Wie Windräder schwimmen lernen

Von Daniel Hautmann

Schwimmende Windräder haben enormes Potenzial. Laut der Internationalen Energieagentur IEA kann Offshore-Wind den Weltenergiebedarf 18-fach decken. Voraussetzung: Man geht mit den Windparks bis weit hinaus aufs Meer – und weit hinaus bedeutet schwimmende Windräder, weil die Meere in den meisten Regionen zu tief sind für Fundamente, die auf dem Meeresgrund stehen.

Das Potenzial erkennen immer mehr Unternehmen. Dem Branchendienst Quest Floating Wind Energy zufolge existieren weltweit Planungen für bis 174 Projekte mit einer Gesamtleistung von 93 Gigawatt. Zum Vergleich: Heute stehen in den Weltmeeren Windparks mit zusammen 63 Gigawatt. Mit 170 Megawatt entfällt davon bislang zwar nur ein Bruchteil auf schwimmende Windräder. Doch das dürfte sich ändern. Alle Prognosen gehen von einem rasanten Wachstum aus. Das Global Wind Energy Council (GWEC) etwa erwartet, dass allein 2032 Floating-Parks mit mehr als acht Gigawatt ans Netz gehen.

„Auch wenn Floating Wind noch einige Hürden vor sich hat, ist die Industrie in den letzten Jahren sehr stark gewachsen und spielt weltweit eine wichtige Rolle zur Erreichung der Klimaziele“, sagt Mareike Leimeister, Spezialistin für Floating-Wind am Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES, im Gespräch mit EnergieWinde.

„Es entwickelt sich“, sagt auch Kimon Argyriadis, Floating-Experte bei der Risikomanagement- und Assurancegesellschaft DNV. Laut einer Studie seines Hauses könnte die Floating-Kapazität in den nächsten 30 Jahren weltweit auf rund 260 Gigawatt steigen. Dafür seien etwa 20.000 Turbinen und genauso viele Fundamente nötig, jedes mehr als 5000 Tonnen schwer.

Viel Konjunktiv. Tatsächlich muss noch einiges passieren, bis der Ausbau im großen Stil losgehen kann. Die größten Hindernisse:

• Infrastruktur: Die bestehenden Fabriken und Häfen reichen nicht aus, um die riesigen Schwimmkörper zu bauen. „Jedes Schwimmfundament ist ein mittelgroßes Schiff“, sagt Argyriadis im EnergieWinde-Gespräch. Prototypen könnten überall gebaut werden, aber es sei eine andere Herausforderung, Hunderte von ihnen zu produzieren.
• Investitionskosten: Parks mit einer Leistung von einem Gigawatt kosten laut DNV mehr als fünf Milliarden Euro. Daher seien nur große Energieunternehmen in der Lage, solche Projekte umzusetzen.
• Verankerungsleinen und -ketten: Der Materialbedarf, um die Windräder an ihrem Bestimmungsort festzuhalten, ist gigantisch. Geht man von 260 Gigawatt aus, würden die Ketten zusammengenommen fast zweimal um die Welt reichen, so der Experte.
• Stromkabel: „Die Industrie, die solche Massen produzieren kann, gibt es noch gar nicht“, sagt Argyriadis.

Doch all diese Punkte seien lösbar, zeigt sich nicht nur Argyriadis optimistisch. Auch Windkraftexperte Po Wen Cheng von der Universität Stuttgart, sieht enorme Fortschritte. Auf dem Markt existiert eine solche Vielzahl technologischer Lösungen, dass er schon gar nicht mehr mitzählt. „Durch den steigenden Druck zu einer schnellen Industrialisierung kristallisieren sich allmählich die ernstzunehmenden Konzepte heraus.“

Nun komme es drauf an, wer als erster einen großen Park mit 200 Megawatt oder mehr realisiere: „Derjenige sichert sich den First-Mover-Vorteil.“ Je schneller man hohe Stückzahlen erreiche, desto besser stünden die Chancen und desto schneller fielen die Preise.

