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Teil I: Technologie

In Teil I werden alle Aspekte der Technologie für die Windbranche behandelt, die sich auf allen Gebieten rasch entwickelt hat. Viele Aspekte sind bereits erforscht, aber in vielen Bereichen bestehen weiterhin Lücken: in Bezug auf die Grundlagen der Meteorologie, der Aerodynamik und der Werkstoffkunde ebenso wie hinsichtlich der angewandten Forschung, z. B. für Wartungsstrategien und die Planung von Windparks und Stromversorgungsnetzen. Darüber hinaus wurde eine Reihe von Konzepten für den Entwurf von Anlagen bisher nicht getestet, die jedoch möglicherweise eine ernsthafte Berücksichtigung verdienen. Dieser Teil beschreibt die Grundlagen, den aktuellen Stand und mögliche Zukunftstrends der Windtechnologie.

Bewertung von Windressourcen

Die Verfahren zur Bewertung von Windressourcen haben sich bereits bewährt. In Kapitel I.1 wird die Bewertung von Windressourcen für große Gebiete beschrieben. Bei dieser Bewertung werden das verfügbare Potenzial einer Region sowie die besten Gebiete innerhalb dieser Region eingeschätzt. Daneben befasst sich dieser Bereich mit der Einschätzung der Windressourcen und der Energieerzeugung für einzelne Standorte. Die Genauigkeit der Schätzung zur Energieerzeugung ist für den Eigentümer wie für die das Projekt finanzierenden Organisationen von zentraler Bedeutung. Das Kapitel erläutert die lange Reihe der Faktoren, die die Energieproduktion beeinflussen können.

Abbildung S.3 European Wind Atlas, Anlagen an Land

Quelle: Garrad Hassan

In Kapitel I.2 wird außerdem die Prognostizierung abgedeckt, da dieser Bereich mittlerweile von großer Bedeutung für die Windbranche ist. In Abhängigkeit von der Struktur des Strommarktes können der Eigentümer des Projekts oder der Käufer der Energie durch genaue Prognosen zur Windenergieproduktion große finanzielle Vorteile erzielen. Auch die Betreiber von Elektrizitätsnetzen mit hohen Anteilen an Windenergie benötigen zur Optimierung des Netzbetriebs Prognosen.

Windanlagentechnologie

Die schnellen technischen Fortschritte lassen sich am deutlichsten an der Entwicklung der Windanlagentechnologie ablesen. In Kapitel I.3 wird die rasante Entwicklung von Größe, Leistung und Komplexität von Windkraftanlagen illustriert, für die die Vergrößerung gewerblicher Anlagen ca. um den Faktor 100 in 20 Jahren der beste Indikator ist (Abbildung S.4). Von außen betrachtet mögen Windkraftanlagen wie einfache Maschinen wirken, tatsächlich jedoch besteht eine Reihe grundlegender Anforderungen, durch die sich diese Richtung der Ingenieurwissenschaften von allen anderen absetzt:

• Die Anlage muss als unbeaufsichtigtes Kraftwerk betrieben werden und mehr als nur Energie an das Stromnetz liefern;
• Die Verfügbarkeit von Wind variiert in einem Zeitrahmen, der von Sekunden bis zu mehreren Jahren reicht und damit allen Aspekten, von der mechanischen Belastung bis zur Energieerzeugung, einen Unsicherheitsfaktor hinzufügt;
• Die Technologie befindet sich bei den Energiekosten im Wettbewerb mit anderen erneuerbaren Quellen und herkömmlicher Energieerzeugung.

Abbildung S.4 Vergrößerung gewerblicher Windanlagen

Quelle: Garrad Hassan

In Kapitel I.3 werden daher die Fortschritte der Windanlagenentwicklung erläutert und erklärt, warum drehzahlvariable Drei-Blatt-Luvläufer mit Pitchregelung heutzutage vorherrschen. Die wichtigsten Faktoren für den Anlagenentwurf sind mittlerweile die Netzkompatibilität, die Energiekosten (dazu zählt auch die Zuverlässigkeit), Lärmemissionen, optischer Eindruck und die Eignung in Bezug auf die Standortbedingungen.

