Mit der Kraft des Windes
107 Meter. So lang ist ein einziges Rotorblatt der leistungsstärksten Windkraftanlage der Welt. Sind alle drei Flügel montiert, malen sie einen Kreis mit 220 Meter Durchmesser in den Himmel. Um die Dimensionen einzuordnen: Das größte Riesenrad der Welt, der High Roller in Las Vegas, ist „nur“ 167 Meter hoch.
Das Rekordwindrad Haliade X vom US-Hersteller General Electric (GE) wird gerade im Hafen von Rotterdam getestet. Es erreicht eine Gesamthöhe von 260 Metern und ist damit nur unwesentlich kleiner als der Eiffelturm. Am beeindruckendsten aber ist seine Nennleistung: zwölf Megawatt. Vor nicht allzu langer Zeit wurden derartige Giganten ins Reich der Fabelwesen verwiesen, heute sind sie Realität – und noch lange nicht das Ende der Evolution. Andere Hersteller haben bereits 15-Megawatt-Maschinen angekündigt. Laut GE liefert die Haliade X Strom für bis zu 16.000 Haushalte und es genügen drei Rotorumdrehungen, um die Batterie eines Tesla Model 3 aufzuladen – womit der Wagen mehr als 500 Kilometer weit kommt.
Offshore- Doppelpack
Das Rendsburger Unternehmen Aerodyn setzt zwei Windräder auf einen Schwimmer. Die Doppelung senkt laut Hersteller die Kosten und steigert die Leistung. Die schwimmende Konstruktion ermöglicht den Einsatz in tiefen Gewässern. Nezzy2 heißt die Anlage. Die Türme der beiden Windräder stehen 90 Grad auseinander, was an eine Astgabel erinnert. Die beiden Rotoren, die sich selbstständig zum Wind ausrichten, rotieren gegenläufig und werden so gesteuert, dass sie sich nicht in die Quere kommen. Dieses Drehkonzept verhindert zum einen Windschatten unter den Zwillingen, zum anderen stabilisiert es den Schwimmer. Wann die erste Zwillingsanlage in See sticht, ist allerdings noch offen. Ein 18 Meter hoher Prototyp im Maßstab 1:10 wurde im Herbst auf dem Greifswalder Bodden getestet und hat sich selbst bei Orkanstärke als seefest erwiesen. China hat schon Interesse bekundet, eine 1:1-Variante mit 180 Metern Höhe in den Probebetrieb zu nehmen. Die soll dann sogar 20 Meter hohen Wellen trotzen können. Im Meeresboden verankerte Stahlseile halten die Anlage in Position.
Klar, dass solche Riesen nur auf hoher See, fernab der Küsten, installiert werden. Dort stören sie niemanden. Offshore ist auch die Windausbeute besser. Windräder auf See liefern mehr Volllaststunden als an Land: Während es onshore pro Jahr rund 2.000 sind, sind es auf See bis zu 4.500 Stunden mit Maximal-Output. Der vermeintliche Größenwahn hat einen logischen Hintergrund. Je größer die Anlagen, desto mehr Strom liefern sie – und desto einfacher wird die Logistikkette: „Größere Anlagen haben gewaltige Vorteile“, sagt Windkraftspezialist Manfred Lührs vom Beratungsunternehmen 8.2. „Mit ihnen werden die Standorte optimal ausgenutzt.“
Holz trifft Wind
Ehe Windkraftanlagen regenerativen Strom liefern, gehen sie erst mal in die Klima-Miesen: Durch die Errichtung der gewaltigen Masten und Fundamente aus Beton und Stahl werden je nach Größe 2.000 und mehr Tonnen Klimagase emittiert. Durch den Einsatz von Holz, das beim Wachsen CO2 bindet (immerhin eine Tonne pro Kubikmeter) können Windkraftanlagen klimaneutral errichtet werden. Und der Werkstoff Holz bietet weitere Vorteile:
- Die modulare Bauweise und das Material macht die Türme leichter. Der Aufbau der Module setzt keine besondere Beschaffenheit der Zuwegung voraus. Die Module werden vor Ort zusammengesetzt. Aufwendige Schwertransporte entfallen.