Einen Beitrag zur Kostensenkung hat auch die EU geleistet, heißt es bei WindEurope. Im Rahmen des Projekts Corewind wurde der Entwurf von zwei schwimmenden Strukturen für eine 15-Megawatt-Turbine optimiert. Zudem wurden Lösungen für Kabel und Verankerungssysteme getestet und verbesserte Möglichkeiten für Transport, Installation und Betrieb ermittelt. Das Projekt trug dazu bei, die Stromerzeugungskosten für Floating-Wind um bis zu 18 Prozent zu senken, was im besten Fall 58,80 Euro pro Megawattstunde entspreche.

Damit wäre Strom aus Floating-Windparks unter Umständen sogar günstiger als der aus fest im Meeresboden verankerten Parks. Dort liegen die Kosten in Deutschland laut der Hans-Böckler-Stiftung derzeit im besten Fall bei 63 Euro.

Von Norwegen bis Kalifornien: die wichtigsten Floating-Wind-Konzepte im Detail

Auf der technologischen Seite dominieren heute drei Konzepte den Floating-Wind-Markt: bojenförmige Schwimmkörper, Halbtaucher-Plattformen aus Beton oder Stahl und sogenannte Tension-Leg-Plattformen.

Am weitesten entwickelt ist sicherlich die Spar-Boje des norwegischen Energiekonzerns Equinor. Spar-Bojen sind gigantische Stahlröhren, die senkrecht im Wasser stehen wie der Schwimmer beim Angeln, 90 Meter lang, Tausende Tonnen schwer. Auf solchen Spar-Bojen hat Equinor bereits einen Windpark mit fünf Turbinen vor Schottland errichtet und einen mit elf Anlagen vor Norwegen.

„Mit dem Projekt Hywind Tampen etwa haben die Norweger gezeigt, dass es möglich ist, in größerer Stückzahl zu bauen und die Kosten zu senken“, sagt Po Wen Cheng. Allerdings gebe es neben Norwegen nicht viele Orte auf der Welt, für die sich die Technologie eigne. Nötig seien eine Wassertiefe von rund 200 Metern und ein vor Wellen geschützter Fjord.

Das hat auch Equinor erkannt und mittlerweile eine Halbtaucher-Plattform entwickelt, die das Unternehmen Wind Semi nennt. „Das ist der Designtyp, der sich durchsetzen wird“, sagt DNV-Analyst Argyriadis.

Den Designtyp des Halbtauchers, englisch Semi Submersible genannt, nutzt auch das kalifornische Unternehmen Principle Power. Deren Schwimmkörper ist ein gigantisches Stahldreieck. Die Schenkel sind 70 bis 90 Meter lang und je nach Turbinengröße bis zu 30 Meter hoch. Der Halbtaucher namens WindFloat wird mittlerweile in der vierten Generation produziert und existiert in zwei Ausführungen: röhrenförmig und aus Flachstahl.

Die erste Demoanlage hat Principle Power 2011 vor Portugal errichtet. 2016 kam ein Park mit drei Anlagen hinzu, 2021 ein weiterer mit fünf: Kincardine in Schottland, der derzeit größte schwimmende Windpark der Welt. Nach Unternehmensangaben sind 75 Megawatt im Betrieb, 30 weitere im Bau. „Die Technologie ist robust und hat bewiesen, dass sie den extremsten Meeresbedingungen standhält, einschließlich einer Rekordwellenhöhe von 20 Metern – während des jüngsten Sturms Ciarán vor der Küste Portugals und Windgeschwindigkeiten von bis 214 km/h vor der Küste Schottlands“, erklärt Aaron Smith, Kaufmännischer Leiter bei Principle Power, gegenüber EnergieWinde.

