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Alpha Ventus Ahoi - Technology Review / Jan. 2010

Kein Windpark liegt in tieferen Gewässern, ist weiter von der Küste entfernt und hat leistungsfähigere Turbinen. Deutschlands erste Offshore-Stromfabrik ist nun komplett und 45 Kilometer vor der Nordseeinsel Borkum bereit für den Probebetrieb


Anfang August 2009 ist AV8 bereit. Nach monatelanger Arbeit steht das 700 Tonnen schwere Fundament im 30 Meter tiefen Wasser, 45 Kilometer nordwestlich von Borkum. Drei darauf montierte Stahlröhren, rund 100 Tonnen schwer und durch über 500 Schrauben miteinander verbunden, bilden den 90 Meter hohen Turm der Windkraftanlage. Ganz oben sitzt die 200 Tonnen schwere, hausgroße Gondel. Eine riesige Hubplattform hat sie in diese Höhe gehievt, danach die drei 56 Meter langen und je 16,5 Tonnen schweren Rotorblätter. Nun soll der erste Testlauf, der sogenannte Einstellbetrieb, für AV8 starten, eine von insgesamt zwölf Windkraftanlagen, die das Testfeld „Alpha Ventus“ bilden. Die Monteure müssen nur noch mit einem Schlauchboot vom Schiff zum Windkraftwerk übersetzen und die letzten Kabel verbinden. Doch der Außenbordmotor springt nicht an, ein Ersatzboot ist nicht vorhanden. „Unglaublich. Da baut man einen Windpark für 250 Millionen Euro und es hängt am Schlauchboot“, kommentiert Alpha-Ventus-Geschäftsführer Ralf Lamsbach dieses Missgeschick.

Heute, knapp sechs Monate später und nachdem auch das letzte der zwölf Windräder steht, ist jene Panne fast vergessen. Dennoch steht sie exemplarisch für Dutzende unvorhergesehener Widrigkeiten, die das Team von Konstrukteuren und Monteuren der Test-Meereswindfarm Alpha Ventus in der Deutschen Bucht meistern mussten. Denn vorher existierten für das Errichten von Windrädern in solch tiefen Gewässern so gut wie keine Erfahrungswerte. So ziemlich jeder Handgriff war damit der erste, Pannen passierten häufig. Auch für die Betreiber ist dieses Abenteuer nicht risikolos, denn die Wirtschaftlichkeit solcher Offshore-Farmen ist bislang noch nicht bewiesen. Umso aufmerksamer verfolgt daher die globale Windenergieszene die Bewährung von Alpha Ventus. Was da aus der Nordsee gewachsen ist, hat so noch niemand gebaut. Zwar arbeiten unzählige Windräder bereits vor der Küste Dänemarks und anderswo. Doch stehen sie fast alle küstennah im seichten Wasser. Auch in punkto Leistung ist der Windpark bislang konkurrenzlos: Während die küstennahen Windkraftanlagen die Windenergie in nur zwei Megawatt (MW) Strom umwandeln, speisen die Alpha-Ventus-Aggregate jeweils fünf Megawatt in das Stromnetz ein. Damit gehören sie zu den leistungsfähigsten weltweit.