- Der Holzturm ermüdet nicht so schnell und kennt keine Korrosion.
- Der Rückbau von Anlagen aus Holz ist weitaus einfacher als bei Anlagen aus Beton oder Stahl. Beim sachgemäßen Verbrennen ausgedienter Anlagenteile entsteht dann keine zusätzliche Belastung, die Energie kann sinnvoll genutzt werden.
- Nabenhöhen von bis zu 200 Metern sind auch mit dem Naturbaustoff möglich.
- Holz eignet sich auch als Material für Fundamente und Rotorblätter.
Trotz dieser Vorzüge konnte Holz die Vormachtstellung von Stahl und Beton bei Großwindanlagen noch nicht aufbrechen, da diese Baustoffe mit großer Prozesstiefe im Markt etabliert sind. Die 1,5-Megawatt-Anlage des deutschen Anbieters Timber Tower, die 2012 bei Hannover in Betrieb ging, blieb trotz angekündigter Folgebauten bislang ein Pilotprojekt. In Schweden hat der Anbieter Modvion einen ersten Prototyp aus vorgefertigten Leimholzmodulen im April 2020 in Betrieb genommen. Ab 2022 sollen erste, bis zu 150 Meter hohe Projekte für schwedische Energiekonzerne umgesetzt werden. Modvion geht davon aus, dass Windenergietürme aus Holz nicht nur klimafreundlicher, sondern auch deutlich kostengünstiger gebaut werden könnten als solche aus Stahl. Holz arbeitet – auch noch am Durchbruch in der Windenergie.
Schwimmende Anlagen
Epizentrum der Offshore-Windindustrie ist mit aktuell rund 22 installierten Gigawatt Nennleistung Europa (inklusive UK). Genau gesagt: die Nordsee. Kein Wunder. Hier ist das Wasser seicht und der Strombedarf hoch. Wobei seicht rund 40 Meter bedeutet. Für die Offshore-Windkraft ist das ideal. Hier können große Stahlfundamente auf den Grund gestellt oder sogenannte Monopiles, gigantische Stahlröhren, in den Meeresgrund getrieben werden und den Anlagen so Halt geben.
So seicht wie die Nordsee sind andere Meere aber nur an ganz wenigen Stellen: Fast überall auf der Welt ist das Wasser zu tief für große Stative, die Windräder tragen. Rund 80 Prozent der weltweiten Windressourcen liegen über Gewässern, die mindestens 60 Meter tief sind. Doch es gibt eine Lösung für dieses tiefgründige Problem: schwimmende Windräder.
Weltweit werden bereits Dutzende Prototypen getestet, teils bis zu acht Megawatt stark. In Europa, Asien und den USA sind kommerzielle Projekte im Gigawattbereich geplant. Bis zum Ende des Jahrzehnts könnten laut dem Global Offshore Wind Report weltweit Schwimmwindräder mit zusammen 6,2 Gigawatt gebaut werden. Das entspricht der Leistung von rund acht Kohlekraftwerken.
Flexibel bleiben
Die enormen Rotordurchmesser moderner Windenergieanlagen von 200 und mehr Meter führen dazu, dass Rotorblätter in einer Umdrehung stark variierenden Windgeschwindigkeiten vor allem an den Blattspitzen ausgesetzt sind. Eine Steuerung, die dieses Phänomen berücksichtigt, kann nicht nur den Stromertrag einer Turbine verbessern, sondern auch Ermüdungsschäden durch Blattwinkelfehlstellungen vermeiden. Bislang wurde bei Turbinen in der Regel eine Steuerung genutzt, die alle Blattwinkel gleichzeitig an die Gegebenheiten anpasst, wodurch der Energieertrag deutlich absinken kann. Bei modernen Großanlagen setzt sich immer mehr eine individuelle Blattverstellung durch. Potenzielle Vorteile: gesteigerte Energieausbeute, reduzierte Ermüdungserscheinungen, niedrigere Schallemissionen und ein besseres Strömungsfeld hinter dem Rotor.u sumo reque nusquam.
