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09-2019

Special Windenergie

Special Windenergie Schwimmende Windkraftanlagen Offshore-Windkraftanlagen waren bisher auf flache Gewässer begrenzt. Dies muss nicht so bleiben. Windkraftanlagen, schwimmend verankert, bieten neue Möglichkeiten. Die Branche sucht aktuell nach kosteneffizienten Konzepten. Sie gilt als vielversprechende Technologie, die das Gesicht der Offshore- Windindustrie in den nächsten fünfzehn Jahren grundlegend verändern könnte: Floating Wind. Der Fachbegriff beschreibt eine Klasse von Offshore- Fundamenten, die es ermöglicht, Windkraftanlagen auf Schwimmkörpern aufzustellen. Diese schwimmenden Bauwerke werden – anders als bei fest in den Meeresboden eingebrachten Fundamenten – mit Ankerketten am Meeresgrund befestigt. Bisher existiert lediglich eine überschaubare Anzahl schwimmender Windparks – meist Pilotanlagen handelt. Marktfähig ist diese Technik aktuell noch nicht. Allerdings besitzen Windräder auf schwimmenden Fundamenten nach Einschätzungen internationaler Fachleute großes Potenzial. Dass durch diese Floating- Technologie ganz neue Regionen erschlossen werden können, glaubt auch das Essener Unternehmen innogy. Heutiges Limit: 70 Meter Windräder mit festem Fundament lassen sich derzeit nur bis zu einer Wassertiefe von bis zu 50 bis 70 Metern wirtschaftlich umsetzen. Das liegt vor allem an der mit größeren Wassertiefen zunehmenden Menge an Baustoffen, die man einsetzen muss, um die Konstruktion fest und stabil genug zu machen, damit sie der Wirkung von Wind und Wellen standhalten kann. Mit schwimmenden Windkraftanlagen lässt sich diese Einschränkung umgehen und Windenergie an Standorten mit sehr viel tieferem Wasser nutzen, womit bisher nicht in Betracht gezogene neue Regionen erschlossen werden können. Der Innogy-Mitarbeiter, der auf einem fest stehenden Offshore-Windkraftanlage seine Arbeit macht, wird dies vielleicht künftig auch auf schwimmenden Anlagen machen müssen. Gerade die asiatischen und amerikanischen Küsten fallen oft steil ab. Auch in Europa befinden sich laut WindEurope, dem europäischen Verband der Windindustrie, etwa 80 Prozent der Gebiete, die für die Offshore- Windkraft geeignet sind, in Meerestiefen von deutlich über 60 Metern. Die Branche und auch innogy stehen mit der Floating-Technologie noch am Anfang der Lernkurve. Es werden zwar handelsübliche Turbinen verwendet, die schwimmenden Fundamente sind aber meist extra angefertigte Einzelstücke. Auch die Installation ist bei den meisten am Markt verfügbaren Floating-Konzepten noch recht aufwendig und damit kostenintensiv. Gemeinsam mit dem Mineralölkonzern Shell und der dänischen Firma Stiesdal Offshore Technologies (SOT) will innogy daher das modulare Tetra- Spar-Konzept in einem Pilotprojekt testen. Es handelt sich dabei um eine Stahlrohr-Tragstruktur mit darunter hängendem Kiel, die SOT entwickelt hat. Dieses Design ist nach Einschätzung von innogy besonders geeignet, da die Entwickler beim Entwurf vor allem die Industrialisierung der Fertigung und Installation vor Augen hatten. Es ist nicht nur ein materialeffizientes Design, sondern basiert auch auf erprobten Herstellungsmethoden aus der Windkraft-Logistikkette. Durch den modularen Ansatz können Komponenten in vielen Häfen an Land vorgefertigt, gelagert und montiert werden. Die Montage der Windturbine kann in geringer Wassertiefe direkt von der Kaikante aus erfolgen. Es ist keine teure Offshore-Logistik, wie etwa ein Schiff mit Schwerlastkran, erforderlich. Die Erwartung des TetraSpar-Konsortiums ist, dass dies alles zu spürbar niedrigeren Kosten führt als bei anderen schwimmenden Konzepten. 200 Meter tief verankert Derzeit werden die einzelnen Komponenten des TetraSpar-Fundamentes gefertigt. Im kommenden Jahr sollen diese dann im dänischen Hafen Grenaa montiert und anschließend zu Wasser gelassen werden. Mit Hilfe eines Krans wird dann die Turbine (eine 3,6-MW- Offshore-Windturbine des Herstellers Siemens Gamesa) auf dem schwimmenden Fundament befestigt. Von Grenaa aus transportiert ein Schlepper das schwimmende Windrad zum Teststandort zirka zehn Kilometer vor der norwegischen Küste in der Nähe von Stavanger. Dort wird der Kiel aufballastiert und in seine hängende Position abgesenkt, die Struktur mit drei Ankerketten Bild: Innogy 24 UmweltMagazin September 2019

