Offshore-Windparks: Windstrom vom Meer 7 Minuten Lesezeit
Energie

Offshore-Windparks: Windstrom vom Meer

Stephanie Bauer
As a voestalpine Digital Native right from the start, Stephanie Bauer is responsible for the Corporate Online & Social Media Strategy in her role as Managing Editor for topic management in the newsroom.

70 Kilometer vor der ostfriesischen Küste ging das weltweit ambitionierteste Offshore-Windpark-Projekt ans Netz. Das Forschungsprojekt „alpha ventus“ soll Erfahrungen für den weiteren Ausbau der Windkraft vom Meer her bringen. Die technischen Herausforderungen sind enorm, doch die Ausbaupläne europaweit gigantisch. Und mittendrin steckt spezieller Getriebe(edel)stahl der voestalpine.

Umweltfreundlich Strom aus Windkraft zu erzeugen, geht am Land wesentlich leichter, keine Frage. Doch nicht nur in den windigsten Gegenden Nordeuropas, wo riesige Windparkanlagen entstanden sind, gibt es zunehmend Proteste. „Zu laut“ und „zu hässlich“ meinen Anrainer von Windparks beispielsweise in Holland oder im zugigen Schleswig-Holstein. Neubauten und die Aufrüstung alter Anlagen („Repowering“) sind immer schwerer durchzusetzen – vor allem, wenn die Einwohner von „Windernte-Gebieten“ auf Einnahmen aus dem Tourismus angewiesen sind.

Die logische Alternative, Windräder weit außerhalb der Sichtweite „mitten im Meer“ zu errichten, stellt Windanlagenbauer aber immer noch vor veritable Probleme. Zwar ist die Energieausbeute durch die höheren Windstärken größer, aber auch die Herausforderungen durch Wind, Wetter und Salzwasser sind enorm. In Dänemark, Schweden und Großbritannien bewegt man sich bisher mit den ersten Offshore-Windparks daher gerade einmal in Wassertiefen bis zwölf Meter und errichtet Anlagen auch nicht weiter als zehn bis 15 Kilometer vor der Küste entfernt.

Erfahrungen im tiefen Wasser

In Deutschland ist man nun einen Schritt weiter. Mit einer Investitionssumme von 250 Millionen Euro errichtete alpha ventus, ein Gemeinschaftsprojekt von deutschen Energieversorgern, den ersten Offshore-Windpark der Welt, der sich bereits in tiefere Gewässer von 30 Metern und mehr vorgewagt hat. Mehr als 70 Kilometer von der ostfriesischen Küste entfernt wurden Ende April die ersten zwölf Anlagen offiziell in Betrieb genommen. „Ein Forschungsprojekt“, betont alpha ventus-Sprecher Lutz Wiese. „Wir haben jetzt Erfahrungen gesammelt, die wir für spätere Projekte nutzen können.“

Alpha Ventus zeigte den Windanlagenbauern nun, wo die großen Probleme beim Ausbau im tiefen Wasser liegen werden. Am Standort von alpha ventus sind starker Seegang und Wellenhöhen von mehreren Metern zu bestimmten Jahreszeiten keine Seltenheit; die Windgeschwindigkeiten erreichen im Schnitt 36 km/h (Stärke 5). Dies macht den Bau sowie die spätere Wartung eines Offshore-Windparks ungleich schwieriger als in Küstennähe oder an Land. Anders als bei einem Windpark an Land können die Bauteams und Servicetechniker nur per Schiff oder per Helikopter aus der Luft erreicht werden.

„Buderus Edelstahl hat den Großgetriebebau bei Windkraftanwendungen seit den ersten Anfängen begleitet und ist stolz, dass unsere Kunden nun auch für die Getriebe der offshore-Anlagen von Alpha Ventus auf den Getriebestahl aus Wetzlar bauen. Wesentliche Herausforderung bei dieser Stahlanwendung ist die hohe Belastung in den Getrieben, das Drehmonent ist bis zu 40.000 fach höher als in einem Getriebe eines VW Golfs. Um den Anforderungen gerecht zu werden, wurden und werden die Werkstoffkonzepte gemeinsam mit den Kunden bedarfsgerecht weiterentwickelt.“

Frank Hippenstiel, Qualitätswesen von Buderus Edelstahl, einem Unternehmen der Division Edelstahl des voestalpine-Konzerns

