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Schwimmende Windkraftanlage

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Datei:Hywind havvindmølle.JPG
Hywind, der erste Prototyp einer schwimmenden Multimegawatt-Windenergieanlage mit Serviceponton (2009)

Eine schwimmende Windkraftanlage ist eine Windkraftanlage (WKA), die als schwimmendes Bauwerk in einem Gewässer ausreichender Tiefe von hydrostatischem Auftrieb eines Auftriebskörpers an der Gewässeroberfläche gehalten wird.

Schwimmende Windkraftanlagen werden typisch nur in stehenden Gewässern, also Meeren und Stillgewässern, errichtet. Sie können Orte mit größerer Wassertiefe, also ferner von Küsten und Ufern, nutzen als am Gewässergrund stehende Offshore-Windkraftanlagen, die nur in flacheren Randmeeren wie der Nordsee platziert werden können.

Ortsfest gehaltene Bauwerke in Fließgewässern können Leistung eher aus der Nutzung der Gewässerströmung gewinnen.

Damit sich eine typisch unter Wasser verlaufende elektrische Leitung (mehrpoliges Kabel oder mehrere einpolige Kabel, hohe elektrische Spannung) nicht verdrillt, muss die WKA verdrehfest gehalten werden.

Damit die Wasserwellen weniger Angriffsfläche finden, wird der Auftriebskörper von Ankerseilen rundum ein Stück unter die Wasseroberfläche gezogen, sodass nur der schlanke Mast die Wellenzone durchdringt.

Allgemeines

Schwimmende Windkraftanlagen spielen bisher weltweit nur eine geringe Rolle: Ende 2021 betrug die weltweit installierte Gesamtleistung aller schwimmenden Windkraftanlagen 139 MW<ref name="GWEC2022" />, verglichen mit insgesamt mehr als 55.000 MW an installierter Offshore-Windkapazität. Mitte 2020 hatte die kumulierte Leistung noch bei 73 MW<ref name="WindPMonth2020" /> bzw. 84 MW in 16 Projekten<ref name="ITIF2021" /> gelegen, wobei die Gesamtleistung der damals geplanten Projekte weltweit bei 7,66 GW lag<ref name="ITIF2021" />. In den Meeresgebieten um Schottland wurde im Januar 2022 eine Gesamtleistung von rund 15 GW an schwimmenden Anlagen ausgeschrieben.<ref name="GWEC2022" /><ref name="Scottish15GW" /> Insgesamt waren Stand Dezember 2022 schwimmende Offshorewindparks mit einer Gesamtleistung von 185 GW in Planung.<ref>Großbritannien will bei Floating Offshore ganz vorne dabei sein. In: en-former.com. 15. Dezember 2022, abgerufen am 16. Dezember 2022.</ref>

Technik

Datei:Types of offshore oil and gas structures.jpg
Verankerungsmethoden in der Erdöl- und Erdgas-Industrie

Die verschiedenen Konzepte unterscheiden sich zum einen darin, ob eine schwimmende Struktur eine einzelne Windkraftanlage oder mehrere Windkraftanlagen trägt, und zum anderen in der Art der Stabilisierung der Plattform gegen Kippmomente: ballaststabilisierte Spierenbojen ({{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:153: attempt to index field 'data' (a nil value)), formstabile Halbtaucher oder steif verankerte Tension-Leg Plattformen (TLP), alle bereits in der Erdöl- und Erdgasindustrie üblich.<ref>Die Firma Bladt baut Fundamente für gesamte Offshore-Infrastruktur: Gas, Öl und Wind</ref>

Projekte für Einzelanlagen

Siehe auch diese Liste der schwimmenden Windkraftanlagen.

Bei Einzelanlagen wird eine einzelne Windkraftanlage auf eine schwimmende Unterkonstruktion gesetzt und am Meeresboden verankert. Die Anlagen verfügen über die klassische Windrichtungsnachführung.