„Was Offshore bedeutet, kann nur verstehen, wer selbst mal da draußen war“, sagt Lamsbach, der „da draußen“ immerhin schon mal fünf Tage auf einem Hotelschiff verbracht hat. Er weiß, wie es sich anhört, wenn die Wellen, die sich bei Sturm zu zehn Meter hohen Brechern auftürmen, gegen die Konstruktion krachen. Im Herbst 2006 waren es sogar 17 Meter. Die Wissenschaftler der westlich gelegenen, benachbarten Forschungsstation Fino mussten diese Rekordhöhe nicht aufwendig messen. Die Kraft der Wellen hatte in dieser Höhe ein Geländer verbogen, als ob es sich um ein dünnes Stück Draht gehandelt hätte. Das Wetter diktiert den Baufortschritt. Stürmt es, kann kaum gearbeitet werden. Entsprechend schwer ist es daher, Zeitpläne beim Aufstellen der Anlagen einzuhalten. „Das ist alles auch ein Glücksspiel“, sagt Irina Lucke, die für den Energielieferanten EWE das Teilprojekt Umspannwerk leitet. Dieses Glücksspiel verspricht, wenn es glücklich läuft, bis zu 120000 Euro täglich – für jede eingespeiste Kilowattstunde garantiert das Erneuerbare-Energien-Einspeisegesetz 15 Cent. Bei gutem Wind soll der Park Strom für rund 50000 Haushalte liefern. Die Einnahmen – wie auch die Erfahrung – teilen sich die drei Stromerzeuger Eon, Vattenfall und EWE. Dafür haben sie gemeinsam die Deutsche Offshore Testfeld und Infrastruktur GmbH (DOTI) gegründet. Zwar bauen Vattenfall und Eon bereits Offshore- Parks in England, Schweden und Dänemark, doch mit dem Offshore-Testfeld Alpha Ventus sind die kaum vergleichbar: Das Wasser vor Borkum ist tief, die Distanz zur Küste groß und die Windräder sind riesig.

„Eigentlich sind es ja zwei verschiedene Parks“, erklärt Geschäftsführer Lamsbach. Das Testfeld besteht aus zwei verschiedenen Anlagentypen auf verschiedenen Fundamenten. Die eine Hälfte der zwölf Windräder kommt vom Hamburger Hersteller Repower, die andere von der Bremerhavener Offshore-Windschmiede Multibrid. Begonnen hatte alles im November 2001, als das Hamburger Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) die Genehmigung für den Windpark erteilte. Seither hat sich gezeigt, dass auf See vieles komplizierter ist als einst geplant. Doch allmählich ist die Scheu vor dem Wasser gewichen. Mehr und mehr Hersteller konstruieren ihre Windkrafträder speziell für den Einsatz auf See, Logistikunternehmen positionieren sich und ordern Spezialschiffe zum Installieren und Warten der Riesenmaschinen. Allein beim BSH sind 80 Windparks angemeldet, 25 sind bereits genehmigt. Sie sollen in den kommenden Jahren auf Nord- und Ostsee entstehen. Und andere Staaten ziehen nach. Sowohl rund um die britischen Inseln als auch vor der Küste Chinas, der USA und Kanadas sind zahlreiche Windfarmen geplant.

Flugplatz Emden, Ostfriesland. Die Turbine eines Helikopters läuft warm. In grellgelben Überlebensanzügen warten die Passagiere neben der Maschine auf ihren 25-Minuten-Flug zum Windpark, unter ihnen auch einige Reporter. Seit sechs Wochen warten sie darauf, Alpha Ventus besichtigen zu können. Zuerst sollte es per Schiff hinausgehen, doch immer wieder ließen schlechtes Wetter und zu hohe Wellen die Reisepläne platzen. Zu gefährlich, hieß es. Während Monteure an Land bei jedem Wetter bequem unter der Windturbine parken können, gleicht bei Offshore selbst die Anreise einer kleinen Mondlandung. Oft bleibt nur derHelikopter, doch dessen Nutzung ist teuer: rund 2800 Euro pro Stunde kostet der Flug. Lohnen kann sich das trotzdem. „Wenn Sie an Land etliche Leute zusammen trommeln, zwei Stunden lang mit dem Schiff raus fahren und dann im Park merken, dass es wegen der Wellen zu gefährlich ist, auf die Anlage zu gehen, dann ist das mehr als frustrierend. Daher werden wir vermehrt den Luftweg nehmen“, sagt Alpha-Ventus- Pressesprecher Lutz Wiese.