Planung mit Jahrhundertstürmen

Auf dem Standort von alpha ventus waren zum Teil zwei Dutzend Schiffe im Windpark, vom kleine „Fast Rescue Boat“ über Schlepper, Kabelverleger und kleine Tauchroboter bis hin zu gigantischen Hubinseln und Schwimmkränen. Zu Spitzenzeiten waren mehre hundert Personen gleichzeitig auf der Baustelle. Wind und Wetter geben dabei den Takt für Bau- und Wartungsarbeiten vor und erforderten für jeden Einsatz genaueste Planung und logistische Flexibilität. „Vor allem die Verankerung der Fundamente im Meeresboden stellte eine Herausforderung dar“, sagt Wiese. Während man in seichtem Gewässer die Anlage auf einem „einfüßigen“, tief in den Boden geschlagenen Piloten aufsetzen kann, sind bei größeren Wassertiefen andere Konstruktionen notwendig, damit sie für die fast 150 Meter hohen Anlagen genügend Standfestigkeit bieten. Denn die Ökostrom-Ernte passiert im Offshore-Bereich unter enormen Kräfteeinwirkungen. Bei maximaler Drehgeschwindigkeit schneiden die Spitzen der 62 Meter langen Rotorblätter mit fast 320 Kilometer pro Stunde durch die Luft. Die 300 Tonnen schwere Maschinengondel, die auf dem Stahlturm in 90 Metern Höhe montiert ist, muss nicht nur bis Windgeschwindigkeiten bis zu 100 Kilometer pro Stunde problemlos arbeiten, sondern auch Jahrhundertstürmen mit Windspitzen von 200 Stundenkilometern und mehr trotzen.

Die Lösung für eine stabile Verankerung fanden die Konstrukteur zum einen in den so genannten „Jackets“, die fix verankerten Ölbohrplattformen ähneln und in einer 700 Tonnen schweren Stahlkonstruktion, dem so genannten „Tripod“-System. Dieser „Dreifuß“ wird auf langen Stahlpfählen, die in den Meeresboden geschlagen werden, fixiert und soll nun den Stahlturm samt Rotor und Maschinengondel auch bei Jahrhundertwellen mit 15 Metern Höhe stabil in Form halten.

Tripod, Wilhelmshaven by voestalpine<br />Innovation, on Flickr„Jackets“ & „Tripods“

Weil die Anfahrt zu den Offshore-Anlagen Tage dauern kann, stellt die Montage ein extrem logistisches Problem dar. Bis die Einzelteile fertig für das Verschiffen waren, hatten sie oft schon eine mittlere Europatournee hinter sich. Die stählernen „Tripod“-Fundamente zum Beispiel, auf denen sechs der zwölf Windturbinen heute stehen, wurden im norwegischen Verdal verschweißt. Die dafür notwendigen Stahlbleche stammen aus Deutschland und wurden in den Niederlanden zu röhrenförmigen Elementen gebogen. Sechs weitere Fundamente, „Jackets“ genannt, wurden in Schottland gefertigt. Da beide Fundamenttypen – Tripods wie Jackets – mit einer Höhe von knapp 50 Metern und einem Gewicht von vielen 100 Tonnen schlichtweg zu groß sind, um sie als Ganzes über Land zu transportieren, erfolgte die Montage jeweils direkt „an der Kaikante“, von wo sie mit Transportschiffen nach Eemshaven und anschließend in den Windpark verbracht wurden.

Schutz der Bauteile vor aggressivem Meereswasser

Nun muss nicht nur die neue Art der Fundamentierungen ihre Nachhaltigkeit unter Beweis stellen. Um die Offshore-Windkraft optimal nutzen zu können, müssen alle Maschinenteile extrem zuverlässig funktionieren, da Wartungsarbeiten fernab der Küste extrem aufwendig werden können. Nur an 20 Tagen im Jahr herrscht in der Nordsee überhaupt eine Flaute. Extreme Witterung bescherte den Montageteams schon während des Baus oft wochenlange Stehzeiten. Der Bau verzögerte sich um mehrere Monate, die Projektkosten schossen um 60 Millionen Euro in die Höhe. Die Hersteller gehen aber davon aus, dass eine Anlage prinzipiell ein Jahr lang wartungsfrei funktioniert. So weisen etwa die riesigen Getriebe, welche die Rotoren mit dem Generator verbinden, besonders hohe Materialfestigkeiten auf. Die Oberflächen der Zahnräder sind durch spezielle Legierungen vor Verschleiß geschützt. Alle Anlagen sind zudem mit einem besondern Korrosionsschutz ausgerüstet. So wie bei Schiffen durchströmt die gesamte Anlage etwa permanent ein geringer Strom, um Salzwasserkorrosion zu vermeiden. Die Maschinengondel, in der sich Getriebe und Generator befinden, ist zudem hermetisch von der salzhaltigen Außenluft abgekapselt.

Setzt der kommerzielle Bau von Offshore-Anlagen aber so ein wie erwartet, werden dennoch Dutzende Wartungsteams auf speziell ausgerüsteten Wohn- und Reparaturschiffen samt vollständigem Ersatzteillager permanent in den Offshore-Parks unterwegs sein müssen.

