Offshore Windenergie

1. Die Geschichte der Windkraft

Windkrafträder waren schon im 19. Jahrhundert in vielen Teilen der Welt
eine sehr wichtige Energiequelle.
Nach der Ölkrise in den 70er Jahren hatte alternative Energie, somit auch die
Windenergie, sehr viel an Wichtigkeit dazu gewonnen.
Die Regierungen förderten die Entwicklung der Windenergieanlagen,
kleinemittlere Anlagen, die sogenannten Windenergiekonverter wurden in
Deutschland gebaut.
1983 wurde die erste Großwindanlage in Brunsbüttel (Schleswig-Holstein)
gebaut, der GROWIAN 1. Er erzeugte 3 MW Strom, genug für 4000
Haushalte. Wegen nicht vorhersehbarer technischer Probleme stand die
Anlage sehr oft still und wurde 1987 wieder abgebaut.
Seitdem baute man kleinere Anlagen, die die Leistung zwischen 25-300 KW
brachten und nicht so anfällig waren. Der erste Windpark
Deutschlands mit 30 Anlagen wurde 1987 eingeweiht.
Mittlerweile wird in keinem anderen Land mit Windenergie so viel Energie
erzeugt wie in Deutschland,
aber die dafür geeigneten Standorte werden knapper.
Für die Zukunft planen viele Firmen ihre Windkraftanlagen im offenen Meer zu installieren.
Fester Standpunkt: ca. 9 km nördlich der Grenze des Nationalparks
Wattenmeer und nordwestlich von Borkum.
Offshoreanlagen, die Zukunft der Windenergie???

2. Vorteile und Nachteile der Offshoreanlagen

Vorteile:

stärkere und konstanter Wind
scheinbar unbegrenzte Fläche
stören niemanden
sehr großer Energiegewinn

auf den Nationalpark Wattenmeer, militärische Sperrgebiete
und Seeverkehrswege muss Rücksicht genommen werden
je größer die Wassertiefe und der Abstand zu Küste, desto
teurer die Installation der Anlagen
Reparaturen nur wetterbedingt möglich
Teurere und weitere Anfahrtswege, nur mit Schiff oder Helikopter möglich
àdafür müssen Anlegestellen gebaut werden, das kostet Geld
möglicherweise negative Auswirkung auf Vogel- und
Fischwelt sowie auf Meeressäuger

Eine Studie der EU ergab, dass durch die Offshoreenergie der gesamte
Strombedarf der EU zweimal gedeckt werden könnte, dafür müsste aber der
ganze Horizont voller Rotoren stehen. Weil auf viele Faktoren
Rücksicht genommen werden muss, können nur ungefähr 10% des Potenzials
genutzt werden.
Forscher sagen, dass sich die Ostsee aufgrund des besseren Klimas für die
Offshoreenergie besser eignen würde als die Nordsee.

3. Die Technik der Offshorewindenergie

Durch Windkraftanlagen machen wir die Bewegungsenergie des Windes
nutzbar. Dazu werden am häufigsten tragflügelähnliche Konstruktionen
verwendet.
Die Luftströmung wird an den Rotorblättern oder auch Rotorflügeln
verzögert und umgelenkt, die Rotorblätter fangen an sich zu drehen. Ähnlich
wie bei den Tragflächen eins Flugzeugt ist die Oberseite des
Rotorblattes stärker gewölbt als die Unterseite, dadurch wird die
Geschwindigkeit der Luft an der Oberseite erhöht und an der
Unterseite verlangsamt. An der Unterseite entsteht somit ein Überdruck und
an der Oberseite ein Unterdruck. Durch dieses Druckverhältnis
werden Auftriebskräfte wirksam und die Rotorblätter erhalten den Antrieb in
ihre Drehrichtung auch Rotordrehmoment genannt. Bei diesen
auftriebsnutzenden Windkraftanlagen werden ungefähr 45% der in der Luft
enthaltenden Strömungsenergie genutzt.
Über die Rotorwelle wird eine Verbindung zwischen dem Rotor und dem
Getriebe hergestellt. Das Getriebe sorgt für die Übersetzung der
vergleichsweise geringen Rotordrehzahl auf die installierte
Nanndrehzahl des Generators.
Durch den Generator wird aus den Drehungen der Strom gewonnen, der jetzt
nur noch an Land gebracht werden muss.
Bei der Stromeinspeisung gibt es noch viele Probleme: Für die
Netzanbindung der Offshore-Winparks müsste eine Bündelung der
Kabelverbindungen zur Küste mittels einer Verbundstruktur aus Gründen des
Umweltschutzes erforderlich sein, denn nur so würde das sensible
Ökosystem Wattenmeer, das zwischen dem geplanten Offshore-Gebiet und der Küste liegt nicht beschädigt.
Die Netzkapazitäten an Land müssten ebenfalls ausgebaut werden.
Das Hochspannungsnetz in den Küstengebieten, sowie das Verbundnetz in
Norddeutschland muss die Windleistung aufnehmen und zu seinen
Endverbrauchern bringen.
Eine Alternative zur Stromeinspeisung bietet sich das Verfahren der
Windkraftanlagen, die im Offshore-Bereich stehen, können statt der
Erzeugung von elektrischem Strom entsprechende Luftspeicher füllen.
Durch die Verbindung der Luftspeicher mit den im Onshore-Bereich
platzierten Gasturbinen könnte spontan die gespeicherte Energie als
Strom erzeugt werden und in das Netz eigespeist werden.
Die Problematik der Netzanbindung der neuen Winparks würde nicht mehr
auftreten. Die Gasturbinen werden in der Nähe der bestehenden
Hochspannungsnetze, Gasleitungen und Kraftwerksstandorte platziert sein. An der Nordseeküste sind mehrer
Standorte denkbar.