Datei:Agucadoura WindFloat Prototype.jpg
Windfloat-Prototyp
  • Das von EDP Renewables vorangetriebene Windfloat-Projekt setzt auf Halbtaucher mit drei Schwimmkörpern:
  • 50 MW: Mit Kincardine wurde 2021 der bis dahin weltgrößte schwimmende Offshore-Windpark in Schottland fertiggestellt. Er befindet sich 15 km vor der Küste von Aberdeen.<ref>[1]</ref><ref>World's Largest Floating Offshore Wind Farm Fully Operational. In: offshorewind.biz. 19. Oktober 2021, abgerufen am 22. Mai 2022.</ref>
  • Im Rahmen des Projekts Goto ocean energy des japanischen Umweltministeriums<ref>Stadt Gotō 「五島市海洋エネルギー」 (Japanisch, abgerufen am 8. Dezember 2013)</ref> wurden ab Juni 2012 ein 1:2-Modell (100 kW) und ab Oktober 2013 der Prototyp einer 2-MW-Anlage vor der Gotō-Insel Kaba ({{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:153: attempt to index field 'data' (a nil value)) erprobt. Es handelt sich um einen Lee-Läufer mit 56 m Nabenhöhe auf einer hybriden Spar-Plattform (oben Stahl, unten Spannbeton) mit 76 m Tiefgang.<ref>Tomoaki Utsunomiya et al.: Design and Installation of a Hybrid-Spar Floating Wind Turbine Platform. Proceedings of the ASME 2015 34th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, Mai/Juni 2015, St. John’s, Newfoundland, Canada, doi:10.1115/OMAE2015-41544 (<templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />online (Memento vom 29. September 2017 im Internet Archive)).</ref> Am Teststandort gab es nur eine 600-kW-Leitung. Für den kommerziellen Betrieb wurde die Anlage verlegt und liefert seit April 2016<ref>4C Offshore: Events on Sakiyama 2-MW Floating Wind Turbine. 26. März 2016.</ref> der Gotō-Hauptinsel Fukue-jima Strom für umgerechnet 0,29 €/kWh.<ref name="JWPA" />
  • Im Rahmen von Fukushima FORWARD des japanischen Wirtschaftsministeriums entsteht ein Offshore-Windpark vor der Küste der Präfektur Fukushima. Er besteht zurzeit aus einer 2-MW-Anlage (seit Dezember 2013), einer 7-MW-Anlage (seit Dezember 2016) auf Halbtauchern sowie einer 5-MW-Anlage (seit März 2017) und einer Umspannplattform (22/66 kV, 25 MVA, seit 2013) auf Spar-Plattformen.<ref>Fukushima Floating Offshore Wind Farm Demonstration Project (Fukushima FORWARD)</ref><ref name="JWPA">Japan Wind Power Association: <templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />Offshore Wind Power Development in Japan (Memento vom 29. September 2017 im Internet Archive). 28. Februar 2017.</ref>
  • Das Nautica-Konzept: Nautica Windpower verfügt als Lee-Läufer mit einem Zweiblattrotor über eine passive Windausrichtung, eine nicht drehbare (somit besondere robuste Gondel), zeichnet sich durch große Flexibilität und schnelle, kostengünstige Montage auf See aus.<ref>Nautica Windpower als Zweiflügler</ref><ref>Video-Animation über Nautica Windpower</ref> V-förmige Ausleger nach Lee enden in halbtauchenden Auftriebskörpern, ein einzelnes Tension-Leg greift am nach unten verlängerten Turm an.
