Carbon verleiht Flügel

Es geht immer noch größer. Nach den Ausschreibungsergebnissen des Jahres 2017 haben die Hersteller von Windenergieanlagen massiv in Kostensenkung investiert – das zeigt sich jetzt in immer neuen und immer größeren Anlagen. Onshore-Weltmarktführer Vestas hat im Januar 2019 bei der Präsentation seiner neuen Anlagenplattform den Anfang gemacht: zwei Anlagen für IEC S-Schwachwind-Standorte im Binnenland. Besonders das Modell V162-5,6 MW sticht mit rekordverdächtigen 162 Metern Rotordurchmesser bei einer Leistung von 5,6 MW hervor. Selbst an Schwachwindstandorten mit mittleren Windgeschwindigkeiten in Nabenhöhe von 6 bis 7 Metern pro Sekunde erreicht die Anlage laut Hersteller eine jährliche Stromproduktion zwischen 16 und 20 Gigawatt-Stunden (GWh). Das entspricht rechnerisch der Versorgung von 4.500 bis 6.500 Haushalten.

Auf See sind Null-Cent-Ausschreibungen weltweit heute eher die Regel als die Ausnahme. Entsprechend geht auch hier der Größenwettlauf weiter. Offshore-Weltmarktführer Siemens Gamesa ist hier mit einer wuchtigen Neuankündigung vorausgeprescht: Die neueste Generation der Anlagen für die Hohe See soll 2022 mit einem Rotordurchmesser von 193 Metern und 10 MW Leistung auf den Markt kommen. Dabei ist die vorgestellte SG 10.0-193 DD wohl nur die erste Anlage einer neuen 10-MW-Klasse, in der nach der Entwicklungslogik der vergangenen Jahrzehnte weitere Anlagen mit noch höheren Leistungen folgen werden. Zumal Siemens Gamesa schon in den letzten Jahren mehrfach hatte durchblicken lassen, dass sie Anlagen mit 13 bis 15 MW für spätestens 2025 anstreben. Dieses Ziel hat GE schon fast erreicht. Bereits 2021 wollen die Amerikaner mit ihrem Entwicklungszentrum in Salzbergen mit der neuen Offshore-Anlage Haliade-X 12 MW in Serie gehen – ein Prototyp bei Rotterdam ist für 2019 geplant. Die GE-Anlage soll an einem IEC 1b Standort (durchschnittliche Windgeschwindigkeit: 10 m/s) stolze 67 GWh Strom pro Jahr bereitstellen – das reicht dann rechnerisch für ca. 22.000 Haushalte.

Die Ausmaße sind gewaltig: Vom Maschinenhaus einer modernen Binnenland-Anlage in 166 Metern Höhe kann man inzwischen bequem auf den Kölner Dom (157 Meter) herabsehen. Für ein Rotorblatt reicht nicht mal mehr die Spannweite eines Airbus A380-800 (78 Meter) als Größenvergleich. Das Blatt für die GE-Anlage stammt aus dem Tochterunternehmen LM und wird 107 Meter lang sein – Weltrekord. Wenn man dieses Blatt senkrecht aufstellt, überragt es das Rathaus in Essen – einen Rekordbau der Siebzigerjahre – genauso wie den Bahntower am Potsdamer Platz in Berlin.

So beeindruckend allein die Ausmaße der neuen Anlagen auch sind: Die Hersteller betonen einhellig, dass die Entwicklung weiter dem bekannten Muster „Optimieren statt revolutionieren“ folge. „Weiterentwicklung bewährter Komponenten“ lautet ein Standardsatz der Marketingabteilungen. Denn bei aller Innovation will man die Kunden nicht mit Risiken resultierend aus technischen Neuerungen verschrecken. Und auch der Konkurrenz nicht auf die Sprünge helfen.

