Aus Wind mach Strom

Düsseldorf, den 26.03.2012 - Überall verfügbare elektrische Energie ist für uns unverzichtbar. Doch die Erzeugung von Strom durch die Umwandlung fossiler Energieträger, wie Kohle, Gas und Öl, setzt das Treibhausgas CO₂ frei. Deshalb kommt alternativen Energiequellen, z. B. Wind, eine immer bedeutendere Rolle zu: Die Gewinnung elektrischer Energie aus Wind vermeidet CO₂-Emissionen, schont die Ressourcen und entlastet die Umwelt. Besonders groß ist die Ausbeute auf dem Meer, wo konstantere und stärkere Winde wehen als im Binnenland. Allerdings sind auf See auch die Anforderungen an die Anlagen höher als an Land. Stahl ist deshalb für die Erbauer von Offshore-Windenergieanlagen der Werkstoff der Wahl. 

Die Windmühlen in Deutschland stehen in Wassertiefen zwischen 20 und 50 Meter. Wellen, Ebbe und Flut zerren an den Fundamenten. Der Wind, oftmals in Orkanstärke, drückt gegen die riesigen Rotoren. Das Salzwasser und die salzhaltige Luft wirken korrosiv auf die Anlagen, die eine Lebensdauer von mehr als 20 Jahren haben sollen. Aus diesen Gründen bestehen die 300 bis 700 Tonnen schweren Füße der Anlagen aus Stahl. Sie sind beispielsweise als Monopiles ausgeführt. Das sind große zylindrische, hohle Pfähle für den Einsatz in Wassertiefen um die 20 Meter. Sie werden aus Grobblechen mit Dicken zwischen 40 und 90 Millimeter hergestellt. 

Füße aus Stahl 

In größeren Wassertiefen werden Fachwerkkonstruktionen aus Stahl verwendet, die an Strommasten erinnern. Diese „Jacket“ genannten Fundamente bestehen aus relativ schlanken Bauelementen, die sich einfach produzieren, transportieren und vor Ort montieren lassen. Gegenüber Monopiles sind sie 40 bis 50 Prozent leichter.

Bei sandigem Grund werden in Wassertiefen von mehr als 20 Meter oft Tripods eingesetzt. Das sind dreibeinige Stützkonstruktionen aus Stahlrohren, die den Hauptpfahl tragen.

Für Wassertiefen zwischen 25 und 50 Meter eignen sich so genannte Tripiles. Drei Stahlpfähle werden in den sandigen Boden gerammt, auf die über Wasser eine Dreieckskonstruktion aufgesetzt wird.

Für noch größere Wassertiefen bis zu 700 Meter gibt es verschiedene Konzepte schwimmender Plattformen, deren Prinzip aus der Öl- und Gasindustrie entlehnt ist. Die erste derartige Anlage mit einer Leistung im Megawatt-Bereich wurde 2009 vor der Südwest-Küste Norwegens installiert. Der schwimmende Turm hat nach Art des Monopiles eine Unterwasserlänge von über 100 Meter und wird mit mehreren Stahlseilen am Meeresboden verankert¹.

Auf den beschriebenen Fundamenten stehen die 80 bis 100 Meter hohen Türme mit einem Gewicht von 200 bis 250 Tonnen. Auf ihnen ruhen die Gondeln, 12 bis 15 Meter hohe Kabinen mit einem Gewicht von 200 bis 290 Tonnen. Vorne tragen sie Rotor und Nabe, innen sind Getriebe, Generator und Umrichter untergebracht. Die Anlagen haben Nennleistungen zwischen 2,5 und 7,5 Megawatt.

Rotorflügel aus Stahl

Auch in der Offshoretechnik gilt: Immer, wenn den Werkstoffen höchste Leistungen abverlangt werden, kommt Stahl zum Einsatz. Der Werkstoff ist fest und elastisch zugleich. Auch im rauen Seeklima ist er korrosionsbeständig. Für die Hersteller solcher Anlagen ist es wichtig, dass der Werkstoff einfach zu verarbeiten ist und dabei noch ein günstiges Preis-/Leistungsverhältnis aufweist. Auch beim Umweltschutz punktet Stahl, denn er lässt sich immer wieder und ohne Qualitätsverlust recyceln.

Inzwischen wird daran geforscht, die riesigen Rotorflügel aus 25 Millimeter dickem Stahlblech zu fertigen. Die Stahlkonstruktionen sind witterungsbeständig herzustellen. Sie sind kostengünstiger und am Ende ihrer Nutzungszeit einfacher zu recyceln. Zudem lassen sie eine deutlich höhere Lebensdauer erwarten. Die Ingenieure sind sich einig, dass solche Anlagen aufgrund der höheren Masse der Rotoren weniger empfindlich gegen Windböen sind, wodurch Lager und Getriebe geschont werden.

Energiegewinnung fast ohne CO₂

Eine einzige Windenergieanlage mit fünf Megawatt Leistung kann nahezu 4.200 Haushalte mit Strom versorgen. Ein Windpark mit 80 solcher Mühlen hat dann eine installierte Gesamtleistung von 400 Megawatt und liefert im Jahr 1.520 Gigawattstunden Strom - ohne CO₂ zu emittieren. Mit modernen Windenergieanlagen wird 32 Mal mehr CO₂ eingespart, als bei der Produktion des Stahls für diese Anlagen entsteht. Das hat eine Studie der Boston Consulting Group (BCG) unlängst nachgewiesen.

Im September 2010 ist vor der Themsemündung der Thanet-Windpark eröffnet worden. Er ist einer der größten weltweit². 100 Turbinen mit je 3 Megawatt Leistung stehen verteilt auf einer Fläche von 35 Quadratkilometer in 20 bis 25 Meter Wassertiefe. Bis zu 200.000 britische Haushalte sollen von dort mit Strom versorgt werden.

Vor Deutschlands Küsten sollen nach den Plänen der Bundesregierung in den nächsten Jahren in Nord- und Ostsee 26 Windparks mit 1.850 Anlagen entstehen. Die projektierte Gesamtleistung beträgt 8.800 Megawatt. Bei etwa 350 Tonnen Stahl pro Megawatt ergibt sich daraus eine Gesamtstahlmenge von 3,08 Millionen Tonnen.

Der erste dieser Windparks steht in der Ostsee und liefert seit Mai 2011 mit seinen 21 Türmen rund 185 Gigawattstunden Strom im Jahr, genug um damit bis zu 50.000 Haushalte zu versorgen³. Auch bei ihnen setzen die Hersteller auf Stahl.

Nach einer Abschätzung des Bundesverbands Windenergie könnten in Deutschland im Jahre 2020 Anlagen mit ca. 52 bis 55 Gigawatt Windenergie installiert sein, etwa 85 % davon an Land (onshore⁴). Daraus ergibt sich für Neuinstallationen linear gerechnet ein durchschnittlicher jährlicher Stahlbedarf von rund 600.000 Tonnen. 

¹Report Seite 15 und http://www.youtube.com/watch?v=06D4LvU-CG8 (Hywind
  Projekt)
²Quelle: http://www.bbc.co.uk/news/uk-england-kent-16727243, 1.02.2012
³Quelle: Faszination Stahl Nr. 18 Seite 4
⁴Natürlich Windenergie, Seite 13

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Horst Woeckner
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