhalb der Nordsee stellen die noch deutlich größeren Wassertiefen ein bisher noch nicht wirtschaftlich gelöstes Problem dar. Hierfür werden derzeit schwimmende Gründungsstrukturen entwickelt, die in der kommenden Dekade zur Verfügung stehen werden und dann auch Küsten des Atlantiks und des Mittelmeers erschließen können. Das drängende Problem der Sektorkopplung wird ebenfalls durch neue Betriebskonzepte adressiert, bei denen Windparks direkt zur Produktion von Wasserstoff geplant werden – hierdurch werden die Netze entlastet und mobile oder energieintensive Anwendungen können direkt und kostengünstig versorgt werden. Auf dieser Basis hat die Offshore-Branche noch die besten Zeiten vor sich und die derzeitigen hohen Entwicklungskosten können sich in Zukunft auszahlen.

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