Wege in die Energiezukunft - Transformationspfade der Energiesysteme in internationaler Perspektive.pdf

13 Prozent der Welt-Carbon-Produktion für die Windenergie

„Nahezu alle Windrad-Modelle neuerer Generationen in großer Bauweise sind auf einen hochvolumigen Einsatz von Carbonfasern in Zug- und Druckgurten angewiesen“, schreibt dazu die Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe (AVK) in ihrem Marktbericht 2018. „Die Kunst ist, solche Gelege so im Vakuuminfusionsverfahren mit Kunstharz zu tränken, dass keine trockenen Stellen entstehen“, deutet Daniel Stumpp die Herausforderungen bei der Produktion der neuen Rotorblatt-Generation an. Ebenso kämen zunehmend kombinierte Carbon- und Glasfaser-Gelege zum Einsatz – LM spricht von der „Hybrid Carbon Technik“, die seit dem 88,4-Meter-Blatt und nun auch im 107-Meter-Blatt eingesetzt werde. Diese Hybride sollen helfen, die Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften von Carbonfasern zu nutzen, ohne die Kosten zu stark steigen zu lassen. Denn Carbonfasern sind laut Experten etwa zehn Mal teurer als Glasfaser, was sich auch am Marktvolumen andeutet. Laut Marktbericht der AVK wurden 2018 weltweit 78.000 Tonnen reine Carbonfasern verbaut. Bereits 13 Prozent der Carbon-Composites gehen in die Windbranche. Dabei ist der Markt für Carbonfasern immer noch vergleichsweise exklusiv. Zum Vergleich: Der Weltmarkt für Glasfaserverstärkte Kunststoffe lag laut AVK bei über 10 Millionen Tonnen – rund hundert Mal so viel.

Natürlich sei die Entwicklung der Rotorblätter ein zentrales Thema, sagt aerodyn-Geschäftsführer Rainer Osthorst. Das Ingenieurbüro aus Rendsburg entwickelt seit den Achtzigerjahren Windenergieanlagen und hat aktuell eine 4,2-MW-Anlage für den Kunden Unison in Korea konstruiert, die auch von anderen fernöstlichen Herstellern übernommen werden soll. Und wo geht die technische Entwicklung nun hin? Reine Carbonblätter, supraleitende Generatoren? Was ist das nächste große Ding?

Fertigung von 88,4 m Rotorblatt-Prototypen in Lunderskov, Dänemark.

13 Prozent der Welt-Carbon-Produktion für die Windenergie

„Nahezu alle Windrad-Modelle neuerer Generationen in großer Bauweise sind auf einen hochvolumigen Einsatz von Carbonfasern in Zug- und Druckgurten angewiesen“, schreibt dazu die Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe (AVK) in ihrem Marktbericht 2018. „Die Kunst ist, solche Gelege so im Vakuuminfusionsverfahren mit Kunstharz zu tränken, dass keine trockenen Stellen entstehen“, deutet Daniel Stumpp die Herausforderungen bei der Produktion der neuen Rotorblatt-Generation an.

Ebenso kämen zunehmend kombinierte Carbon- und Glasfaser-Gelege zum Einsatz – LM spricht von der „Hybrid Carbon Technik“, die seit dem 88,4-Meter-Blatt und nun auch im 107-Meter-Blatt eingesetzt werde. Diese Hybride sollen helfen, die Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften von Carbonfasern zu nutzen, ohne die Kosten zu stark steigen zu lassen. Denn Carbonfasern sind laut Experten etwa zehn Mal teurer als Glasfaser, was sich auch am Marktvolumen andeutet. Laut Marktbericht der AVK wurden 2018 weltweit 78.000 Tonnen reine Carbonfasern verbaut. Bereits 13 Prozent der Carbon-Composites gehen in die Windbranche. Dabei ist der Markt für Carbonfasern immer noch vergleichsweise exklusiv. Zum Vergleich: Der Weltmarkt für Glasfaserverstärkte Kunststoffe lag laut AVK bei über 10 Millionen Tonnen – rund hundert Mal so viel.