Europäische Staaten pushen die Technologie. „Europas Westküste und das Mittelmeer sind tiefe Gewässer mit guten Windbedingungen, nahe an großen Verbrauchern“, sagt Kimon Argyriadis vom Beratungsunternehmen DNV GL. Zudem sei Europa schon bei der bodenbasierten Offshore-Windkraft der Technologietreiber gewesen – das Geschäft mit den schwimmenden Maschinen wolle man sich nicht nehmen lassen. Kein Wunder: Fachleute gehen davon aus, dass sich die Technologie zum Standard entwickeln wird, mit sagenhaft günstigen Kilowattstundenpreisen von nur wenigen Cent. Ein solches europäisches Projekt ist der doppelrotorige Schwimmer Nezzy2 des Rendsburger Unternehmens Aerodyn (siehe Randspalte Seite 83). Klaus Ulrich Drechsel, Offshore-Experte vom Energieunternehmen EnBW, das sich bei Nezzy2 eingekauft hat, sieht großes Potenzial in solchen Anlagen, weil sie sich praktisch in Küstenregionen aller Weltmeere einsetzen ließen, auch solchen, die steil abfallen und schnell große Tiefen erreichen.
Hoch im Wind
Zwar sind bereits zahlreiche Flugwindkraft-Systeme in der Luft, doch genau genommen sind es allesamt noch Prototypen. Die genutzten Technologien unterscheiden sich zum Teil gravierend. Zwei grundlegende Ansätze zeigen sich: Das eine Lager bringt den Generator in die Luft und erzeugt den Strom im Flug. Über spezielle Halteseile, die gleichzeitig den Strom transportieren, wird er dann zur Erde geleitet. Das andere Lager favorisiert die Stromerzeugung am Boden. Steigt der Kite oder Flügel in die Höhe, spult er ein Seil ab, das wiederum einen Generator antreibt und dabei Strom generiert. Das Prinzip wird auch Jojo genannt, da der Flügel immer wieder eingeholt wird – und in dieser Phase keine Energie erzeugt. Meister der Lüfte ist das US-Unternehmen Makani, das jahrelang von Google unterstützt wurde. Derzeit halten die Amerikaner mit ihrem Fluggerät M600 einen 26 Meter langen Carbonfaserflügel am Seil. Acht an der Tragfläche montierte Generatoren erzeugen im Idealfall, also bei genügend Wind, stolze 600 Kilowatt.
Höhenwinde abgreifen
Das Potenzial der Schwimmer lässt sich noch in die Höhe treiben. Denn weiter oben weht der Wind stärker und stetiger. Daher werden moderne Windkraftanlagen auf möglichst hohen Türmen montiert. Die können aber nicht beliebig hoch gebaut werden. Also müssen andere Ideen her. Eine davon ist die Flugwindkraft (siehe Randspalte rechts). Solche Maschinen sehen ganz anders aus als die gewohnten Dreiflügler. Genau wie Kinderdrachen hängen auch die Flugwindkraftwerke an der Leine und klettern hoch in den Himmel. Die Leinen sind allerdings bis zu 600 Meter lang – und müssen irrsinnige Kräfte aushalten. Die Kommerzialisierung der Flugwindkraft ist zwar noch weit entfernt, dennoch überzeugen die Vorteile. Da ist vor allem ihr geringer Materialbedarf. Sie brauchen keinen Turm und keine elendslangen Flügel, auch das Fundament kann leichtfüßiger ausfallen. Das Beste aber ist: Dank der höheren Ausbeute könnten zwei Megawatt starke Höhenwindkraftwerke auf größere Jahresstromerträge kommen als drei Megawatt starke konventionelle Windräder. Fort Felker, Direktor des Höhenwindkraft-Pioniers Makani, führt genau dieses Argument an, wenn er die Flugwindkraft promotet: „Die Technologie ermöglicht es, mit leistungsschwächeren Anlagen mehr Energie zu ernten.“
Klare Kante
Rotorblätter bestehen aus faserverstärktem Polyester- oder Epoxidharz. Besonders an den Flügelspitzen ist die Rotationsgeschwindigkeit sehr hoch (70–80 m/s). Prallt dort Regen auf, oder – noch extremer – Hagel, vervielfacht sich die Wucht. Die Folge: Oberflächen werden angegriffen. Dadurch erhöht sich der Reibungswiderstand, die Effizienz der Anlage sinkt. Oder noch schlimmer: Wasser dringt in die Blätter ein. Wenn dann Blitze einschlagen, was in solchen freistehenden Hochbauten nicht selten passiert, kann das eingelagerte Wasser aufkochen und die überdehnte Außenhaut zum Platzen bringen. Selbst wenn es so weit nicht kommt, verändern die Wassereinlagerungen die Gewichtsverteilung. Die dadurch verursachten Unwuchten und Vibrationen belasten Getriebe sowie Lager und verkürzen so die Lebensdauer der gesamten Anlage. Ein Lösungsansatz: Die norwegische Forschungsorganisation SINTEF experimentierte erfolgreich mit unterschiedlichen Nanopartikeln wie Kohlenstoffnanoröhrchen oder Partikeln aus Siliziumdioxid, um Beschichtungen resistenter gegen den Aufprall von Niederschlägen zu machen.
