Raus aufs Meer: Freischwimmer für Windanlagen

23. Juli 2020

Der Wind weht nirgendwo stärker und beständiger als draußen auf dem Meer. Doch Offshorewindenergieanlagen müssen bislang im Meeresboden verankert werden – und das ist aufwendig, kostspielig und an vielen Küsten des Globus wegen der dortigen Meerestiefe gar nicht machbar. Schwimmende Anlagen sollen künftig auch dort Strom aus Wind generieren, wo es bislang nicht möglich war.

Spaziergänger, deren Weg an einem Baggersee in der Gemeinde Geestland im Landkreis Cuxhaven vorbeiführte, staunten im Juni nicht schlecht: Mitten auf dem Wasser schwamm eine 18 Meter hohe Windanlage mit zwei Rotoren. Nezzy² nennt sich das Forschungsprojekt von EnBW und Aerodyn Engineering. Der Energiekonzern und der Windanlagenhersteller wollen gemeinsam erproben, wie man Strom aus Wind künftig auch in tieferem Wasser gewinnen kann. Bislang werden Offshoreturbinen mit tonnenschweren Monopile-Röhren oder hochhaushohen Jacket-Gerüsten fest im Meeresboden verankert. Ist das Meer tiefer als 50 Meter, stoßen diese Systeme allerdings an ihre Grenzen – und große Windenergiepotenziale fallen damit ins Wasser.

„Niedrige Wassertiefen, in denen große Offshorewindparks gebaut werden können, sind global betrachtet die Ausnahme der Regel“, sagt Windenergieexperte Simon Wiedemann von TÜV NORD. Rund 80 Prozent der weltweiten Offshoreressourcen liegen in Bereichen mit einer Wassertiefe über 50 Meter, rechnet der Fachmann vor. Um hier Energie gewinnen zu können, muss die Windenergie eben das Schwimmen lernen. Bei der Modellanlage in Geestland ist das schwimmende Fundament über Leinen und Anker mit dem Boden verbunden. Im geplanten Regelbetrieb auf dem Meer sollen die Windenergieanlagen eine Höhe bis etwa 260 Meter erreichen. EnBW und Aerodyn wollen sie im Laufe des Sommers in der Ostsee und vor der Küste Chinas testen.

Auch vor dem benachbarten Japan, vor Korea, Indien, Chile oder an der Westküste der USA stürzt das Meer steil in die Tiefe. „Dort bieten sich sehr große Potenziale mit verhältnismäßig kurzen Abständen zu Bevölkerungszentren, was für die Übertragung der Energie wichtig ist“, sagt Experte Wiedemann. Denn je kürzer der Weg und damit die benötigten Stromkabel von der Windenergieanlage zum Verbraucher, desto wirtschaftlicher wird auch der Betrieb der schwimmenden Anlagen.

In Europa sind laut Windenergieverband WindEurope etwa die Atlantikküste Frankreichs, Portugals und Spaniens für schwimmende Windräder geeignet. Das europäische Gesamtpotenzial liegt nach den Berechnungen des Verbandes bei 4.000 Gigawatt – mehr als genug, um die gesamte EU mit sauberem Strom zu versorgen.

Noch steckt die Floating-Technologie in der Erprobungsphase. 2009 wurde mit Hywind Demo in Norwegen die erste Pilotanlage installiert. Weitere Pilotprojekte und Prototypen gingen vor Japan, Portugal und Frankreich ans Netz. Und seit Herbst 2017 ragt etwa 25 Kilometer vor der schottischen Küste die erste kommerziell genutzte schwimmende Windenergieanlage der Welt aus der Nordsee: Hywind Scotland besteht aus fünf 98 Meter hohen Windenergieanlagen, die mit einer Gesamtleistung von 30 Megawatt laut Betreiber Equinor genug Strom für rund 20.000 Haushalte liefern. Dass die Turbinen nicht untergehen oder umkippen, dafür sorgen sogenannte Spar-Bojen: Dabei handelt es sich um 91 Meter lange und 14 Meter breite Stahlröhren mit einem Gewicht von 2.300 Tonnen plus 5.000 Tonnen Ballast als Füllung. Drei je 300 Tonnen schwere Sauganker halten die Anlage an Ort und Stelle. Jeder Anker ist mit der Turbine über eine 900 Meter lange und 400 Tonnen schwere Eisenkette verbunden.