Viele technische Fragen sind jedoch weiterhin ungeklärt. Zu den großen Anlagen, die aktuell produziert werden, zählen beispielsweise:

• Modelle mit langsam laufenden Generatoren großen Durchmessers;
• Modelle mit schnelllaufenden Generatoren und Getrieben;
• Mittlere Modelle mit mittelschnell laufenden Generatoren und weniger Getriebestufen.

Ebenso erstaunlich ist es, dass die optimalen Dimensionen von Windkraftanlagen für standardmäßige Windparks an Land eine noch unbekannte Größe sind. Das Kapitel erklärt eine Reihe dieser technischen Aspekte und schließt mit der Erläuterung einiger radikaler Alternativen.

Planung von Windparks

In Kapitel I.4 wird beschrieben, wie Windkraftanlagen zu Windparks zusammengefasst werden, welche Faktoren sich auf die Standortwahl auswirken und wie Windparks errichtet werden. Die Entwicklung von Windparks ist ein entscheidender Faktor für Kostensenkung und die Akzeptanz durch die Öffentlichkeit. Dies gilt sowohl für Projekte an Land wie für Offshore-Projekte, insbesondere, weil manche Windparks mittlerweile größer als althergebrachte Elektrizitätswerke sind.

Die Anordnung von Windkraftanlagen innerhalb eines Windparks wirkt sich ganz eindeutig nicht nur auf die Energieproduktion aus, sondern auch auf den optischen Eindruck und die Geräuschbelastung für die Anwohner. Das Kapitel erläutert, wie die Planung durch die Verwendung speziell für die Windbranche entwickelter Software optimiert werden kann, damit solche Einschränkungen berücksichtigt werden.

Das Kapitel erörtert darüber hinaus die wichtigen Aspekte bei der Planung der Anlagenperipherie wie Bau- und Elektroarbeiten. Mit der wachsenden Erfahrung der Windbranche im Bau von Projekten unter unterschiedlichen Bedingungen steigt das Wissen in Bezug auf die Kosten und andere wichtige Aspekte, und die Risiken sind nicht mehr größer als bei anderen Bau- oder Kraftwerkprojekten vergleichbarer Größe.

Offshore-Windenergie

 

Kapitel I.5 deckt das Thema der Offshore-Windenergie ab. Insbesondere wird die Erläuterung der Aspekte für Anlagen an Land in den Kapiteln I.2, I.3 und I.4 um den Offshore-Bereich erweitert. Obwohl es sich hierbei derzeit noch um einen wesentlich kleineren Markt als dem der Anlagen an Land handelt, ist die Offshore-Windenergie in verschiedenen Ländern inzwischen zu einem grundlegenden Bestandteil der Energiepolitik geworden - und die Erwartungen sind hoch. Der Offshore-Windenergiemarkt ist durch Projekte gekennzeichnet, die wesentlich größer und risikoreicher sind als die Mehrheit der Projekte an Land, und es ist wahrscheinlich, dass derartige Projekte von verschiedenen Organisationen entwickelt und gebaut werden. Für die Errichtung dieser Anlagen wurden besondere Schiffe und Verfahren entwickelt. Dabei hat sich herausgestellt, dass die Möglichkeiten des Zugangs zu Offshore-Anlagen einen Hauptfaktor für Kosten, Verfügbarkeit und Sicherheit bilden.

Auch die Anlagentechnologie von Offshore-Projekten ist eine andere: wichtige Gründe sprechen für wesentlich größere Dimensionen der einzelnen Anlagen, für die Kapazitäten von mindestens 5 MW angestrebt werden. Aufgrund der speziellen Umweltbedingungen und erhöhten Anforderungen an die Zuverlässigkeit bilden sich außerdem zunehmend subtilere Unterschiede bei der Technologie heraus. Die Wahrscheinlichkeit wirklich innovativer Entwicklungen ist beim Offshore-Markt möglicherweise größer als beim Markt für Landanlagen. Das Kapitel schließt daher mit einem Überblick zu so innovativen Konzepten wie schwimmenden Anlagen.

