Windkraftanlagen

Was Windkraftanlagen aushalten müssen

Bei der Planung von Windkraftanlagen müssen unter anderem Belastungen durch Meereswellen berücksichtigt werden. Wissenschaftler der Universität Bremen zeigen, wie sich solche Belastungen gut vorhersagen lassen.
08.09.2020, 12:20
Lesedauer: 4 Min
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Was Windkraftanlagen aushalten müssen
Von Jürgen Wendler

Ende des Jahres 2000 standen auf deutschen Landflächen nach Angaben des Bundesverbandes Windenergie 9359 Windkraftanlagen; Ende 2010 waren es 21 607 und Ende vergangenen Jahres 29 456. Der Anteil der Windkraft an der Stromerzeugung lag hierzulande im Jahr 2000 bei 1,6 Prozent; 2019 betrug er 21,1 Prozent. Zur Steigerung haben auch die zahlreichen Anlagen beigetragen, die während des vergangenen Jahrzehnts im Gebiet von Nord- und Ostsee in Betrieb genommen worden sind. Die Anzahl der Offshore-Windenergieanlagen mit Netzanschluss belief sich Ende 2019 auf 1469. Fachleute gehen davon aus, dass Windparks vor der Küste weiter an Bedeutung gewinnen werden. Vor diesem Hintergrund haben sich Forscher unter anderem mit der Frage befasst, wann die Nutzung der Windenergie in der Deutschen Bucht an physikalische Grenzen stoßen könnte. Ingenieurwissenschaftler der Universität Bremen wiederum haben einen Beitrag geleistet, um die Planung von Windkraftanlagen mit Blick auf mögliche Belastungen durch hohe Wellen zu erleichtern.

Die Kraft von Wind und Wellen

Über der Nordsee weht der Wind in der Regel mit höheren Geschwindigkeiten als über dem Land. Dies erleichtert einerseits die Erzeugung von elektrischem Strom, heißt andererseits aber auch, dass die Anlagen großen Kräften ausgesetzt sind. Wie Andreas Haselsteiner vom Institut für integrierte Produktentwicklung der Universität Bremen erklärt, wirken außer diesen Kräften auch die Kräfte von Meereswellen auf die Anlagen ein. In den nächsten Jahren sollen nach den Worten des Experten Anlagen mit einem Rotordurchmesser von mehr als 200 Metern produziert werden. Schon jetzt würden Anlagen mit Rotordurchmessern von bis zu 180 Metern installiert; deren Nabe befinde sich in mehr als 100 Metern Höhe. Laut Haselsteiner ist es üblich, als Fundament für Windenergieanlagen Stahlrohre zu verwenden, die in den Meeresgrund gerammt werden. Darauf komme ein Übergangsstück, mit dem der Turm der Anlage verschraubt werde.

Um solche Anlagen so auslegen zu können, dass sie den Belastungen durch Wellen standhalten, müssen Fachleute eine Vorstellung davon gewinnen, mit welchen Wellenhöhen zu rechnen ist. Dabei hilft ihnen die Statistik. Haselsteiner hat gemeinsam mit dem Bremer Professor Klaus-Dieter Thoben im Fachjournal „Renewable Energy“ ein Verfahren vorgestellt, mit dem sich das Auftreten extrem hoher Wellen besser abschätzen lässt als bislang. Sie denken dabei an einen Seegang, für den hohe Wellen von etwa zehn bis zwölf Metern typisch sind. Einzelne Wellen können allerdings noch deutlich höher sein. Welche Extremwellen selbst in der Nordsee auftreten können, zeigt das Beispiel der sogenannten Draupner-Welle. Sie wurde 1995 an der Draupner-Ölplattform vor der norwegischen Küste registriert und hatte eine Höhe von etwa 26 Metern.