Beim Anflug werden die Dimensionen des Offhore-Windparks sichtbar. Die zwölf Anlagen in vier Reihen bilden ein Rechteck von der Größe einer Kleinstadt. Ihre Flügelspitzen wischen 150 Meter hoch durch den Himmel. Als der Helikopter sanft auf dem Umspannwerk aufsetzt, das an der südlichen Flanke des Windparks liegt, sind im diesigen Hintergrund die Repower-Windräder zu erkennen. Sie stehen auf sogenannten „Jacket-Fundamenten“ im Meer – 45 Meter hohe, vierbeinige Stahlgerüste, die mit ihren Verstrebungen an Hochspannungsmasten erinnern. Sie wurden in Schottland montiert und per Schiff zur Baustelle geschleppt. „Jackets sind einfach zu fertigen und recht leicht“, beschreibt Lamsbach die Vorteile. Natürlich haben die 500 Tonnen schweren Riesengerüste auch Nachteile: Da sie aus zahlreichen Einzelteilen zusammengesetzt werden, sind zahlreiche Schweißarbeiten notwendig. Dies geschieht per Hand und ist somit teuer. Der Antriebsstrang der eigens für den Offshore-Einsatz entwickelten Repower-Anlage folgt dem gängigen Prinzip: Der Rotor treibt die Hauptwelle an, ein Getriebe stellt die geeigneten Drehzahlen für den Generator sicher. Damit aus den sieben bis zwölf Umdrehungen pro Minute, mit denen sich der Propeller je nach Windgeschwindigkeit dreht, jene bis zu 1170 Umdrehungen werden, die der doppelt gespeiste Asyncron-Generator benötigt, ist ein gewaltiges Getriebe nötig. Dessen schnell drehende Zahnräder neigen zum Verschleiß. Im Laufe des 20-jährigen Windradlebens rechnet Lamsbach deshalb mit zwei Getriebewechseln, die jeweils rund 400.000 Euro teuer sind. Auch Flügel und Generator werden mit großer Wahrscheinlichkeit ausgetauscht werden müssen. Die Ingenieure versuchen daher den Wartungsaufwand auf hoher See so gering wie möglich zu halten. Um beispielsweise das Getriebe tauschen zu können, ohne den Rotor abnehmen zu müssen, ist die Hauptwelle im Gegensatz zu Landanlagen doppelt gelagert. Entfeuchtungsgeräte in Gondel und Turm sollen die Maschinen gegen das korrosive Salzwasser schützen.

Direkt vor dem Umspannwerk feiern die Multibrid-Anlagen ihre Premiere auf See. Sie ruhen auf drei Stahlbeinen, die an Kamerastative erinnern. Die 700 Tonnen schweren „Tripods“ wurden in Norwegen gebaut. Sie wurden nach dem Antransport direkt auf den Grund gesetzt und mit 40 Meter langen Stahlpfählen fixiert. Nachteilig an den Dreibeinen scheint die aufwändig Geometrie zu sein. Die Konstrukteure verwendeten keine Zylinderrohre, sondern konisch geformte Eisenbleche. Nur wenige Spezialbetriebe können solche Bleche herstellen. Daher ist es auch noch fraglich, ob sich dieses Konzept für große Windparks bewährt. Ein nicht unerheblicher Vorteil ist jedoch der Multibrid-Antriebsstrang, der sich grundlegend von dem derRepower-Anlagen unterscheidet: Das Windrad ist quasi getriebelos. Der direkt gespeiste, permanent erregte Synchron-Ringgenerator liefert bei nur 140 Umdrehungen die richtige Spannung. Weil sich damit ein ungewöhnlich kleines Übersetzungsverhältnis von eins zu zehn ergibt – bei Repower liegt es bei eins zu 100 – reicht für die Übersetzung eine kleine Planetenstufe. Sie erlaubt eine kleine Bauform und spart sowohl schwere als auch schnell drehende und damit störanfällige Bauteile. Die Gondel wiegt mit 200 Tonnen rund 90 Tonnen weniger als die von Repower. Gegen salzhaltige Luft schützt ein einfacher Trick: Turm und Gondel stehen unter Druck. Lamsbach hofft, dass sich das „getriebearme“ Windrad als Alternative zum „gängigen Konzept“ etabliert.