Windenergie Special am Meeresboden in 200 Metern Tiefe verankert sowie anschließend über ein Kabel mit dem Stromnetz verbunden. Eine der größten Herausforderungen besteht darin, dass es sich um ein neues Design handelt, bei dem es zu verstehen gilt, wie es sich unter Praxisbedingungen verhält. Obwohl TetraSpar im Modellmaßstab bereits erfolgreich im Wind- und Wellenkanal getestet wurde und in großem Umfang bestehende Herstellungsmethoden nutzt, sind die Kombination der Komponenten sowie die Montage- und Installationsmethoden in entscheidenden Details neu und müssen erprobt werden. Insgesamt haben die Partner rund 18 Millionen Euro für das Pilotprojekt eingeplant. Mit diesem Demonstrationsprojekt wagt innogy nicht gleich den Sprung in den Gigawattmaßstab. Doch wird der TetraSpar-Demonstrator mit einer großen Zahl von Sensoren bestückt sein, mit denen unter anderem überprüft werden kann, ob das Verhalten der Anlage im realen Maßstab mit den Erwartungen aus den Berechnungen und Modellversuchen übereinstimmt. Dies wird es innogy ermöglichen, relevantes Wissen aufzubauen, das mittel- bis langfristig helfen wird, beim Ausbau des Offshore-Windportfolios in neue Märkte vorzustoßen. Unter Beobachtung Eine Windkraftanlage auf See oder an Land zu installieren, ist nur der erste Schritt. Danach liegt die Herausforderung im sicheren Betrieb mit kosteneffizienter Wartung und Instandhaltung. Das gilt genauso für schwimmende Anlagen wie schon für Onshore- und Offshore-Windkraftanlagen, die auf festen Fundamenten installiert wurden. So sollen Schäden etwa an Rotorblättern oder Antriebssträngen der Turbinen schnellstmöglich erkennen und beheben, ehe es zu einem Ausfall kommt. Auch dazu setzt innogy auf innovative Lösungen. Alle relevanten Messdaten aus den Überwachungssystemen werden zentral gespeichert und von unterschiedlichen Programmen ausgewertet. Diese Zustandsüberwachungssysteme, englisch Condition Monitoring Systems, erfassen etwa am Antriebsstrang der Turbinen Kenngrößen wie Drehzahlen, Schwingungen Das TetraSpar-Konzept skizziert. und Temperaturen. Die Messwerte von hunderten von Sensoren werden mehrfach pro Sekunde aufgezeichnet. So entsteht eine immens große Datenmenge, die nur automatisiert ausgewertet werden kann. Ingenieure und Datenspezialisten bringen der Software bei, zwischen „gesundem“ und „nicht mehr gesundem“ Verhalten der Windkraftanlagen zu unterscheiden, sodass frühzeitig die richtigen Instandhaltungsmaßnahmen ergriffen und ernsthafte Schäden oder lange Ausfallzeiten vermieden werden können. Eine Reihe solcher großenteils selbst entwickelten Anwendungen überwacht bereits kontinuierlich den aktuellen Zustand der Hauptkomponenten mehrerer Onshore- und Offshore-Windparks von innogy. Damit will das Unternehmen die Anzahl der außerplanmäßigen und damit insbesondere im Offshore-Bereich sehr kostenintensiver Instandhaltungsaktivitäten erheblich senken. Gleichzeitig ermöglicht die rapide Entwicklung im Grafik: Stiesdal Offshore Technologies A/S Bereich der künstlichen Intelligenz immer bessere Datenanalysemethoden und -strategien, die innogy hinsichtlich ihrer Eignung für die Zustandsüberwachung von Windturbinen intensiv erprobt und an neue Aufgaben und Windturbinentypen anpasst. Die dadurch möglichen flottenweiten Analysen ermöglichen es zudem auch, strategische und kommerzielle Entscheidungen zu unterstützen sowie die Ausfallvorhersage noch weiter zu verbessern, um die Betriebs- und Wartungskosten weiter zu senken. Ebenso können zu hohe Lasten an den Turbinen erkannt und gezielt vermindert werden. Dies erhält die Lebensdauer der Anlagen oder ermöglicht bestenfalls sogar eine Verlängerung des Betriebs über die ursprünglich geplante Standzeit hinaus. Johannes Rosen, Leiter der Abteilung Forschung und Entwicklung im Segment Erneuerbare Energien bei Innogy+ johannes.rosen@innogy.com UmweltMagazin September 2019 25

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