Auf eine ähnlich solide Bauweise setzt das Projekt WindFloat Atlantic vor der Küste Portugals. Im Juni hat ein Konsortium um den portugiesischen Energieversorger EDP dort die letzte von drei Windenergieanlagen mit jeweils 8,4 Megawatt in Betrieb genommen. Zusammen sollen sie rund 60.000 Menschen mit sauberem Strom versorgen.

Das Projekt basiert auf dem Prototyp WindFloat 1, der zwischen 2011 und 2016 vor Portugal in Betrieb war. Fünf Jahre lang produzierte die Zwei-Megawatt-Turbine Energie und ließ sich dabei auch von 17 Meter hohen Wellen nicht außer Gefecht setzen. Für sicheren Halt sorgte bei WindFloat 1 ein dreieckiges Stahlgerüst. Solche Halbtaucherplattformen könnten auch die Turbinen des 1.000-Megawatt-Parks tragen, den EnBW gemeinsam mit Trident Winds 30 Kilometer vor dem kalifornischen Morro Bay plant.

Momentan ist die schwimmende Windenergie also noch rund doppelt so teuer wie verankerte Turbinen. Doch das soll sich ändern, wenn die Anlagen erst einmal in größerer Stückzahl produziert werden. „In den nächsten Jahrzehnten wird die Technologie wirtschaftlich mit klassischen Offshoreanlagen gleichziehen – und könnte je nach Standort sogar günstiger sein“, zeigt sich Windenergieexperte Wiedemann überzeugt. Neben den Skalierungseffekten sollen auch andere Konstruktionsformen die Kosten drücken. Die Windparks vor Schottland und Portugal orientieren sich in ihrer stahlintensiven Bauweise an den Förderplattformen der Öl- und Gasindustrie. Hier ist jedoch die Gewinnspanne ungleich höher als in der Windenergiebranche, und hohe Investitionskosten sind daher leichter zu kompensieren. Tatsächlich sollten diese ersten Projekte vor allem demonstrieren, dass die schwimmenden Windenergieanlagen funktionieren, so Simon Wiedemann. „Künftig werden wir vermehrt andere Konzepte sehen, die in der technischen Auslegung zwar schwieriger sind, aber mehr Potenzial für die Zukunft haben“, sagt der Windenergieexperte von TÜV NORD.

Der Windenergiepionier Henrik Stiesdal arbeitet etwa an einem Konzept namens TetraSpar: Es basiert auf einem radikal vereinfachten und industriell gefertigten Schwimmer in Pyramidenform und Turmelementen, die auf die kostengünstige Modulbauweise von Onshoreanlagen setzen. Der Preis pro Kilowattstunde soll so auf fünf Cent sinken. Damit würde die schwimmende Windenergie mit dem günstigsten konventionellen Strom aus Braunkohle gleichziehen, der in Deutschland für 4,5 bis 8 Cent pro Kilowattstunde produziert wird. Windenergieexperte Simon Wiedemann hält Stiesdals Konzept prinzipiell für vielversprechend. „Es muss aber erst noch gezeigt werden, ob das technisch gut funktioniert.“

Recht sicher ist jetzt schon: Mit dem Aufbruch aufs offene Meer dürfte sich auch der Aufbau der Windenergieanlagen selbst verändern. Statt eine normale Windenergieanlage einfach auf einen möglichst stabilen Schwimmer zu stellen, könnten die Anlagen künftig so konstruiert werden, dass sie der Bewegung von Wind und Wellen stärker folgen, ohne dabei an Leistungsfähigkeit einzubüßen. „Hier ist aber noch einiges an Forschung erforderlich, um eine gute Balance zwischen einer Kostenreduktion im Fundament und einer höheren Dynamik der Turbine zu finden“, so Wiedemann.

Wie Windräder künftig konstruiert sein müssen, um sicher im Wasser zu schwimmen, daran sind auch der TÜV-NORD-Experte und seine Kollegen beteiligt. Im internationalen Normungsgremium IEC entwickeln sie die Auslegungsanforderungen für schwimmende Windanlagen mit. „Hier arbeiten wir mit den Entwicklern und Konzeptdesignern aller Firmen zusammen, die an diesen Projekten beteiligt sind, um diese Technologie auch auf der Standardisierungs- und Zertifizierungsseite voranzubringen.“