Grundlagen für Vorhersagen

Vorhersagen möglicher Belastungen durch den Seegang beruhen auf Messungen, bei denen in der Vergangenheit die Höhe von Wellen ermittelt wurde, sowie auf Computersimulationen, für die solche und andere Messdaten – etwa zu Windverhältnissen – eine Grundlage liefern. Warum diese allein aber nicht ausreicht, erläutert Haselsteiner so: Vorstellbar sei zum Beispiel, dass Messbojen für ein bestimmtes Seegebiet Daten aus einem Zeitraum von zehn Jahren lieferten. Manche besonders hohen Wellen träten jedoch seltener auf. Um auch solche Extremwellen vorhersagen zu können, bleibe nur die Möglichkeit, etwas über die statistische Verteilung in Erfahrung zu bringen. Mit anderen Worten: Die Fachleute bedienen sich mathematischer Verfahren. Ein solches Verfahren ist vielen Menschen in Gestalt der sogenannten Glockenkurve des Mathematikers Carl Friedrich Gauß (1777 bis 1855) bekannt, die auf den früher genutzten Zehn-Mark-Scheinen abgebildet ist. An ihr lässt sich ablesen, wie sich die Ergebnisse vom Zufall gesteuerter Experimente normalerweise verteilen.

Wie Haselsteiner erklärt, haben er und Thoben bei ihren Untersuchungen festgestellt, dass Extremwellen bei der herkömmlichen Berechnungsweise unterschätzt werden. Die Grundlage für ihre Arbeit lieferten Daten von Messbojen im westlichen Atlantik vor den USA sowie von Klimasimulationen für Gebiete vor der deutschen, englischen und norwegischen Küste. Die Bremer Ingenieurwissenschaftler passten darauf beruhende Modelle zur Verteilung der Wellenhöhen nach und nach an und fanden eine statistische Methode, die ein realistischeres Bild von der Verteilung und bessere Vorhersagen ermöglicht. Von Nutzen ist das neue Verfahren nach ihren Angaben nicht nur für Windkraftanlagen, sondern auch für den Küstenschutz sowie die Planung von Schiffen, Öl- und Gasplattformen.

Energiemenge ist begrenzt

Wie Windkraftanlagen ausgelegt sein sollten, ist eine Frage – wo sie am besten aufgestellt werden, eine andere. Bei Letzterer geht es auch um die physikalischen Grenzen der Windenergienutzung. Damit hat sich in den vergangenen Jahren eingehend der Physiker Axel Kleidon vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena befasst. Ob Kraftwerk, Automotor oder Solarzelle: Die zugeführte Energie lässt sich niemals vollständig in die gewünschte Energieform umwandeln. Beim Betrieb von Verbrennungsmotoren in Autos – um ein Beispiel zu nennen – entweicht zwangsläufig ein Teil der eingesetzten Energie als Wärme. Fachleute drücken es so aus: Der Wirkungsgrad kann niemals 100 Prozent erreichen. Dies gilt auch für Energieumwandlungen im System Erde.

Wind entsteht, weil die Sonne nicht alle Bereiche des Planeten gleichmäßig erwärmt. Die Folge sind Luftdruckunterschiede, die zu Luftbewegungen führen. Die Leistung, die nötig ist, um weltweit die Winde anzutreiben, hat Kleidon auf 1000 Billionen Watt beziffert. Ein großer Teil der Energie wird nach seinen Worten aufgrund der Reibung am Boden in Wärme umgewandelt. Beim Einsatz von Windkraftanlagen entstünden Verluste, weil jede Turbine dem Wind Energie entziehe. Das heißt: Um die Windenergie bestmöglich zu nutzen, muss überlegt werden, wo und in welchem Abstand wie viele Anlagen aufgestellt werden sollten.

Forschergruppen um Kleidon und Jake Badger von der Technischen Universität Dänemark haben vor einigen Monaten Untersuchungsergebnisse veröffentlicht, die zeigen, dass eine wachsende Zahl von Windparks in der Deutschen Bucht zu schwächer werdenden Winden führt – mit der Folge, dass der durchschnittliche Wirkungsgrad der Anlagen sinkt. Vor diesem Hintergrund ist der Abstand zwischen den Windkraftanlagen für eine effiziente Erzeugung von elektrischem Strom nach Darstellung der Experten von besonders großer Bedeutung. Die physikalischen Grenzen der Ressourcennutzung seien noch längst nicht erreicht. Beide Gruppen schätzen auf der Grundlage ihrer Berechnungen verschiedener Szenarien, dass mithilfe von Windkraftanlagen in der Deutschen Bucht bis zur Hälfte des derzeitigen deutschen Strombedarfs gedeckt werden könnte.

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