4. Die Voraussetzungen für einen schnellen Einstieg ins Offshore-Geschäft sind in Deutschland besonders schlecht.

Während man vor Dänemarks Küste bereits Anfang der neunziger Jahre erste Windräder ins Wasser stellte, die Holländer, die Schweden und zuletzt die Engländer nachzogen, dreht sich in Deutschland noch kein einziges "seegestütztes" Windrad. Hier ist man der Entwicklung weit hinterher. Und ob der Rückstand aufzuholen sein wird, ist unsicher. Denn hierzulande warten auf die Bauherren von Offshore-Windparks Schwierigkeiten, die ihre ausländischen Wettbewerber nur erahnen können.

Denn Umwelt- und Naturschützer stemmen sich vehement gegen den Bau von "Meer-Windrädern". Sie fürchten, daß Schweinswale und Seehunde aus ihren angestammten Revieren vertrieben und Zugvögel auf dem Weg zwischen Winterund Sommerquartieren von den Windflügeln in die Mangel genommen werden könnten. Welche Auswirkungen auf die Tierwelt zu erwarten sind, weiß derzeit niemand genau. Das zweite große Hindernis ist der Bürokratie-Dschungel. Bis zu einem Dutzend Ämter und Behörden muß sein Plazet geben, bevor der auf See geerntete Windstrom durch oberarmdicke Kabel erst am Meeresboden entlang, dann durchs Wattenmeer und zuletzt durch den Deich bis zum nächsten Knotenpunkt mit dem Verbundnetz geführt werden kann. Und da die Offshore-Windparks nicht innerhalb der küstennahen Zwölf-Seemeilen-Zone und damit im Geltungsbereich der Landesbaugesetze errichtet werden sollen, müssen sie von dem für den "Außenbereich" zuständigen Bundesamt für Seeschiffahrt und Hydrographie (BSH) genehmigt werden.

Das macht das Prozedere nicht einfacher. Denn dieses Amt prüft nur, ob die Anlagen die Sicherheit des Schiffsverkehrs beeinträchtigen und die Meeresumwelt gefährden, sagt aber nur wenig zur Standsicherheit der Anlagen. Damit sind die möglichen Betreiber gezwungen, sich für die Prüfung der Statik unabhängiger Gutachter wie dem Germanischen Lloyd und Det Norske Veritas zu bedienen. Erst wenn diese Fachleute dem Projekt ihren Stempel geben, besteht die Chance, für die millionenschweren Investionen einen Versicherer zu finden. Ein durchaus entscheidender Punkt, denn sonst wird keine Bank einen Kredit geben.

Problem Gründung

Neben diesen eher "weichen" Faktoren einer stimmigen Finanzierung und eines akzeptierten Naturschutzkonzepts gibt es eine entscheidende technische Herausforderung bei der Realisierung deutscher Offshore-Parks: die Gründung der Windräder. Wie kann man die einschließlich der Flügel bis zu 160 Meter (Kölner Dom: 157 Meter) aus dem Meer ragenden Windmühlen so verankern, daß sie weder von 20 Meter hohen Wellen (Nordsee) noch von Packeis (Ostsee) aus dem Gleichgewicht gebracht werden? Dabei sind Lösungen gefragt, die sowohl diesen Belastungen widerstehen als auch mindestens 20 Jahre zuverlässig ihren Dienst tun.

Es gibt eine ganze Reihe unterschiedlicher technischer Konzepte, von denen bisher jedoch nur einige wenige Schwerlastfundamente und vor allem sogenannte Monopiles realisiert wurden, in den Boden gerammte Stahlrohre, auf die man die Windräder aufsetzt. Doch die Erfahrungen damit können nur bedingt auf deutsche Verhältnisse übertragen werden. Denn während skandinavische Offshore-Windräder meist im küstennahen Flachwasser stehen, werden die geplanten deutschen Anlagen in Tiefen von mindestens 30 Meter und zudem weit vor der Küste aufgestellt.

