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Wissen & Umwelt

Schwimmende Windräder

Offshore-Windräder lassen sich bisher nur in flachem Wasser errichten. Ingenieure tüfteln jetzt an neuen Möglichkeiten, zum Beispiel an Stehauf-Windrädern, die im Meer treiben, ohne umzukippen.

Ein Windrad mitten auf dem Meer aufzubauen, ist teuer und aufwändig: Der Turm muss in den Meeresgrund gerammt werden, damit die Anlage stabil steht und Wind und Wellen trotzen kann. Da das nur bis zu einer Wassertiefe von 50 Metern zu vertretbaren Preisen möglich ist, werden Offshore-Windparks nur in flachen Gewässern errichtet.

Anders bei einer neuen Generation: schwimmenden Windrädern, die auf Schwimmkörper, Pontons genannt, montiert werden. Sie werden durch Stahlseile gehalten und können auch in tiefen Gewässern operieren. Erste Prototypen gibt es bereits. Doch die Konstrukteure sehen sich noch manchem Problem gegenüber.

Stehauf-Windräder und Kraftwerksinseln

Funktionsprinzip von Hywind Foto: Statoil

Funktionsprinzip von "Hywind": unten schwerer Beton und Halteseile bis zum Meeresgrund

Der fortgeschrittenste Prototyp treibt seit 2009 vor Norwegen: „Hywind“, eine Art Riesen-Boje von flaschenähnlicher Form. Oben ragt als Flaschenhals der Turm mitsamt Rotor heraus. Der Flaschenkörper taucht tief ins Wasser und ist mit schwerem Beton-Ballast gefüllt. Dadurch wird die Konstruktion bei schwerer See zu einem Stehauf-Männchen - was sie vor dem Sinken bewahrt.

Eine Alternative ist vor allem die schwimmende Insel. Hier steht das Windrad auf einem großen und damit stabilen Ponton. Nach diesem Prinzip funktioniert der „Windfloat“-Prototyp, der seit 2011 vor der portugiesischen Küste dümpelt.

Die schwedische Firma Hexicon plant gar einen Ponton, der einen halben Kilometer misst und 24 Turbinen trägt - eine schwimmende Kraftwerks-Insel mit komplettem Windpark.

Gut gesichert

Damit die Anlagen nicht wegtreiben, sind sie mit Halteseilen an Betonklötzen befestigt, die auf dem Meeresgrund liegen. Machbar scheinen Tiefen bis zu 700 Metern, sonst würden die Seile zu lang.

Die Technik verspricht so einige Vorteile: „In vielen Ländern auf der Welt fallen die Küsten steil ab“, sagt Frank Sandner, Ingenieur an der Uni Stuttgart. „Hier bieten schwimmende Rotoren die einzige Möglichkeit, Windenergie auf dem Ozean zu nutzen.“

Ein weiteres Plus: Die Rotoren lassen sich an Land montieren und brauchen nur zu ihrem Einsatzort geschleppt zu werden. Teure Bauarbeiten auf hoher See sind nicht vonnöten.

Nichts fürs Seekranke

Aber die schwimmenden Windräder haben auch Nachteile: Sie schwanken im Seegang hin und her wie ein Schiff.

Im Prinzip gäbe es eine simple Lösung: Ein schwerer Containerriese liegt wesentlich stabiler im Wasser als eine leichte Segelyacht. Also müssten die Windräder möglichst schwer gebaut werden, dann würden sie bei schwerer See nur träge im Wasser dümpeln.

Nur: „Dafür müsste man extrem viel Material einsetzen“, sagt Sandner. „Und das wäre bei den derzeitigen Stahlpreisen viel zu teuer.“

Schwimmendes Windrad Windfloat Foto: Principle Power Inc.

Prototyp "Windfloat": Das Windrad steht auf einem Schwimmkörper

Deshalb suchen die Ingenieure nach anderen Lösungen. Manche tüfteln an intelligenten Pumpensystemen, die Ballastwasser von einem Tank zum anderen pumpen, um dadurch das Windrad auf wogender See zu stabilisieren. Andere planen, die Halteseile, an denen das Windrad verankert ist, sehr straff zu ziehen und damit seine Lage zu stabilisieren.

Schwanken wird das Windrad immer

Doch welche Tricks sich die Experten auch einfallen lassen - niemals werden sie es schaffen, dass die schwimmenden Rotoren still und starr auf dem Meer verharren. Sie werden stets schwanken, und zwar ordentlich.

„Im Seegang können sich die Anlagen um bis zu 15 Grad neigen“, beschreibt Andreas Heege, Direktor von LMS Samtech, einem Hersteller von Spezialsoftware mit Sitz in Barcelona. „Für solche Anforderungen sind die derzeitigen Rotoren nicht konzipiert.“

Zum einen werden die Windräder durch das Hin- und Herschwanken stärker belastet als feste Offshore-Anlagen, es steigt die Gefahr von Ermüdungsbrüchen.

Zum anderen stört das Hin- und Herschwanken auch die Stromerzeugung: Wenn die Maschine in den Wind hineinschwenkt, erfährt sie eine deutlich höhere Windstärke als einen kurzen Augenblick später, wenn sie in die andere Richtung zurückschwenkt. „Die Folge ist eine unstete Stromproduktion, die wir durch eine geschickte Regelung der Rotorblätter ausgleichen müssen", sagt Heege.

24 Windturbinen schwimmen im Meer - Animation Foto: Hexicon

Eine geplante Windkraftinsel soll 24 Turbinen tragen und einen halben Kilometer groß sein.

Klar scheint: Einfach ein normales Windrad nehmen und auf einen Ponton montieren, das dürfte kaum funktionieren. Stattdessen wird man neue, speziell angepasste Rotoren entwickeln müssen.

Auf den Preis kommt es an

Offen ist bislang, welches der beiden Grundkonzepte sich durchsetzen wird: Ballast-Taucher oder Schwimm-Ponton. „Die Prototypen laufen recht ordentlich“, meint Frank Sandner. „Bislang hat sich noch kein überlegenes Konzept herauskristallisiert.“

Die entscheidende Frage lautet: Wie lassen sich die Anlagen zuverlässig und zugleich billig bauen? Um die Anlagen rentabel zu machen, müsste man sie deutlich schlanker konstruieren, mit weniger Materialeinsatz als bisher.

Das aber droht ihre Stabilität zu mindern - für manchen Fachmann ein Drahtseilakt: „Um wirtschaftlich zu werden“, meint Andreas Heege, „werden wir an die Grenze des Machbaren gehen müssen.“

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