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Hightech unter Wind

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Hans-Jörg Munke

Hans-Jörg Munke

freier Journalist

Windkraft hat Zukunft. Das zeigen nicht nur politische Bekenntnisse, sondern auch aktuelle Forschungsvorhaben. Ausgehend von der Offshore-Technologie entwickeln sich wegweisende Innovationen, die die gesamte Branche verändern werden.

15. Juli 2016

„Der Schwerpunkt der aktuellen Windenergieforschungen liegt eindeutig im Offshore-Bereich“, sagt Stephan Barth, Geschäftsführer von ForWind – Zentrum für Windenergieforschung. Das sehe man sowohl auf nationaler als auch auf europäischer Ebene. Wissenschaftler verschiedener Universitäten und Forschungseinrichtungen machen sich derzeit Gedanken über Turbinensteuerungen, optimierte Monitoring- und Wartungskonzepte oder die Gründung von Offshore-Anlagen. „Das lohnt, denn die Kostensenkungspotentiale im Bereich Offshore sind noch deutlich größer als die bei landgestützten Anlagen“, sagt Barth.

Den Betrieb optimieren

Ein Ansatz zur Kostensenkung ist es beispielsweise, den Betrieb der Windparks so zu optimieren, dass sie eine maximale Stromausbeute bei möglichst geringer mechanischer Belastung der Rotoren liefern. „Eigentlich eine Selbstverständlichkeit, aber bislang wird beim Betrieb von Windparks immer noch auf die einzelne Anlage geschaut“, erklärt Barth. Jede Windturbine versuche aufgrund der aufgezeichneten Signale für Windrichtung, Windgeschwindigkeit und Rotordrehzahl die maximale Leistung zu liefern. Es könne aber von Vorteil sein, einige Anlagen in den ersten Reihen eines Parks zu drosseln und mehr Wind für die Anlagen im Windschatten durchzulassen. So ließe sich der gesamte Wirkungsgrad des Parks nach oben bringen – oder der gleiche Wirkungsgrad bei geringerer mechanischer Belastung der vorderen Turbinen erzielen. So würde deren Lebensdauer verlängert. Derzeit werden verschiedene Regelungsstrategien intensiv erforscht. Lerneffekt: die Anlagen als Komponenten eines großen Kraftwerks zu sehen.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt darin, Stillstandszeiten zu minimieren. Besonders in Offshore-Windparks ist das wegen des erhöhten Wartungsaufwands ein Problem. Fällt die Windsensorik einer Mühle aus, weiß die Anlage nicht mehr, aus welcher Richtung der Wind kommt und wie stark er weht. Die Folge: abschalten. Das sei aber nicht notwendig, denn die Information könne auch von den Anlagen im Umkreis geliefert werden, erläutert Windenergie-Experte Barth. Aus den Werten der Nachbar-Mühlen in 500 Metern Abstand könnten dann die Daten für betroffene Anlage berechnet werden. 

Längere Lebensdauer dank Hightech-Monitoring

Hohe Kosten verursachen auch Verschleiß und Rissbildung in den Rotorblättern. Eine Folge hoher mechanischer Beanspruchung. Könnten die betroffenen Komponenten dagegen mitteilen, wie viel Belastung bereits erfolgt ist und wie das die Lebensdauer beeinflusst, ließen sich die Windräder durch gezieltes Drosseln länger nutzen. Um das zu erreichen, müssten Glasfaserleitungen in die Rotorblätter integriert werden, so der Experte. Leuchtet man an bestimmten Stellen mit einem Laser hinein, lassen sich Veränderungen erkennen, denn bei Rissen ändert sich das Schwingungsverhalten der Blätter. Zurzeit kann man zwar Änderungen detektieren, eine Zuordnung des Fehlers zu den Signalmustern ist allerdings noch nicht eindeutig möglich. „Das ist eine große Baustelle“, so Barth. „Jede größere Windenergie-Forschungseinrichtung weltweit befasst sich aktuell mit diesen Themen.“ 

Wegen der zunehmenden Größe der Rotorblätter – mittlerweile mehr als 80 Meter – sind Versuche schwierig. Daher plant ForWind gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt einen küstennahen Forschungswindpark mit einer hochentwickelten Sensorik, um möglichst alle Zustände detailliert zu erfassen und Rückschlüsse von der Art der Signale auf die Schädigungen ziehen zu können. Experten schätzen, dass es noch fünf bis zehn Jahre braucht, bis es Systeme gibt, mit denen die Restlebensdauer großer Komponenten zuverlässig abgeschätzt werden kann. 