  • SCDnezzy wurde von aerodyn entwickelt und 2014 vorgestellt, just als Lizenznehmer Ming Yang Wind Energy einen fest gegründeten 6-MW-Prototyp mit Zweiblattrotor installierte. Für die schwimmende Variante waren 8 MW auf einem Y-förmigen, von drei Bojen balancierten Halbtaucher angedacht, wobei die am Ende des längeren der drei Arme schräg angreifende Zugkraft der Verankerung in die Abspannung zum Turmkopf übergehen soll.<ref>Neue Energie: Schwimmende Windkraftanlage als Zweiflügler mit 8 MW</ref> Bisher wurde nur ein Modell im Maßstab 1:36 getestet. Vor kurzem wurde das bislang leistungsstärkste schwimmende Windkraftsystem mit einer Leistung von knapp 17 MW im Meer verankert.<ref>[2] Zwei Rotoren auf einer schwimmenden Plattform mit einer Leistung von knapp 17 MW</ref>
  • Ideol hat ein ringförmiges, schwimmendes Fundament mit quadratischem Grundriss entwickelt, das aus Beton oder Stahl hergestellt werden kann. Ein erster Prototyp aus Beton wurde im Rahmen des EU-geförderten Floatgen-Demonstrationsprojektes mit einer Vestas V80 Windenergieanlage vor der französischen Atlantikküste bei Le Croisic in 33 m Wassertiefe verankert und im August 2018 in Betrieb genommen.<ref>France’s first offshore wind turbine produces electricity. 19. September 2018, abgerufen am 6. Dezember 2019 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref> In Lizenz hat Hitachi Zosen einen weiteren Prototyp aus Stahl gebaut,<ref>Bruno Geschier (Ideol): Expertise Hub VIDEO: Concrete Floating Foundations More Durable and Cost-Effective (Ideol). 23. August 2017.</ref> der ebenfalls im August 2018 in Betrieb genommen wurde. In Frankreich werden drei 10-MW-Anlagen vor Gruissan installiert,<ref>Mariyana Yaneva: Quadran, Senvion consortium wins French tender for pilot floating wind power projects. Renewables Now, 25. Juli 2016.</ref><ref>Adnan Memija: 30 MW French Floating Offshore Wind Project Enters Construction Stage. 26. April 2023, abgerufen am 16. Juli 2023.</ref> in Japan und Schottland sollen es gleich kommerzielle Windparks werden.<ref>Joshua S Hill: Macquarie signs up to co-develop Japanese floating wind farm. RenewEconomy, 1. Mai 2018.</ref><ref>Buchan Offshore Wind, abgerufen im Juli 2023.</ref>
  • Bei dem von der GICON GmbH entwickelten schwimmenden Offshore-Fundament (SOF) handelt es sich um eine spezielle Lösung einer Tension-Leg Platform.<ref>GICON-SOF 1</ref> Das GICON-SOF besteht aus einem Tragwerk mit Auftriebskörpern aus Beton, das über Seile an einem schwimmfähigen Schwergewichtsanker aus Beton am Meeresboden verankert wird. Die Windenergieanlagen können bereits im Ausrüstungshafen auf die SOF montiert werden und schwimmend zu ihrem vorgesehenen Standort gebracht werden<ref>Transport und Installation des GICON®-SOF</ref>, sodass durch den Verzicht auf den Einsatz von Errichterschiffen Kosteneinsparungen erreicht werden können.<ref>Frank Adam u. a.: Entwicklung eines Fundaments für Offshore-Windenergieanlagen aus Stahl-Beton-Verbundbauteilen. In: Schiff & Hafen, Heft 11/2016, S. 40–43, ISSN 0938-1643</ref>
  • China betreibt mittlerweile ebenfalls einen ersten Prototyp einer schwimmenden Windkraftanlage im Meer.<ref>[3] Erste schwimmende Windkraftanlage im chinesischen Meer</ref>
  • Das X1-Konzept sieht einen Lee-Läufer an einem Dreibein vor, das passiv der Windrichtung folgend um eine TLP schwenkt. Ein 1:5-Modell (Vestas V29) wird vor Gran Canaria installiert.<ref>[4]</ref>