Unabhängige Fachleute bescheinigen den Amerikanern Potenzial. „Die haben gezeigt, was sie können und optimieren jetzt weiter“, sagt Kimon Argyriadis. Laut Quest Floating Wind Energy sind weltweit mehr als 30 Projekte mit der Technologie geplant. Entsprechend ambitioniert gibt sich Principle Power: „Vor Kurzem haben wir unser 300x30-Industrialisierungsprogramm veröffentlicht, das unseren Fahrplan für die Lieferung von 300 schwimmenden Windkraftanlagen mit einer Gesamtleistung von etwa vier bis fünf Gigawatt bis 2030 skizziert“, sagt Smith.

Floating-Wind à la française: der Damping Pool von BW-Ideol

Einen weiteren Halbtaucher hat das französische Unternehmen BW-Ideol entwickelt. Damit das Windrad möglichst wenig auf den Wellen schaukelt, gibt es im Innern des Betonschwimmkörpers einen dämpfenden Pool (Damping Pool). Er nutzt einen hydrodynamischen Effekt: Ist der Rahmen in genau der richtigen Größe konzipiert, hebt und senkt sich das Wasser im Innern im gegenläufigen Takt der Wellen. Der Pool ermögliche es zudem, kompakt zu bauen.

Im Atlantik vor Frankreich arbeitet seit September 2018 eine zwei Megawatt starke Vestas-Anlage von BW-Ideol. Bei dem Prototypen namens Floatgen handelt es sich um einen quadratischen Körper aus Beton, der innen hohl ist. Das Windrad steht auf einer der vier Seiten. Das Konzept wird derzeit in einer stählernen Variante namens Hibiki auch in Japan getestet. Auch ganze Windparks sind geplant.

„Dieser Floater ist für effiziente Fertigung ausgelegt“, sagt Argyriadis. Die Frage, ob Stahl oder Beton zum Einsatz kommt, sei eine, die vor allem Europa und Asien trenne. Da in Asien viele Werften vorhanden seien, konzentriere man sich hier auf Stahl. In Europa hingegen sei Beton eine ernstzunehmende Alternative.

Floating-Wind im Mittelmeer: das Konzept der Tension-Leg-Plattform

Das dritte unter den derzeit dominierenden technischen Konzepten nennt sich Tension Leg Plattform, kurz TLP. Hierbei wird der Schwimmkörper von Leinen oder Ketten unter Wasser gezogen und stabilisiert sich durch den entgegenwirkenden Aufrieb. Im Windpark Grand Large Provence im Mittelmeer wurden im Herbst die ersten drei Anlagen installiert, jede 8,4 Megawatt stark.

Auch weitere Hersteller, wie Bluewater, Gicon-SOF oder der Entwurf von Windkraft-Ikone Henrik Stiesdal setzen auf TLP. „Mit Tension-Leg-Plattformen konnten bisher erst wenige Erfahrungen gesammelt werden, aber diesem Konzept wird eine hohe Zukunftschance zugerechnet“, sagt Mareike Leimeister vom Fraunhofer IWES.

Und dann sind da noch ganz neue Konzepte wie etwa TwinWind, Hexicon, X1 Wind, Nezzy, Demo Sath oder Eolink, um nur einige zu nennen. Sie sehen mitunter ungewöhnlich aus, teils tragen sie mehrere Turbinen, sind gewunden wie Korkenzieher oder rotieren gegenläufig. Manche sind bereits in der Full-Scale-Erprobung oder kurz davor.

Interessant könnten auch Vertikalachser wie Seatwirl oder World Wide Wind werden. All diese Maschinen müssen sich allerdings noch beweisen. Teils sind diese Entwürfe und Prototypen sogar mit eigener Windturbinenentwicklung konzipiert, was es noch komplexer mache, sagt Argyriadis: „Das hat eine gewisse Komplexität. Aber an den Lösungen wird intensiv gearbeitet und Überraschungen sind immer möglich!“