Neben Betrieb und Monitoring ist bei Offshore-Windparks das Standkonzept ein großer Kostenpunkt, denn je nach Meerestiefe wird für die Gründung sehr viel Material benötigt. Damit einher geht erheblicher Aufwand für Konstruktion, Produktion und Transport. Für Wassertiefen von 30 bis 40 Metern, wie sie in der deutschen Bucht herrschen, werden daher aufgelöste Fachwerkstrukturen entwickelt, die aus vielen Einzelelementen bestehen. Hier richten sich Forschungs- und Entwicklungsvorhaben auf die Frage, wie man solche Fachwerkstrukturen aus möglichst identischen Einzelkomponenten realisiert und durch Schweißroboter-Systeme automatisiert mit einer hohen Qualität in der Fertigung herstellen kann. Denn Handarbeit durch Schweißer wäre auf Dauer zu teuer. Zudem gibt es zahlreiche Entwicklungen, die zukünftig auch im großen Stil schwimmende Anlagen möglich machen werden. 

Augen für den Wind

Eine erheblich kostensenkende Innovationen wird auch der Einsatz laserbetriebener Geschwindigkeitsmessung in Windrädern sein, ist sich Barth sicher. Denn bislang laufen die Rotoren quasi im Blindbetrieb. Windgeschwindigkeit und -richtung werden auf der Gondel hinter dem Rotor gemessen. Kommt eine starke Windböe, kann die Anlage erst nach dem Eintreffen darauf reagieren. Eine schnelle Regelung durch das Verstellen der Blätter verhindert das Schlimmste und reduziert die Belastung. Stephan Barth beschreibt es so: „Das ist, als würde man mit dem Auto erst lenken, wenn man die Straße schon verlassen hat. Tatsächlich kann man Kurven aber schon hundert Meter im Voraus erkennen und sich darauf einstellen. Dank Fernerkundungstechnologie kann man zukünftig per Laser in den Wind hineingucken.“ Dort finden sich immer kleine Staubteilchen, Wassertröpfchen oder Pollen, die sich ideal mit dem Wind mitbewegen. Misst man deren Bewegung, weiß man, wie schnell der Wind ist. 

Die Technologie ist mittlerweile so sensitiv, dass sie bis zu zehn Kilometer weit reicht. Zukünftig wird sie in den Turbinen standardmäßig verbaut. So können diese in den Wind hineinsehen und erkennen, wenn sich ein Windfeld mit Böen oder eine starke Scherung nähert. Damit wird eine prophylaktische Reaktion möglich. Sobald das zuverlässig gehe, ließen sich die Sicherheitsmargen in der Konstruktion deutlich senken. Damit spare man viel Material und das verringere die Kosten erheblich, resümiert der Windenergie-Experte.

On- und Offshore: Die Kombination ist sinnvoll

Trotz aller Fortschritte der Offshore-Technologie bleibt die Kombination von Windenergie auf Land und See sinnvoll. Auch wenn auf See der Wind mit 4.500 bis 5.000 Volllaststunden pro Jahr stärker und gleichmäßiger weht als an Land mit 2.000 bis 3.000 Volllaststunden pro Jahr. Der Vorteil der Kombination liegt in einer besseren Trennung der Wettergebiete. Denn über Land haben alle nordeuropäischen Länder etwa ähnlich Bedingungen. Zwischen der Nordsee und dem Festland gibt es jedoch oftmals große Unterschiede. Darüber lässt sich eine Vergleichmäßigung der Stromerzeugung realisieren, die die Kosten im Gesamtsystem senkt, weil weniger in konventionelle Schattenkraftwerke oder in Speichertechnologien investiert werden muss. 

Gute Aussichten, findet Stephan Barth. Für den Geschäftsführer von ForWind sind Forschung und Entwicklung das Geschäft. „Da gibt es so viele Dinge, die heute noch nicht gemacht werden.“ Die Technologieentwicklung sei in diesem Bereich noch lange nicht zu Ende. „Es geht immer weiter.“