Am weitesten gediehen sind die Vorarbeiten am Bürgerwindpark Butendiek, rund 34 Kilometer westlich von Sylt, wo vom Jahr 2006 an 80 Drei-Megawatt-Anlagen laufen sollen. Für Arbeiten auf hoher See muss eine Hubinsel angeschafft werden. Auf der am Meeresboden abgestellten mobilen Arbeitsbühne wird ein kräftiger Kran montiert, mit dem die durch eingebaute Schotten schwimmfähig gemachten, 52 Meter langen Monopiles aus dem Wasser in eine "Justiervorrichtung" gehoben werden. Sind die unten 5,5 und oben 4,2 Meter starken Rohre exakt vertikal ausgerichtet, bekommen sie einen sogenannten Rammbären aufgesetzt. Das ist ein hydraulischer Hammer, der mit der Kraft von 1200 Kilonewton (entspricht dem niedersausenden Gewicht von 120 Tonnen) das 350 Tonnen schwere Rohr 30 Meter tief in den Boden schlägt. Diese Prozedur soll in nur vier Stunden zu schaffen sein, vorausgesetzt, man trifft keinen Findling. Der müßte in das Rohr hineingezogen und schlimmstenfalls hydraulisch gesprengt werden.

Mit diesen "einbeinigen" Fundamenten glaubt man Windräder mit Leistungen bis zu drei Megawatt aufstellen zu können. Für deren sicheren Betrieb entscheidend sind letztlich die durch Wellen und Wind ausgelösten horizontalen Auslenkungen im Bereich der Gondel, in der Getriebe und Generator untergebracht sind. Wie stark das "Krafthaus" eines Offshore-Windrads pendeln darf, ist nur schwer in Erfahrung zu bringen. Zu dieser Frage halten sich die Hersteller bedeckt. Aufgrund des längeren Pendelarms im Vergleich zu Onshore-Anlagen wird man mit größeren Bewegungen - seitlichen Auslenkungen von bis zu 1,5 Meter - rechnen können. Doch hofft man mit neu entwickelten, in sich verschiebbaren Lagern diese Herausforderung in den Griff zu bekommen.
Starke Strömungen
Noch zwei weitere Gefahren drohen den Fundamenten der Offshore-Windrädern: Speziell in der Nordsee mit ihren zum Teil starken Strömungen können sie freigeschwemmt werden, sie drohen "auszukolken". Um das zu verhindern, wird der Meeresboden um die Monopiles herum mit Steinen und Geröll beschwert, die sich nicht so leicht wie Sand wegspülen lassen. Doch nur wenn dieser Kolkschutz regelmäßig von Tauchern kontrolliert wird, kann man sicher sein, daß er seine Aufgabe erfüllt. Das zweite Problem sind Schiffe. Dabei gilt die Regel, daß ein Windrad den Aufprall eines kleineren Versorgungsboots ohne Schaden überstehen muß. Ganz anders sieht es beim Zusammenstoß mit einem Frachter oder einem großen Passagierschiff aus: In diesem Fall muß das Windrad weichen. Seine Struktur muß so ausgelegt sein, daß es die Aufprallenergie schluckt und das Schiff auf jeden Fall schwimmfähig bleibt.

"Schwimmend", im Gegensatz zu den heute am Meeresboden festgegründeten Standardlösungen, sollen die Windräder des geplanten Windparks "Ventotec Ost 2", 35 Kilometer nordöstlich von Rügen, gelagert werden. Daß sie sich damit zu Außenseitern in der Szene machen, scheint die Entwickler dieses bisher lediglich im Modellmaßstab 1:40 getesteten Konzepts nicht zu stören. Denn wie Michael Neumann von der in Freiberg bei Dresden ansässigen Ingenieurgesellschaft Arcadis hervorhebt, haben die im Wellenkanal in Dänemark und in der Hamburger Eisversuchsanstalt gemachten Tests das Konzept voll bestätigt. Doch wie diese "schwimmende Gründung" konkret aussieht, wollte er nicht sagen. Nur soviel: Bei dem das Windrad tragenden Schwimmkörper handele es sich weder um einen klassischen Ponton noch um eine überdimensionale Boje. "Intelligente Einbauten", erklärt Neumann, verhinderten, daß das Windrad auch bei starkem Wellengang unerlaubt stark hin und her pendele.

Die schwimmende Gründung sei deutlich billiger als bisherige Lösungen, heißt es. Das gelte vor allem bei Wassertiefen von mehr als 25 Meter. Zudem handele es sich um ein typengeprüftes Fundament, das den Genehmigungsprozeß deutlich vereinfache. Sollten Reparaturen am Windrad notwendig werden, könne es selbst bei drei Meter hohen Wellen in den nächsten Hafen geschleppt werden. Zuvor muß es von den am Meeresboden liegenden Schwergewichtsankern gelöst werden, über die es mittels eines speziellen Zugsystems gehalten wird. Am ersten schwimmenden Windrad (mit einer Leistung von zwei Megawatt) wird zur Zeit gearbeitet. Im März 2005 soll es bei Klütz, rund vier Kilometer vor der Küste von Mecklenburg-Vorpommern, den Probebetrieb aufnehmen.