Konzepte für Mehrfachanlagen

Es existieren auch Konzepte, bei denen sich nicht Gondel und Rotor einer einzelnen Windkraftanlage in den Wind drehen, sondern die ganze schwimmende Plattform. Das erlaubt die Montage mehrerer Windkraftanlagen auf derselben Plattform ohne gegenseitige Windabschattung und die Verwendung von schlanken, abgespannten Masten mit aerodynamischem Profil. Die Ausrichtung der Plattform muss bei Ausfall einer (äußeren) Anlage oder bei unterschiedlichen Richtungen von Wind- und Meeresströmungen (Gezeiten) gegebenenfalls aktiv korrigiert werden.

  • Das Poseidon-Konzept der dänischen Firma Floating Power Plant A/S beinhaltet die gleichzeitige Produktion von Strom aus Wind- und Wellenkraft. «Poseidon 37» ist eine etwa 37 Meter breite und 360 Tonnen schwere Insel aus Metallteilen, die auf der Meeresoberfläche schwimmt und gleichzeitig Strom aus Wind- und Wellenenergie produzieren kann. «Poseidon 37» wurde zwischen 2008 und 2013 im Vindeby Havmøllepark (Vindeby Windpark) vor der dänischen Insel Lolland getestet.<ref>Floating Power Plant A/S.</ref><ref>Poseidon – eine Kombination von Wind und Wellen</ref> Dem Nachfolgeprojekt P80 für eine 80 Meter breite Anlage mit 2,6-MW-Wellen- und 5-MW-Windkraftkonverter im Norden Schottlands wurde die Zulassung versagt und das Projekt gestoppt.<ref>Poseidon P80 (DFOWDC) Offshore Wind Farm. 4C Offshore, 1. August 2016.</ref>
  • aerodyn engineering hat obiges SCDnezzy-Konzept zu einem mit zwei Rotoren fortentwickelt (SCD nezzy2, SCD steht für {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:153: attempt to index field 'data' (a nil value), den Triebstrang) und konstruiert zurzeit eine solche Anlage mit zweimal 3 MW, zielt aber auf 15 MW, die mit einem einzelnen Rotor nicht wirtschaftlich zu erreichen seien. Der gegabelte Turm mit Abspannung auch horizontal zwischen den beiden Gondeln steht auf einem Halbtaucher, der von drei (nun wieder klassisch-festen) Auftriebskörpern stabilisiert wird.<ref>Eize de Vries: Twin rotors bring 15 MW offshore turbine closer. WindPower Monthly, 30. Mai 2017 (Gespräch mit dem Aerodyn-Gesellschafter und damals noch CEO Sönke Siegfriedsen).</ref> Ein 18 Meter hoher Prototyp wurde im Juni 2020 in einem Baggersee bei Bremerhaven von EnBW und dem Ingenieurunternehmen Aerodyn Engineering errichtet.<ref>Bernward Janzing: Erneuerbare Energien in Gewässern: Wie Windräder schwimmen lernen. In: Die Tageszeitung: taz. 9. Juni 2020, ISSN 0931-9085 (taz.de [abgerufen am 9. Juni 2020]).</ref><ref>Forschungsprojekt Nezzy²: Enbw und Aerodyn testen erstmals in Deutschland ein Modell für schwimmende Windkraftanlagen (ee-news.ch). Abgerufen am 9. Juni 2020.</ref><ref>Aerodyn Engineering: Datenblatt SCD nezzy2.</ref>

Optimierungsmöglichkeiten

Neben dem wesentlich höheren Stromertrag gibt es eine Reihe von Optimierungsmöglichkeiten bei den wesentlichen Baugruppen schwimmender Windkraftanlagen (Plattform, Turm, Rotor/Gondel), die auch die Wirtschaftlichkeit verbessern. In vollem Umfang treffen diese Möglichkeiten auf die Multi Unit Floating Offshore Wind Farm (MUFOW)-Konzepte zu, teilweise auch auf die anderer Konzepte.

Turm

Bei der Verwendung von verbundenen Zwillingsrohren als Träger der Plattform sind wesentlich bessere Möglichkeiten der Abspannung/Abstützung gegeben, die die statischen Erfordernisse mit deutlich geringerem Materialaufwand gewährleisten. Da sich die gesamte Plattform in den Wind dreht, kann diese Abstützung wie bei einem Riesenrad auch nach vorn gebaut werden.<ref>Adrijana Buljan: Eolink’s Floater Gets Bureau Veritas Seal of Approval. offshoreWIND.biz, 13. Mai 2022.</ref>

Logistik

Schwimmende Kraftwerke können an Land vormontiert und dann in wenigen großen Baugruppen auf die See hinaus transportiert werden.<ref>Darstellung des Hywindkonzeptes auf Youtube</ref> In ausreichend tiefen Gewässern ist auch der Transport der gesamten Anlage mittels Schleppern möglich.<ref>Schiffsknappheit bremst Bau von Offshore-Windparks aus. In: energiewinde.orsted.de. 21. Mai 2021, abgerufen am 22. Mai 2022.</ref> Am Zielpunkt erfolgen dann Verankerung und Anschluss, im Idealfall schon vorbereitet.<ref>Das Sealock-Konzept für eine schnelle Installation</ref>

Konzepte für die Mehrfachnutzung der Plattform von schwimmenden Windkraftanlagen

Angedacht sind Konzepte, die verschiedene Nutzungen (PV, Wellen, Strömung, Kelp- und Fischzucht) neben der Windkraft gemeinsam auf einer Plattform ermöglichen. Die gemeinsame Nutzung einer schwimmenden Plattform für die Windkraftnutzung mit der Fischzucht ist in China nun bereits Realität.<ref>[5] Die Plattform einer schwimmenden Windkraftanlage wird mit Fischzucht kombiniert.</ref>