Ein Konzept – mehr ist auch auch Alpha Ventus derzeit noch nicht. Denn bisher gilt nur als gesichert, dass sich Windturbinen auch fernab der Küste errichten lassen. Der Beweis eines funktionierenden Betriebs steht noch aus. Die Bundesregierung ist jedoch zuversichtlich. Wenn es nach ihr geht, sollen 2030 auf Nord- und Ostsee 25 Gigawatt installiert sein. Das wären 400 Parks der Größe von Alpha Ventus. Ist das überhaupt zu schaffen? „Nein“, sagt Ralf Lamsbach. „Ich gehe von vier bis sechs Gigawatt bis 2020 aus, je nachdem wie sich die Bottlenecks entwickeln.“ Zu den „Bottlenecks“ – den Flaschenhälsen – zählt er neben der Errichtungstechnik und Verfügbarkeit der Windenergieanlagen auch die Fertigungskapazitäten von Seekabeln und vor allem potente Investoren. Denn diese kennen die unliebsamen Überraschungen, die mit der Energie vom Meer verbunden sind. Zum sehr guten Beispiel für Pannen wurde der bereits 2002 rund 20 Kilometer vor der dänischen Nordseeküste gebaute Park Horns Rev. Die 80 Vestas-Propeller fielen nach und nach aus. Salzwasser fraß sich in Getriebe und Generatoren. Sämtliche Anlagen mussten ausgetauscht werden. Inzwischen ist der Park wieder am Netz. Vergangenen September wurden im benachbarten Horns Rev2 sogar weitere 91 Siemens-Turbinen mit je 2,3 MW installiert – Überwachungselektronik, doppelt vorhandene Komponenten, spezielle Getriebe und guter Korrosionsschutz machen sie hochseetauglich. Mit 209 MW Nennleistung versorgt diese größte Offshore-Windfarm weltweit bis zu 200000 Haushalte. Doch beide Parks stehen im Vergleich zu Alpha Ventus nur mit den Füßen im Nassen: Zwischen 9 und 17 Meter tief ist das Wasser. Daher und wegen der vergleichsweise kleinen Leistung genügen als Fundamente einfache „Monopiles“ – große Stahlrohre, die in den Sand gerammt werden. Auch die Installation ist einfacher: die Türme sind niedriger, die zu hebenden Gewichte geringer, die Transportwege kürzer. Daher testet man vor Borkum nicht nur unterschiedliche Anlagen, sondern auch verschiedene Konzepte, die Installation und Logistik mit einbeziehen. Während Multibrid die Windräder samt Fundament, praktisch schlüsselfertig auf die Baustelle lieferte, waren die Alpha Ventus Ingenieure bei den Repower-Anlagen für die gesamte Logistik-Kette zuständig. Lamsbach bevorzugt diesen Ansatz: „Alles, was man selber machen kann, sollte man auch selbst machen, sonst lernt man nicht. Ich möchte wissen, wo die Risiken sind.“

In punkto Wirtschaftlichkeit ist die Fachwelt bereits zu einem eindeutigen Ergebnis gekommen. Der Park sei mit zwölf Anlagen und 60 MW nicht groß genug. Wer Geld verdienen will, errichtet 80 identische Anlagen – mit der Nennleistung eines Kohlekraftwerks. So viel Strom will sicher an Land transportiert und ins Netz gespeist werden. Die von den Alpha-Ventus-Windmühlen gelieferten 30000 Volt Wechselstrom müssen im Umspannwerk vor Ort auf 110000 Volt Drehstrom hochgespannt werden – das minimiert Übertragungsverluste. Ein 60 Kilometer langes und 18 Zentimeter dickes, in den Meeresgrund eingespültes Unterwasserkabel transportiert den Strom an Land. In dem Kabelpaket stecken zudem Lichtwellenleiter, die sämtliche Betriebsdaten jeder einzelnen Turbine verraten. Sie münden in der Betriebsleitstelle in Norden / Ostfriesland. So wissen die Techniker stets, wie es um die Windräder bestellt ist, ob im Getriebeöl Eisenpartikel schwimmen oder Blitze in die Flügel eingeschlagen sind. Anhand von Leistungsdiagrammen sehen sie auch, ob der Generator optimal arbeitet. So können sie entscheiden, wann ein Serviceteam raus muss, um Teile zu tauschen oder zu warten. Peitscht die See dann zu sehr, ist ein Flug jedoch möglich, seilen sich die Monteure sogar vom Helikopter direkt auf die Anlagen ab.


Der Beitrag erschien im Januar 2010 in: Technology Review

© 2011 Daniel Hautmann