Das globale Potenzial für »floating« Offshore-Windenergie wird auf 14,5 GW und 1.300 Turbinen bis 2030 geschätzt. Bis dahin sind noch einige Herausforderungen zu meistern. Ein Überblick über die aktuelle Marktsituation sowie Fragen zu Technik und Betrie[ds_preview]
In der Regel weht der Wind weiter von der Küste entfernt stärker und gleichmäßiger, das macht solche Standorte im Hinblick auf die Energieausbeute attraktiv. Außerdem sind schwimmende Offshore-Windkraftanlagen in größerer Entfernung von der Küste nicht zu sehen, was die Akzeptanz erhöhen könnte. In manchen Regionen sind Tiefwasserstandorte außerdem schlicht die einzige Möglichkeit, Offshore-Windkraft zu nutzen. Ein weiterer Vorteil sei die Möglichkeit, eine schwimmende Struktur in der Zukunft verlegen zu können, erklärt Mark Goalen, Offshore Director beim britischen Engineering-Unternehmen Houlder
»Die Bewegung der schwimmenden Struktur erhöht die Komplexität der Betriebseffizienz der Windturbinengeneratoren und der Kabel, die einer Dynamik standhalten müssen, die bei festen Windanlagen nicht gegeben ist. Die Verwendung von Seilverankerungen hat Einfluss darauf, wie nahe die Turbinen zueinander positioniert werden können«, sagt der Experte.
Aktuell gibt es im Bereich der schwimmenden Windkraftanlagen nur zehn aktive Projekte mit einer Gesamtleistung von 124 MW wie aktuelle Daten vom Analysehaus Clarksons zeigen. Weitere acht Projekte mit 165 MW befinden sich im Bau. Clarksons erwartet ab Mitte der 2020er Jahre ein starkes Wachstum, wenn der Sektor die Kommerzialisierung erreicht: »Unsere Prognosen deuten darauf hin, dass bis 2030 96 Parks, 14,5 GW und 1.300 Turbinen aktiv sein könnten«, heißt es in einem aktuellen Marktbericht.
Schwimmende Anlagen bergen das Potenzial, neue Märkte zu erschließen, die bisher nicht für die Windkraftnutzung geeignet waren. Geplant sind solche Anlagen bisher vor allem in Großbritannien mit 31,1 GW, in Australien mit 13,8 GW und in den USA mit 10,7 GW. Insgesamt haben die Entwickler aktuell mehr als 150 potenzielle Projekte mit zusammen über 100 GW in 21 Ländern oder Regionen ins Auge gefasst. 37 davon haben eine nominale Kapazität von mehr als 1 GW.
Zu den führenden Entwicklern schwimmender Windkraftanlagen gehören Equinor (zwei Parks, 32 MW aktiv, ein Park / 88 MW in Entwicklung), Cobra (zwei Parks, 50 MW aktiv), Ocean Winds (ein Park, 30 MW aktiv) und Windplus (ein Park, 25 MW aktiv). Was die potenzielle Kapazität betrifft, so sind BlueFloat (8,5 GW), Hexicon (7,7 GW), Oceanex (7,4 GW), Aqua Ventus (5,1 GW) und Scottish Power (5,0 GW) führend.
»Die Offshore-Windindustrie befindet sich weiterhin in einer spannenden Wachstumsphase, und unsere langfristigen Szenarien deuten darauf hin, dass sie eine entscheidende Rolle bei der Energiewende spielen wird und bis 2050 zwischen 6 und 9 % der weltweiten Energieversorgung bereitstellen könnte«, schreibt Clarksons. Heute sind es 0,3 %.
Technik bedingt Produktionsort
Aus technischer Sicht wird interessant sein, für welche Arten von Gründungsstrukturen sich die Projektentwickler entscheiden. Es gibt verschiedene Konzepte (siehe rechts), wobei bei den bisherigen Projekten vor allem Semisubmersible-Fundamente am häufigsten anzutreffen sind – es gibt mehr als 1.200 vorgeschlagene Projekte, verglichen mit rund 350 Spar-Buoy-, Barge- und TLP-Turbinenlösungen zusammen.
Noch ist die Technik in der Entwicklung, immer wieder kommen Innovationen auf dem Markt, die vorherige Schwächen beheben, berichtet Houlder-Experte Goalen. Dabei spielen neben den technischen Eigenschaften der Strukturen im Hochseeeinsatz auch Fragen der Produktion und Wartung eine große Rolle. »Die Wahl zwischen Stahl und Beton ist eine der derzeit wichtigen technologischen Entscheidungen«, sagt er.
Für Beton seien weniger qualifizierte Arbeitskräfte und eine geringere Fertigungsinfrastruktur erforderlich. Er geht davon aus, dass die Komponenten in der Regel dort hergestellt würden, wo es bereits Anlagen gibt, und dass sie für die Montage in einen Hafen oder ein geschütztes Gewässer transportiert werden, das so nah wie möglich am Standort liegt, um die Kosten zu minimieren. Die Wassertiefe in den Häfen ist je nach Gründungsart ein Ausschlusskriterium.