Historisches

Ein Pionier der schwimmenden Windkraft war Professor William E. Heronemus (1920–2002). Er arbeitete von 1967 bis 1978 an der University of Massachusetts Amherst und gründete dort die Abteilung für Meerestechnik.<ref name="UnivArchiv" /> Er wies schon 1968 auf die Abhängigkeit von Öleinfuhren hin, die zu Krisen führen werde, womit er die Ölpreiskrisen voraussah.<ref name="StoddardLBH" /><ref name="ProjectAbout" /> Er schlug 1973 schwimmende Windkraftwerke vor und veröffentlichte 1975 detaillierte Entwürfe zu Offshore-Windparks aus schwimmenden Anlagen.<ref name="Heronemus73" /><ref name="Stoddard2002" />

Literatur

  • Andrew R. Henderson, David Witcher: Floating Offshore Wind Energy — A Review of the Current Status and an Assessment of the Prospects. Wind Engineering 34, 2010, doi:10.1260/0309-524X.34.1.1.
  • Schwimmende Fundamente für Windenergieanlagen. In: Schiff & Hafen, Heft 6/2013, Seehafen-Verlag, Hamburg 2013, S. 128.
  • Torsten Thomas: Praxisreife Lösungen für schwimmende Fundamentierung. In: Schiff & Hafen, Heft 12/2014, Hamburg 2014, S. 36–38.
  • Thomas Wägener: SOF nehmen nächste Hürde. In: Hansa, Heft 1/2016, S. 48/49.
  • Mats Arnamo: Floating wind energy platforms. In: Hansa, Heft 12/2014, Hamburg 2014, S. 62/63 (englisch)

Weblinks

Commons: Schwimmende Windkraftanlage – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

<references responsive>

<ref name="GWEC2022"> Hauptautoren: Joyce Lee, Feng Zhao; Ben Backwell, Emerson Clarke, Rebecca Williams, Wanliang Liang, Anjali Lathigara, Esther Fang, Reshmi Ladwa, Marcela Ruas, Wangari Muchiri, Ramón Fiestas, Liming Qiao, Mark Hutchinson, Thang Vinh Bui, Lisias Abreu: Global Wind Report 2022. In: Global Wind Energy Council GWEC > Market Intelligence > Reports & Resources. Global Wind Energy Council GWEC, Brüssel, 4. April 2022, abgerufen am 6. April 2022 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref>

<ref name="WindPMonth2020"> Craig Richard: Floating wind to 'accelerate to 70GW by 2040'. In: Windpower Monthly. Haymarket Media Group Ltd., 14. Juli 2020, abgerufen am 6. April 2022 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref>

<ref name="ITIF2021"> Linh Nguyen: Floating Wind Farms – Climate-Tech to Watch. In: Information Technology & Innovation Foundation itif.org. Information Technology & Innovation Foundation, Washington DC, August 2021, abgerufen am 6. April 2022 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref>

<ref name="Scottish15GW"> Matt Farmer: Scottish renewable auction plans 15GW of floating wind leases. In: www.power-technology.com. Power Technology, 19. Januar 2022, abgerufen am 6. April 2022 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref>

<ref name="Heronemus73"> W. E. Heronemus: A proposed national wind power R and D program. In: NTRS - NASA Technical Reports Server (Hrsg.): NASA. Lewis Res. Center Wind Energy Conversion Systems. 1. Dezember 1973 (nasa.gov [abgerufen am 26. August 2022]).</ref>

<ref name="Stoddard2002"> Woody Stoddard: The Life and Work of Bill Heronemus, Wind Engineering Pioneer. In: Wind Engineering. Band 26, Nr. 5, September 2002, ISSN 0309-524X, S. 335–341, doi:10.1260/030952402321160633 (theheronemusproject.com [PDF]).</ref>

<ref name="UnivArchiv"> Heronemus, William E. – Special Collections & University Archives. In: Robert S. Cox Special Collections and University Archives. University of Massachusetts Amherst, abgerufen am 26. August 2022 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref>

<ref name="StoddardLBH"> Forrest “Woody” Stoddard: The Life and Work of Bill Heronemus, Wind Engineering Pioneer. In: Wind Energy Center. University of Massachusetts Amherst, abgerufen am 26. August 2022 (Lua-Fehler in Modul:Multilingual, Zeile 153: attempt to index field 'data' (a nil value)).</ref>

<ref name="ProjectAbout"> William Heronemus testifying on Renewable Energy in front of the US Senate - About the Man. In: theheronemusproject.com William Heronemus Wind Power Pioneer. 30. November 2011, abgerufen am 26. August 2022.</ref>

</references>