Schwimmender Offshore-Wind ist vielversprechend für die Vertikale

Jul 25, 2023

Vertikalachsen-Windkraftanlagen (VAWTs), die lange Zeit an den Rand der Windindustrie gedrängt wurden, könnten auf schwimmenden Plattformen neues Leben erhalten.

Das schwedische Unternehmen SeaTwirl hat kürzlich mit seinem schwimmenden Offshore-VAWT-Design für Aufsehen gesorgt. Diese Woche gab es unter anderem bekannt, dass es sich ein Patent in China gesichert hat, das in wenigen Jahren zum weltweit größten Offshore-Windmarkt werden dürfte.

Das Patent, das laut SeaTwirl kürzlich auch in den USA genehmigt wurde, betrifft ein Design, das es ermöglichen würde, den Generator und das Lagergehäuse direkt über der Wasseroberfläche per Boot auszutauschen, was die Kosten für Installation und Wartung senkt und Ausfallzeiten minimiert.

Die meisten empfindlichen Geräte in Standard-Offshore-Windkraftanlagen mit horizontaler Achse befinden sich hoch über dem Wasser, was Reparaturen schwieriger und gefährlicher macht.

Letzten Monat gab SeaTwirl bekannt, dass es die Unterstützung des Offshore-Logistikunternehmens NorSea und der belgischen Colruyt Group für ein 70-Millionen-SEK-Projekt (7 Millionen US-Dollar) zum Bau eines 1-Megawatt-Prototyps seines schwimmenden VAWT gewonnen hat. Es sei geplant, den S2-Prototyp im Jahr 2020 zu bauen, höchstwahrscheinlich in Norwegen, sagte Gabriel Strängberg, CEO von SeaTwirl, gegenüber GTM.

Die Flut an Ankündigungen von SeaTwirl erfolgt, nachdem Untersuchungen des US-amerikanischen Sandia National Laboratories im letzten Jahr ergaben, dass VAWTs ein erhebliches Potenzial zur Senkung der Kosten für Offshore-Windenergie auf schwimmenden Plattformen haben könnten.

Die auf fünf Jahre angelegte, 4,1 Millionen US-Dollar teure Studie kam zu dem Schluss, dass VAWTs möglicherweise die Kosten für schwimmende Offshore-Windkraftanlagen sowie deren Installation und Wartung senken könnten, da keine Getriebe, Hochgeschwindigkeitswellen, Giersysteme und Gondeln erforderlich sind, die allesamt fehleranfällig sind.

Der Hauptvorteil von VAWTs im Vergleich zu Horizontalachsen-Windkraftanlagen (HAWTs) im Offshore-Kontext besteht jedoch darin, dass sie möglicherweise mit günstigeren schwimmenden Plattformen arbeiten könnten.

„Bei schwimmenden Offshore-Windenergieanlagen leistet die Plattform den größten Einzelbeitrag zu den Stromgestehungskosten“, sagte Forschungsleiter Dr. Brandon Ennis von Sandias Abteilung für Windenergietechnologien gegenüber GTM.

„Wenn Sie einen etwas teureren Rotor haben, aber die Plattformkosten erheblich senken, könnte das ein Systemvorteil sein.“

Auch wenn die schwimmende Offshore-Windenergie noch in den Kinderschuhen steckt, wird erwartet, dass sie in den 2020er Jahren auf dem Vormarsch sein wird, da ihre Kosten sinken und viele der besten Standorte für Offshore-Windparks in flacheren Gewässern ausgeschöpft sind.

Eine große Herausforderung für HAWTs auf schwimmenden Plattformen besteht darin, dass viele der schwereren Komponenten der Turbine, wie etwa der Antriebsstrang und der Generator, hoch über dem Wasser liegen.

Dadurch entsteht ein großes Kippmoment, das die schwimmende Plattform stabilisieren muss, meist durch zusätzliche Masse zur Unterkonstruktion. Bei VAWTs wie dem in Sandia untersuchten Darrieus-Design würden die schweren Komponenten alle an der Basis der Turbine sitzen.

Dies würde nicht nur zu seiner Stabilität beitragen, sondern auch die Durchführung von Wartungs- und Reparaturarbeiten einfacher und kostengünstiger machen.

Ein weiterer Vorteil von VAWTs besteht darin, dass sie im Gegensatz zu HAWTs unempfindlich gegenüber Winddrehungen sind, bei denen der Wind seine Richtung mit der Höhe ändert.

Schließlich könnten VAWTs laut Quest Floating Wind Energy, einem spezialisierten Analyseunternehmen, dazu beitragen, Nachlaufeffekte zu überwinden, die mit HAWT-basierten Windparks verbunden sind.

„Die Branche strebt nach immer größeren Turbinen“, sagte Erik Rijkers, Direktor für Marktentwicklung und Strategie bei Quest. „Die 12-Megawatt-Turbine von GE hat eine Spannweite von 220 Metern. Das bedeutet, dass die Floater etwa 1,5 Kilometer voneinander entfernt sein müssen, was zu hohen Verkabelungskosten führt.“

Im Gegensatz dazu, so sagte er, deuten Studien in Frankreich darauf hin, dass zwei VAWTs, die auf einem einzigen Floater platziert sind, tatsächlich die Leistung des anderen verbessern würden, was den Verkabelungsbedarf verringert und die Technologie zu einer guten Wahl für beengte Umgebungen wie in Seen macht.

Entscheidend ist auch, dass größere HAWTs die Arbeit an schwimmenden Fundamenten immer schwieriger machen, während bei VAWTs eine Vergrößerung der Leistung und Kosteneffizienz verbessert werden könnte. „Offshore erreicht man eine höhere Effizienz beim Upscaling“, sagte Ennis.

Sandia berechnete, dass die Energiekosten für ein VAWT auf einer schwimmenden Plattform langfristig auf 110 US-Dollar pro Megawattstunde sinken könnten, obwohl das Forschungsinstitut keinen vergleichbaren Vergleich mit HAWTs durchgeführt hat.

Laut einer Studie aus dem Jahr 2017 liegen die Stromgestehungskosten für schwimmende Offshore-Windenergie mit der aktuellen HAWT-Technologie bei etwa 180 US-Dollar pro Megawattstunde und aufwärts.

Die steigende Kostenwettbewerbsfähigkeit von VAWTs bei größeren Größen scheint ein wichtiges Verkaufsargument für die Technologie zu sein, aber Ennis räumte ein, dass sie in der Praxis ein Stolperstein sein könnte.

Im Kleinmaßstab haben VAWTs in der Vergangenheit nicht die gleiche Leistung erbracht wie HAWTs, weshalb sie nicht für die Stromerzeugung im großen Maßstab eingesetzt werden konnten.

Das bedeutet, dass jedes Unternehmen, das VAWTs für den Offshore-Einsatz bauen möchte, Geldgeber finden muss, die bereit sind, ein erhebliches Entwicklungsrisiko auf sich zu nehmen, um groß rauszukommen.

Bruno Geschier, Vertriebs- und Marketingleiter beim schwimmenden Fundamenthersteller Ideol, steht dem Konzept weiterhin skeptisch gegenüber. „Es würde Jahrzehnte und Milliarden kosten, bis eine 12- bis 15-Megawatt-Turbine mit vertikaler Achse für den kommerziellen Einsatz bereit wäre“, sagte er.

„Horizontalachsen-Turbinen funktionieren bereits in solchen Größen und verfügen über eine Erfahrungsrendite und industrielle Fertigungskapazität, mit der niemand mithalten kann.“