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Wahre Giganten - Züricher Tagesanzeiger / Nov. 2012

Immer grösser, immer stärker. Die Evolution der Windkraftanlagen ist schnell beschrieben. Waren 1980 noch 250-Kilowatt- Maschinen auf 30-Meter-Türmen Standard, so sind es heute 100 Meter hohe und 2 Megawatt (MW) leistende Maschinen. Offshore, also auf See, sind gar 5 MW Nennleistung die Norm. Und die Entwicklung ist noch lange nicht abgeschlossen.

 

Einen Blick in die Windkraft-Zukunftwarfen Wissenschaftler im Rahmen des EU-Forschungsprojekts «UpWind». Gemeinsam haben sie das technisch Machbare ausgelotet. Ihr Fazit: 20 MWstarke Windturbinen sind realistisch, denn je grösser und leistungsstärker die Anlage, desto höher fallen Stromausbeuteund Gewinn aus. Gleichzeitig vereinfacht sich die Logistikkette. Anstatt vieler kleiner sollen in Zukunft lieber wenige Grossanlagen installiert werden: Grosse Windräder sparen Platz. Die neue Klasse braucht im Vergleich zu kleineren Anlagen bei gleicher Leistung weniger Grundfläche. Zudem wird das Wetterfenster, jene kurze Periode, in der Anlagen auf hoher See gebaut werden können, besser ausgenutzt.

 

Erste Riesenräder 2020

 

Der Weg zu den Riesenturbinen führt zunächst über kleinere Modelle. Unternehmen wie Enercon, Areva Wind, Repower oder Bard sammeln seit Jahren Erfahrungen in der 5-Megawatt-Klasse. Ihre Erkenntnisse fliessen in die Entwicklung der nächsten Evolutionsstufe ein.Die Windradbauer entwickeln Anlagen, die ausschliesslich für den Offshore-Einsatz gedacht sind. Mit dabei sind Unternehmen wie Siemens, Vestas, aber auch American Superconductor oder 2-B Energy. «Die ersten Grossanlagen könnten 2020 stehen», sagt Andreas Reuter, der Leiter des Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik (Iwes) in Bremerhaven.

 

Wie konstruiert man so ein Riesenwindrad? Das einfache Hochskalieren, das heisst Turm, Generator und Flügel für eine geplante 20-MW-Anlage viermal so gross zu bauen wie bisher, führt nicht zum Ziel. Aus 70 Meter langen Blättern würden 240-Meter-Monster, ihr Gewicht würde von derzeit rund 30 Tonnen auf 120 Tonnen ansteigen. Aus der Gondel würde ein Schwergewicht von 1400 Tonnen. Auch Turm und Fundament müssten viermal stabiler sein. «Wir brauchen neue Entwürfe und Materialien», schreibt Bert Janssen vom Energy Research Centre of the Netherlands im «UpWind»-Abschlussbericht.

 

Problem Fundament

 

Wie genau die Gründungsstrukturen der 20-MW-Windräder aussehen werden, ist noch offen. Klar ist, dass die gängigen Monopiles – in den Meeresboden gerammte Rohre – kaum noch Anwendung finden dürften. Ein solcher Erdnagel hält die grossen Anlagen einfach nicht fest genug am Grund. Jacket-Konstruktionen, riesige vierbeinige Stahlrohrskelette, scheinen schon ehergeeignet, vor allem für Wassertiefen bis rund 40 Meter. Doch die Konstruktionen wackeln und vibrieren bei starkem Wind und Wellenschlag. Diese Interaktion zwischen Struktur und Boden kann zum Problem werden. Eine Alternativewären Schwerkraftfundamente, gigantische Betonsockel, die auf den Grund gesetzt werden und eine Offshore-Anlage allein durch ihre schiere Masse an Ort und Stelle halten. Auch schwimmende Fundamente kommen infrage – erste Prototypen werden bereits getestet. Kopfzerbrechen bereitet die Frage, wie der Antriebsstrang einer Offshore- Turbine mit 20 MW aussieht. Getriebe und Generator sind immens schwer, gleichzeitig sollen die Maschinenhäuser von morgen viel leichter werden. Unter Fachleuten ist daher ein Glaubenskriegentbrannt: mit oder ohne Getriebe? Die meisten Hersteller favorisieren derzeit getriebelose Entwürfe. Etliche Unternehmen entdecken damit für sich eine Technologie, auf die der Windradbauer Enercon seit Jahrzehnten setzt: den grossen, langsam drehenden Generator, der die Rotordrehzahl direkt umsetzt. «In den letzten beiden Jahren sind interessante Generatoren aufgetaucht», berichtet Iwes-Forscher Reuter. Bislang galten diese Generatoren als zu schwer. «Das Gewicht ist nicht mehr das Problem, das hat man im Griff.»

 

Siemens testet eine getriebelose, 6-MW-Anlage, deren Turmkopfmasse lediglich 350 Tonnen betragen soll. «Bisher sind Windturbinen mit höherer MW-Leistung überproportional schwerer als kleinere Maschinen», erklärt Henrik Stiesdal, Cheftechnologe von Siemens Wind Power. «Unsere Anlage bricht diese Regel und wiegt nur so viel wie konventionelle Windturbinen in der 2- bis 3-MW-Klasse.» Zu den gänzlich getriebelosen Entwürfen gesellen sich neuerdings auch immer mehr Mischformen, also Maschinen, bei denen die Rotordrehzahl nur leicht angehoben wird. Neue Generatorkonzepte, die sich mit rund 450 Umdrehungen je Minute statt der bisherigen 1500 begnügen, machen das möglich.

 

Der 50-Tonnen-Flügel

 

Die spannendste Entwicklung dürften aber die Rotorblätter der 20-MW-Riesen werden: Bis zu 135 Meter Länge, über 6 Meter Blattwurzeldurchmesser und Durchbiegungen im Wind bis zu 35 Metern sind enorme Werte. Dazu kommt das immense Eigengewicht der Flügel von rund 50 Tonnen. Machbar sind solche Riesenflügel, da ist sich die Fachwelt einig. Doch sie müssten grosse Teile anKohlenstofffasern enthalten – das macht sie teuer.

 

Wie so eine innovative Maschine aussehenkönnte, zeigt 2-B Energy schonheute – bislang allerdings nur im Modell. 2014 soll der erste Prototyp stehen: Die Anlage der Niederländer steht auf einem Gittermastturm und hat nur zwei Flügel, die sich auf der windabgewandten Seite des Turms drehen. Vorteilhaft ist, dass die Flügel bei extremer Durchbiegung nicht mit dem Turm kollidieren können. Das minimiert die Notwendigkeit, teure Karbonfasern zu verbauen. Zudem sind die Blätter lang und können daher mit schlankerem Profil gebaut werden, was Material spart. Der zweiblättrige Rotor dreht sich schnell, was gut für die Stromerzeugung ist, da weniger Getriebeleistung nötig ist. Dass der Rotor dadurch laut ist, stellt einen Nachteil dar. Allerdingseinen, der auf See kaum ins Gewicht fällt. Fernab der Küsten stört sich niemand an Windkraftwerken.

 

 

Tagesanzeiger: 15. November 2012

 



Der Beitrag erschien am 15. November 2012 in: Züricher Tagesanzeiger

© 2011 Daniel Hautmann