Kleine Windkraftanlagen

In Kapitel I.6 wird das andere Ende des Spektrums beschrieben: Windkraftanlagen kleiner und sehr kleiner Größe, die zur Erfüllung einer Reihe unterschiedlicher Bedarfsstrukturen neu aufkommen. Neben den traditionellen Bereichen der Stromversorgung ländlicher Gebiete und isolierter Gebäude sowie von Schiffen und Telekommunikationseinrichtungen haben die Aussichten auf eine große Nachfrage für Kleinkraftwerke in städtischen Gebieten die technische Entwicklung von kleinen Anlagenentwürfen vorangetrieben, die die Wirtschaftlichkeit deutlich verbessern könnten. Darüber hinaus begünstigen die steigenden Treibstoffpreise die Entwicklung von großen Wind-Diesel-Anlagen, für die der technische Aufwand sehr groß ist. Durch diese große Spanne an Märkten mit ihren jeweils besonderen Merkmalen gestaltet sich der Bereich für kleine Windenergieanlagen sehr viel vielfältiger als für herkömmliche, große Anlagen. Viele dieser Märkte verfügen über große Wachstumspotenziale.

Forschung und Entwicklung

In Kapitel I.7 werden die Leistungen in Forschung und Entwicklung der Windtechnologie beschrieben. Häufig tritt das Missverständnis auf, dass es sich bei der Windenergie um eine ausgereifte Technologie handelt und der Aufwand für Forschung und Entwicklung zurückgeschraubt werden kann. Darüber hinaus ergeben sich aus der europäischen Zielvorgabe von 20 Prozent Energie aus erneuerbaren Quellen weitere Herausforderungen. Die europäische Windenergieplattform TPWind entwirft in ihrer kürzlich veröffentlichten Strategic Research Agenda,1 eine anspruchsvolle Vision für Europa, die bis 2030 eine Windenergiekapazität von 300 GW vorsieht. Das entspricht bis zu 28 Prozent des Stromverbrauchs der EU. Darüber hinaus umfasst das Panorama von TPWind ein Unterziel für Offshore-Windenergie, das sich im Jahr 2030 auf ca. 10 Prozent des Elektrizitätsbedarfs der EU belaufen soll. Als Zwischenziel sollen bis 2020 40 GW installiert sein - gegenüber derzeit 1 GW.

Forschungs- und Entwicklungsleistungen sind erforderlich, um die effiziente Umsetzung der Vision von TPWind für die Windenergie zu gewährleisten und die Erreichung der Ziele zu unterstützen. TPWind hat entsprechende Prioritäten für Forschung und Entwicklung festgelegt, damit ihr Panorama der Windenergie im Jahr 2030 Realität wird. Es wurden vier thematische Bereiche definiert:

1. Windbedingungen;
2. Windanlagentechnologie;
3. Einspeisung von Windenergie;
4. Errichtung und Betrieb von Offshore-Anlagen.

 

Um die TPWind-Vision für das Jahr 2030 umzusetzen und Windenergie in großem Maßstab bereitzustellen, ist die Unterstützung durch einen stabiles und klar umrissenes wirtschaftliches, politisches und rechtliches Umfeld von entscheidender Bedeutung. Zur Marktstrategie zählen unter anderem die Kostensenkung und die effektive Integration der Windenergie in die natürliche Umwelt.

Die Finanzierung von Forschung und Entwicklung stellt einen Hauptaspekt dar, denn der gesamte gegenwärtige Einsatz für Forschung und Entwicklung im Bereich der Windenergie in der EU ist noch unzureichend, um die Ziele Europas im Hinblick auf den Anteil erneuerbarer Energien am Energiemix und die Lissaboner Ziele für Wachstum und Arbeit zu erreichen.

Das dringendste Problem ist dabei der Beitrag Europas. Der Europäische Strategieplan für Energietechnologie (SET-Plan) schlägt eine Reihe von Maßnahmen zur Lösung dieses Problems vor, darunter die Europäischen Industrie-Initiativen, zu denen auch die Europäische Windinitiative zählt.