Energie für grünen Wasserstoff
All die Windräder, ganz gleich ob an Land stehend, auf See schwimmend oder gar durch die Lüfte fliegend, könnten Unmengen an grünem Strom liefern. Der könnte all die elektrisch betriebenen Fahrzeuge aufladen oder per Elektrolyse den heiß begehrten grünen Wasserstoff produzieren, der in der Stahl- und Zementindustrie eingesetzt oder in Brennstoffzellen zurückverstromt werden kann. So könnte die Windkraft die Dekarbonisierung des Planeten beflügeln. Wind als Energielieferant ist jedenfalls mehr als genug vorhanden. Fachleute rechnen vor, dass 18 Terawatt installierter Leistung genügen, um den Weltprimärenergiebedarf zu decken – Platz wäre für 400 Terawatt.
Segel setzen
90 Prozent des Welthandels werden auf dem Seeweg abgewickelt. Entsprechend groß ist das Potenzial, durch die Revitalisierung von Frachtseglern Emissionen zu reduzieren. Die geplante Oceanbird (Abbildung) kommt zwar langsamer voran als aktuelle Motorschiffe, aber dafür um 90 Prozent CO2-ärmer. Während die Oceanbird auf metallene Teleskopsegel setzt, gibt es andere Ideen mit riesigen Kite-Segeln oder segelförmigen Hochbaurümpfen. Gleichzeitig wird nach windgünstigen Schifffahrtsrouten gesucht.
Windenergie in der Mobilität
Neben dem Energiesektor gibt es weitere Branchen, die die Kraft des Windes nutzen können. Und das nicht zwingend umgewandelt in Strom. Der Seehandel zum Beispiel. Genauso die Luftfahrt. Frachter auf See bewegen rund 90 Prozent aller Waren, die wir konsumieren – von der Alufolie fürs Pausenbrot über Chemikalien für die Industrie bis zur Zahnbürste. Und was früher ging, geht auch heute noch: Segeln. Rund um den Erdball wehen verlässliche Winde. Und so stechen immer mehr Frachter in See, die den Wind als Antriebskraft nutzen oder sich zumindest von seiner Kraft unterstützen lassen. Manche setzen dabei auf spezielle Segel wie das Dyna-Rigg oder Zugsegelsysteme wie das SkySail. Aus dem geplanten 200 Meter langen Autotransporter Oceanbird wachsen fünf bis zu 80 Meter hohe Fügelsegel heraus. CO2-Einsparpotenzial der Oceanbird durch die Nutzung von Windkraft: 90 Prozent. Andere setzen auf das über 100 Jahre alte Flettner-Prinzip um Kraftstoff zu sparen. Statt Segel sorgen dabei gewaltige Zylinder für den Vortrieb, die durch Wind in Rotation gebracht werden.