Mit schwimmenden Windkraftanlagen entstehen auch neue Herausforderungen bei der Installation und Wartung im Hinblick auf die Schiffe. »Für die Installation werden nicht nur ein Hebekran oder ein schweres Konstruktionsschiff benötigt, sondern auch Schlepper, um die Anlagen aus dem Wasser zu ziehen, und Ankerziehschlepper, um sie an den Liegeplätzen zu verankern«, sagt Goalen. »Spezielle schwere Konstruktionsschiffe, die für die Wartung von schwimmenden Anlagen benötigt werden, müssen erst noch entworfen und gebaut werden.«
Das World Forum Offshore Wind (WFO) hat erst kürzlich in einem Whitepaper Wartungskonzepte analysiert. Es gibt im wesentlichen vier: Tow-to port, tow-to-shore, floating-to-floating und self-hoisting, also Anlagen mit eigenem Kran, wobei eine Barge nur zur Unterstützung benötigt wird. Es wurden Unterschiede in der Durchführbarkeit zwischen Offsite- und Onsite-Konzepten für den Austausch größerer Komponenten festgestellt, wobei Offsite-Konzepte kurzfristig als praktikabler erachtet werden.
Weitere Innovationen nötig
Bei allen vier Wartungskonzepten sind technologische Innovationen erforderlich, um größere Turbinen und größere Arrays zu bewältigen. »Es wird erwartet, dass sie die gegenwärtigen Vorstellungen über den Austausch von Hauptkomponenten völlig verändern werden«, so das WFO. Die projektspezifischen Bedingungen beeinflussen letztendlich den gewählten O&M-Ansatz für einen schwimmenden Windpark. Um den Business Case zu optimieren, wird empfohlen, Fragen des Betriebs und der Wartung schon früh während der Projektentwicklung zusammen mit finanziellen und logistischen Aspekten eines schwimmenden Windprojekts zu berücksichtigen und auch Häfen einzubeziehen. fs
Fundamente in der (Weiter-)Entwicklung
Die Entwicklung von Fundamentkonstruktionen ist dynamisch und derzeit noch von ständigen Innovationen geprägt, berichtet Mark Goalen, Director of Offshore Engineering beim Unternehmen Houlder. Gegenwärtig gebe es etwa 50 bis 60 verschiedene Entwürfe in verschiedenen Stadien der Marktreife. Sie lassen sich in der Regel in in vier Haupttechnologien einteilen, erklärt er:
Spar Buoy
Diese Fundamente sind aufgrund ihres großen Tiefgangs und des Ballasts, der für einen niedrigen Schwerpunkt sorgt, sehr stabil. Sie werden für Hywind Scotland und Tampen verwendet und erfordern Tiefwasserhäfen für die Herstellung und Wartung (wenn sie an Land geschleppt werden). Sie werden konventionell mit frei hängenden Festmacherleinen am Meeresgrund verankert.
Tension Leg Platform (TLP)
Diese Fundamente sind weniger stabil als die anderen Optionen, bis sie verankert sind, und sie scheinen aufgrund einiger Schwierigkeiten, die bei Tests aufgetreten sind, weniger beliebt zu sein. Ihr größter Vorteil besteht darin, dass die gespannten Verankerungsleinen die Länge der Leinen, die für tiefe Wasserstellen benötigt werden, erheblich reduzieren. Jüngste Entwicklungen deuten darauf hin, dass TLP durchaus Potenzial haben, wenn einige der Probleme beim Transport und der Installation überwunden werden.
Halbtaucherplattform
Hierbei handelt es sich in der Regel um schwimmende Strukturen mit drei Beinen. Sie werden wahrscheinlich für die meisten Standorte als erste Wahl angesehen, da am Herstellungsort nur relativ flaches Wasser erforderlich ist und sie während der Installation, des Betriebs und der Wartung stabil sind. Ihr größter Nachteil ist, dass die Hebe- und Stampfbewegungen nur schwer einzudämmen sind und große Belastungsspitzen in den Verankerungsleinen verursachen können.
Barge
Es werden quadratische Pontonstrukturen entwickelt, die ein Dämpfungsbecken enthalten, um die Bewegungen des Fundaments zu reduzieren und auszubalancieren. Das ist ein cleveres Konzept, und da sie aus Beton oder Stahl hergestellt werden können, könnten sie für einige Produktionsstandorte von Vorteil sein.
Welche Technologie sich durchsetzen könnte, mag Goalen noch nicht prognostizieren. »Die Vor- und Nachteile variieren von Entwurf zu Entwurf, und da mehrere Anbieter verschiedene Modelle für jeden der vier Hauptstrukturtypen entwickeln, ist eine unabhängige Beratung von zentraler Bedeutung für eine fundierte Entscheidungsfindung zur Optimierung der Projektkosten und Minimierung der Risiken.«
Es gebe nicht ein einziges definitives Fundament, vielmehr müsse jeder Standort bewertet werden, um den für die Umweltbedingungen am besten geeigneten Fundamenttyp zu ermitteln, aber auch die praktischen Gegebenheiten und die Logistik im Zusammenhang mit der Herstellung, Montage und den O+M-Aktivitäten zu berücksichtigen. »Die bevorzugten Konstruktionen werden den Materialbedarf für eine bestimmte erzeugte Energieeinheit minimieren, und die Geschwindigkeit der Herstellung und die einfache Installation werden entscheidend sein«, meint Goalen.
Abstract: Floating wind on the rise
The global potential for floating offshore wind power is estimated at 14.5 GW and 1,300 turbines by 2030. There are still some challenges to be mastered when it comes to technology and the production of foundations. Maintenance might require new ship types.
