Die Optimierung von Windparks und deren Anlagentechnik ist eine Aufgabe ohne Ende. Dabei geht es unter anderem um die Verbesserung der Zuverlässigkeit, der Umweltverträglichkeit oder um Effizienzsteigerung. Zurzeit sind wir bei Rotorblättern mit Durchmessern von über 200 Meter angelangt und sind damit an technische Grenzen der Machbarkeit gestoßen. Aber geht diesbezüglich in Zukunft noch mehr?
Gegen Ende der 1970er Jahre hatte es so richtig angefangen mit den Windenergieanlagen. Nabenhöhen von 90 m und Nennleistungen von 500 kW waren damals modernster Stand der Technik. Heute haben die Rotorblätter den 16-fachen Durchmesser, womit die Windparks die 100-fachen Energiemengen produzieren. Ein wesentlicher Grund der Steigerung ist neben verbesserter Technik die bessere Wahl der Standorte, denn ohne Wind kann die beste Turbine nichts liefern. Viel Wind, das weiß jeder, gibt es an der Küste und noch mehr Wind gibt es vor der Küste im sogenannten Offshore-Bereich. Gegen Ende des Jahres 2015 lieferten Offshore-Windparks circa fünf Prozent der Energie, die alle Windenergieanlagen in der EU zusammen produzieren. Bis zum Jahr 2030 soll sich dieses Verhältnis zugunsten der Anlagen weit draußen im Wasser umkehren.
Auf der Suche nach den Grenzen des Wachstums
Im Herbst 2018 stellte MHI Vestas auf der Hamburger Wind-Leitmesse eine 10-Megawatt-Turbine vor, die heute direkt bestellt werden kann. General Elektric hatte schon zuvor angekündigt, dass in 2021 die 12-MW-Anlage „Haliade-X“ in Betrieb genommen wird. Aus den Schubladen der Entwickler schauen jetzt schon die Konstruktionspläne für 20-Megawatt-Turbinen heraus. Dazu ist allerdings die Umsetzung neuer Rotorkonzepte erforderlich. Windenergie auf dem Meer bietet mannigfache Vorteile, denn dort bläst der Wind häufiger und stärker und in Summe zuverlässiger. In der Folge sind die Stromerträge größer, aber deren Schwankungsbreiten kleiner. Zu verzeichnen sind offshore rund 4.500 Volllast-Stunden, an Land kann maximal die Hälfte davon erreicht werden.
Doch die Offshore-Anlagen sind echt harten Bedingungen ausgesetzt. Die zum Teil extrem hohen Windgeschwindigkeiten und die damit einhergehende raue See setzen der Dimensionierung der Offshore-Anlagen Grenzen. Zwar kann man noch größere Anlagen bauen und sicher aufstellen, aber die Kosten dafür schnellen überproportional in die Höhe. Die Leistung der Anlage ist theoretisch proportional zur überstrichenen Rotorfläche, das heißt, sie steigt quadratisch mit dem Durchmesser. Volumen und Masse der Bauteile wachsen aber mit der dritten Potenz. Dieser Umstand setzt dem Fortschreiten des Gigantismus klare Grenzen, es sei denn, man würde ein ganz anderes Konzept bei den Rotoren verfolgen.
Vielversprechende Lösungsansätze
Modellrechnungen zeigen nämlich, dass die so bewährten dreiflügeligen Modelle nicht das Nonplusultra der Windenergieanlagen bleiben müssen. Zweiblattrotoren und sogenannte Multirotoren rücken in letzter Zeit immer mehr in den Fokus der Diskussion. Betrachten wir dazu kurz das EU-Projekt „Innwind“, in dessen Rahmen insgesamt 27 europäische Hersteller und Forschungsinstitutionen die Zukunftsvision der 20-Megawatt-Turbine entwarfen. Diese stolze Leistung soll nun von zwei Hamburger Forschergruppen, eben jenen, die Zweiflügler und Multirotoren in gegenseitiger Konkurrenz präferieren, geknackt werden. Verteilt man die Leistung eines riesigen Rotors zum Beispiel auf 100 deutlich kleinere Rotoren, wiegen diese gemeinsam gerademal zehn Prozent von der Masse des großen Rotors. Wertvolle Ressourcen wie Neodym könnten dadurch in großer Menge eingespart werden.
Technische Fehler können zum Ausfall einer Offshore-Windkraftanlage führen. Bislang bedeutet dies selbstverständlich Totalausfall. Bei Multirotoranlage wäre der Totalausfall eher die Ausnahme, in der Regel würden mehrere Turbinen weiterdrehen. Für den Betreiber ergäbe sich daraus die Option, sogar bis zur nächsten Routine-Inspektion abwarten zu können. Überdies kommen kleinere Rotoren mit Turbulenzen besser klar.
Dass ein Zweiflügler in der Herstellung kostengünstiger ist als ein Dreiflügler, ist ziemlich plausibel. Im Übrigen ist die Dynamik eines Zweiflüglers heute sehr gut beherrschbar. Das war nicht immer so, werden jene Leser denken, die sich noch an das zweiflüglige Forschungsprojekt „Growian“ erinnern. Das stolze 3-Megawatt-Testwindrad wurde in den 1980er Jahren an der Deutschen Bucht errichtet. Doch es scheiterte grandios. Im Ergebnis wurde Strom aus Meereswind damals als unbeherrschbar und unbezahlbar erklärt. Aber im Jahre 2010 ging dann mit „alpha-ventus“ der erste deutsche Meereswindpark in der Nordsee in Betrieb.