Horizontal statt vertikal
In einem Versuchsfeld im westdeutschen Grevenbroich dreht sich eine Vertikalmaschine
und wandelt Windenergie in elektrischen Strom um. Das Prinzip der Vertikalachser ist steinalt. Etwa 1.700 Jahre v. Chr. stellten die Perser erste Mühlen mit flach rotierenden Flügeln auf. Der neuzeitliche Nachfahre ist natürlich deutlich leistungsstärker – und höher. 750 kW Nennleistung stehen bei einer Bauhöhe von 105 Metern zu Buche. Dennoch: Moderne Anlagen mit aufrechten Propellern und ähnlicher Nabenhöhe liefern etwa 30 Prozent mehr Leistung ab. Der große Vorteil der Vertikalachser: Sie sind dreimal leiser als herkömmliche Anlagen und können so näher an Wohngebiete heranrücken, ohne gegen gesetzliche Regelungen zu verstoßen.
Auf Leewellen in die Stratosphäre surfen
Auch die kommerzielle Luftfahrt könnte ihre Emissionen drastisch senken, indem sie den Wind effizient nutzt. Segelflieger sind Meister darin – und gelten seit Langem als Wegweiser, sowohl was Flugmanöver angeht als auch Materialien. Rekordpiloten gleiten mehr als 3.000 Kilometer weit und 23 Kilometer hoch – ohne einen Tropfen Sprit zu verbrennen. Sie nutzen gigantische Leewellen, die sich bei starkem Wind über Gebirgen bilden. Das wollen die Piloten in den großen Airlinern auch – und lernen daher von den Seglern.
Selbst Rennwagen aus der Hightech-Faser Carbon und mit ausgetüfteltem Hybridanrieb nutzen die unbändige Kraft des Windes, um auf Touren zu kommen. Sogenannte Gegenwindfahrzeuge sehen aus wie fahrende Windturbinen und fahren direkt in den Wind. Kurioserweise fahren sie dabei schneller, als selbiger bläst. Es ist die Maxime des Wettkampfes Racing Aeolus, der seit 2008 alljährlich auf einem Deich im Norden der Niederlande ausgetragen wird und an dem Teams aus aller Welt mit ihren selbst entwickelten und gebauten Rennwagen teilnehmen: Der Wind ist ihr Treibstoff.
3 Fragen an …
… Rudolf Walter, Leiter Geschäftsbereich Windkraft bei Schaeffler.
Windkraft spielt schon heute eine entscheidende Rolle beim globalen Energiewandel. Wird sich der Stellenwert Ihrer Meinung nach künftig noch erhöhen?
Ja, der globale Energiewandel ist ohne Windkraft nicht denkbar. Der Anteil am Energiemix wird perspektivisch weiter wachsen. Beispiel China, schon jetzt der größte Markt für Windenergie weltweit: Wie dort der Ausbau beschleunigt wird, um bis 2060 eine Klimaneutralität zu erreichen, ist der Wahnsinn. In den nächsten fünf Jahren sollen im Schnitt pro Jahr neue Anlagen mit einer Leistung von insgesamt 50 Gigawatt installiert werden, in den Jahren danach sogar noch mehr. Das ist mehr als eine Verdopplung der aktuellen Wachstumsrate von 20 Gigawatt pro Jahr. Das ist natürlich auch für die Industriesparte von Schaeffler eine interessante Perspektive.
Mit welchen Innovationen will Schaeffler die Effizienz von Windkraftanlagen weiter erhöhen?
Unter anderem wenden wir spezielle Verfahren an, um größere Lagerlösungen robuster zu machen, die dann mehr Leistung und in der Folge niedrigere Stromgestehungskosten erzielen können. Wir verwenden daher zum Beispiel ein Induktivhärteverfahren, um Lager größer als 2,50 Meter Außendurchmesser wirtschaftlicher produzieren zu können.
In puncto vorausschauende Instandhaltung möchte Schaeffler in Kürze mit einer weiteren Innovation aufwarten. Welche ist das genau?
Das stimmt. Wir haben Verfahren entwickelt, um zum einen den Wassergehalt im Öl permanent zu messen sowie die Strombeaufschlagung eines Lagers erkennen und zurückmelden zu können. Beides sind Warnhinweise für sogenannte White Etching Cracks, also strukturelle Veränderungen unterhalb der Oberfläche bei Lagern. So können wir kostenintensive Ausfälle eines Lagers reduzieren. Derzeit befinden wir uns im Prototypen-Betrieb. Der Plan ist, im nächsten Jahr in Serie zu gehen.