Glaskugel Anlagenwartung

Vorausschauende Wartung bietet das Potential verringerter Stillstandszeiten für Windräder. Das schlägt sich positiv auf die Produktionsbilanz nieder – besonders im Offshore-Bereich. Senvion hat deshalb mit dem Bremer Institut für Produktion und Logistik (BIBA) und dem Oldenburger Software-Unternehmen SWMS 2018 ein Konsortium gebildet, um eine KI-basierte, algorithmusgesteuerte Wartung zu ermöglichen. Die ersten Erfahrungen des laufenden Systems seien positiv, verkündet das Konsortium. Man erwarte Einsparpotentiale bei der Instandhaltung von bis zu 10 Prozent, so Projektleiter Stephan Oelker. Auch Konkurrent GE setzt ein System zur Predictive Maintenance ein, das auf selbstlernenden Predictive-Analytics-Systemen beruht. Ende 2018 hatte zudem ZF das erste Windkraftgetriebe an die von Schaeffler bereitgestellte Cloud in Betrieb genommen. Auf Basis tatsächlicher Beanspruchungen im Betrieb soll das System eine Vorhersage der Gebrauchsdauer ermöglichen. Das Projekt sei offen konzipiert, so dass auch weitere Unternehmen wie Schmierstoffexperten oder Steuerungsanbieter integriert werden könnten, so die Projektpartner.

Wetterfrosch 2.0

Die Google-Tochter DeepMind hat sich Anfang 2019 die Optimierung der Ertragsprognose von Windenergie als Ziel vorgenommen. Nachdem ihre Künstliche Intelligenz (KI) über einen längeren Zeitraum die 700 MW eines US-Windparks beobachtet hatte, konnte sie aus Wettervorhersagen und historischen Turbinendaten eine Prognose für rund 36 Stunden im Voraus entwickeln. Insgesamt ergebe sich so eine um 20 Prozent gesteigerte Effizienz der WEA gegenüber einem Szenario ohne Prognose, so Google. Allerdings arbeitet auch Enercast in Kooperation mit dem Fraunhofer IEE seit einigen Jahren mit einer KI, um zu erwartende Strommengen zu prognostizieren. Und in Berlin setzt das Start-up Solandeo KI ein, um aus den historischen Produktionsdaten ihrer an WEA und Solaranlagen angebrachten digitalen Zähler eine auf den Meter genaue Prognose zu erstellen. Statt die Wettervorhersage zu nehmen und diese auf die Anlage „herunterzubrechen“, errechnet das System statistische Zusammenhänge im Big-Data-Muster. „Als Vorreiter der Energiewende ist Deutschland dafür prädestiniert, hierbei eine führende Rolle einzunehmen“ sagt Solandeo-Chef Friedrich Rojahn. Google ist also keineswegs der einsame Pionier, als der sich das Unternehmen gerne gibt: Die Symbiose aus KI und WEA hat längst angefangen.

Anlagen bis 15 MW – und darüber

„Die großen Hersteller haben Recht, wenn sie die ständige Optimierung und Weiterentwicklung vieler Details in den Vordergrund stellen“, sagt Osthorst.

Beispiel Carbon: Der Anteil wachse zwar, aber die Integration der Fasern in die Rotoren sei anspruchsvoll. Nicht nur aus Kostengründen, sondern auch, weil Carbon schwierig zu verarbeiten sei und die stromleitenden Fasern neue Konzepte für den Blitzschutz notwendig machten.

Zu den großen Herausforderungen mit den großen Blättern und Maschinenhäusern gehörten darum für Ingenieure und Hersteller inzwischen vor allem auch Logistik-Themen: Wie lassen sich 80 Meter lange Rotoren zur Baustelle bringen? Teilbare Blätter, technisch möglich und auch am Markt, seien meist zu teuer und hätten sich darum noch nicht in der Breite durchgesetzt. Innovationssprünge wie supraleitende Spulen für Generatoren, die am Fraunhofer IWES-Institut in Bremerhaven bereits getestet werden, seien auch noch weit von der Marktreife entfernt – und für die nächste Anlagengeneration schlicht nicht notwendig.

„Ich sehe nicht, dass mit den heute absehbaren technischen Möglichkeiten noch etwas gegen Offshore-Anlagen deutlich über 15 MW spricht“, erklärt Osthorst. Die Grenze des Machbaren verschiebe sich ständig. „In den Neunzigerjahren haben die meisten Experten die absolute Grenze für Windkraftanlagen bei 5 MW gesehen, und zwar eher darunter als darüber“, erinnert sich der aerodyn-Geschäftsführer.