Gigantische Ausbaupläne

Aufbau Offshore-Windpark Thornton Bank,<br />Belgien by voestalpine Innovation, on FlickrDer Grund dafür: Insgesamt sind allein vor der deutschen Küste 68 kommerzielle Windkraftprojekte geplant und zum Teil bereits bewilligt. Bis ins Jahr 2030 sollen mindestens 5.000 Windkraftanlagen entstehen, die eine Gesamtleistung von 25.000 Megawatt ins Netz einspeisen. Das entspricht der 150-fachen Leistung des Donaukraftwerks Freudenau. Auch Großbritannien hat Anfang dieses Jahres bekannt gegeben, noch stärker auf Windkraft zu setzen. Die dafür nötigen Meeresflächen wurden bereits entsprechend gewidmet. In den nächsten zehn bis 20 Jahren sollen Offshore-Anlagen in einer Größenordnung von 33.000 Megawatt installiert werden. Andere Länder wie Norwegen und Dänemark denken ebenfalls über neue Projekte nach.

Wenn alles gut geht, könnte innerhalb der nächsten Jahrzehnte Offshore-Windkraft einen guten Teil des Strombedarfs abdecken. Um den Ökostrom nach dem Vollausbau aber wirklich effizient an die Verbraucher bringen zu können, ist freilich noch ein Rattenschwanz an Investitionen nötig. Was fehlt, sind moderne und intelligente Netze, die den Windstrom ohne Verluste zu den Abnehmern in ganz Europa transportieren – und ihn auch zwischenspeichern können.

Intelligente Stromnetze

Geschieht dieser Ausbau in „Super Grids“ und „Smart Grids“ nicht, könnten sich bald paradoxe Situationen häufen. Schon heute kann es vorkommen, dass an Wochenenden ein Ökostromüberschuss herrscht. Bei nächtlichen Stürmen mussten Versorger sogar schon Geld dafür zahlen, dass ihnen überhaupt jemand den überflüssigen Windstrom abnimmt. Profitieren konnten davon die Betreiber von Pumpspeicherkraftwerken. Sie nutzen die Gratisenergie, um Wasser in höher gelegene Seen zu pumpen, das Wasser später bei Stromengässen wieder abzulassen und Strom zu Spitzenpreisen zu verkaufen. In Zukunft könnte auch der Ausbau von Elektromobilen einen Zwischenspeicher darstellen. Bei einem Sturm in der Nordsee lenkt ein intelligentes Netz automatisch den Ökostrom in die E-Mobil-Steckdosen in ganz Europa um. Man wird sehen, wann diese Idee Realität wird.

Offshore-Windpark: Lageverzeichnis des<br /> Seekabels

Über ein Seekabel wird der Ökostrom über ein Umspannwerk an der Küste in das Netz eingespeist und liefert Energie für 25.000 Haushalte.

 

Offshore-Windpark: Standorte der zwölf<br /> Windräder

Die zwölf Windräder von alpha ventus sind die erste deutsche Offshore-Anlage.

 

Offshore-Zukunftsmarkt: Ausbau in Riesenschritten

Offshore-Zukunftsmarkt: Ausbau in<br /> Riesenschritten

Offshore Installationen per Land (2010)

Quelle: European Wind Energy Association Jänner 2010

Ende 2009 waren in Europa Offshore-Windparks mit einer Leistung von etwa 2.000 Megawatt am Netz. Das entspricht der Leistung von acht Freudenau-Donaukraftwerken oder über 2 % der in Europa installierten Leistung und knapp 4 % der Stromerzeugung mit Windenergie. Rund 570 Megawatt Offshore-Windleistung wurden 2009 neu installiert. Vorreiter ist – wie im Onshore-Bereich – Dänemark, das jedoch bei der installierten Leistung 2008 von Großbritannien überholt wurde. Großbritannien setzt zur Erfüllung seiner Klimaziele stark auf die Windkraft auf hoher See und will bis 2020 insgesamt 33.000 Megawatt Offshore-Windkraft installieren. Dazu hat die britische Regierung bürokratische Hürden abgebaut und ab April 2009 die Einspeisevergütung erhöht. Auch wenn diese Ziele sicher hoch ambitioniert sind, bleibt das Vereinigte Königreich auch nach Ansicht der Beratungsgesellschaft KPMG auf absehbare Zeit der wichtigste Offshore-Markt weltweit. Hinter dem britischen wird der deutsche Offshore-Markt künftig auf Rang zwei liegen. Die Die Europäische Windenergieverband erwartet für 2020 eine Gesamt-Offshore-Leistung von bis zu 55.000 Megawatt. An die 100 Projekte sind aber bereits in Planung oder in der (langwierigen) Bewilligungsphase. Bis 2030 erwarten die Windexperten, dass Offshore-Windkraftwerke mit einer Gesamtleistung von 150.000 Megawatt am Netz hängen werden.

 

Bis 2011 geplanter Ausbau von Offshore-Anlagen

Bis 2011 geplanter Ausbau von<br /> Offshore-Anlagen

Quelle: Deutsche Windindustrie

Windleistung weltweit bis 2008 by voestalpine<br /> Innovation, on Flickr

Weltweit installierte Windleistung insgesamt 1995 bis 2008.

Entwicklung der Windenergieleistung in Europa<br /> 1995 bis 2020 by voestalpine Innovation, on Flickr

Erneuerbare Energien haben die meisten Vorhersagen deutlich übertroffen.

Stephanie Bauer