Schwimmende Windenergieanlagen: Nächster Schritt für die Offshore-Windenergie

So weit das Auge reicht, ragen Windenergieanlagen aus dem Meer. Ein spektakulärer, aber auch etwas unwirklicher Anblick. Es handelt sich um die Windkraftanlage Burbo Bank, eine der vielen Offshore-Windkraftanlagen des Vereinigten Königreichs. Nicht alle – sowohl in Großbritannien als auch weltweit – wurden so nah an der Küste gebaut. Viele sind 100 km entfernt, wie beispielsweise die Offshore-Windkraftanlage Albatros in der deutschen Nordsee. Diese Windkraftanlage wurde 2018 gebaut, ging dann 2020 in Betrieb und liefert eine Leistung von 112 Megawatt (MW). Zusammen mit der in der Nähe gelegenen Windkraftanlage Hohe See liefert sie 609 MW und beide können bis zu 2,5 Mrd. Kilowattstunden Energie erzeugen und damit den Strombedarf von 710.000 Haushalten in München decken.

Die Beispiele zeigen das enorme Wachstum des Markts für Offshore-Windenergie und wie sich die Technologie der Windkraftanlagen weiterentwickelt hat. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) ist die installierte Leistung von Offshore-Windenergieanlagen von 100 MW im Jahr 2001 auf etwa 73,6 Gigawatt (GW) im Jahr 2024 gestiegen. Prognosen zufolge wird die Leistung weiter rasant steigen. Laut Schätzungen von Statista wird der jährliche Leistungszuwachs von Offshore-Windanlagen im Zeitraum von 2024 bis 2033 zwischen 17,8 GW und 66,2 GW betragen, wobei Europa und China führend auf dem Markt sein werden.

Angesichts des eindrucksvollen Wachstums werden Offshore-Windenergieanlagen eine wichtige Rolle bei den Bemühungen zum Erreichen von Netto-Null-Emissionen bis 2050 spielen. Und wie so oft, lässt sich das Wachstum des Markts auch durch den Technologiewandel erklären.

Offshore-Windkraftanlagen wurden ursprünglich in flachen Gewässern nahe der Küste gebaut, wie die Windkraftanlage Burbo Bank in Großbritannien. Die Windenergieanlagen wurden fest im Meeresgrund verankert, wobei eine Vielzahl von Technologien zum Einsatz kam, abhängig von der Tiefe, in der die Windenergieanlagen verankert wurden. Die Technologien reichen von einem einzigen dicken Stahlzylinder, der direkt im Meeresboden verankert ist und bei Windenergieanlagen in flachem Gewässer zum Einsatz kommt, bis zu Fundamenten mit einer Gitterstruktur, die drei bzw. vier Verankerungspunkte am Meeresboden haben, für Windenergieanlagen in tieferen Gewässern.

Die Vergrößerung der Rotordurchmesser und Turmhöhen von Windenergieanlagen zur Ausnutzung der stärkeren Winde, die in größerer Höhe über dem Meeresspiegel vorherrschen, beförderte den Bau von Anlagen weiter draußen auf See. Ebenso die Fähigkeit, Spezialschiffe und Hebezeuge mit hoher Tragfähigkeit zum Bau von Windenergieanlagen in zunehmend tiefem und weiter von der Küste entferntem Gewässer zu nutzen.

Die bei weitem wichtigste Entwicklung ist allerdings der Einsatz schwimmender Windenergieanlagen. Die schwimmenden Strukturen haben kein im Meeresboden verankertes Fundament, sondern schwimmen auf dem Wasser und werden über ein Verankerungssystem an ihrer Position gehalten.

Schwimmende Windenergieanlagen haben mehrere Vorteile gegenüber fest im Meeresgrund verankerten Anlagen. Da sie sich meist weit weg von der Küste befinden, können sie von Küstenbewohner*innen nicht als „Schandfleck“ bezeichnet werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass sie weniger auf große Schiffe angewiesen sind, um die Fundamente zu errichten, Bauteile zu transportieren und vor Ort zu installieren oder die Anlage aufzurichten.

Schwimmende Windenergieanlagen werden im Hafen zusammengebaut und mit Hilfe von Schleppbooten und Ankerziehschleppern zu ihrem Einsatzort gebracht, was effizienter und kostengünstiger ist. Es bestehen Synergien mit anderen Technologien wie etwa Meeresenergiesystemen. Außerdem greifen sie weniger stark in den marinen Lebensraum ein und haben einen weniger störenden Effekt auf die Meereslebewesen und die Fischereiwirtschaft.

Allgemein gilt, je weiter von der Küste entfernt, desto stärker und auch beständiger bläst der Wind. Einige fest verankerte Anlagen sind weit weg von der Küste errichtet worden, beispielsweise die Windkraftanlage Dogger Bank, die sich 160 km vor der englischen Küste von Yorkshire befindet und hohe Strommengen produziert. Schätzungen zufolge befinden sich allerdings 80 Prozent aller Offshore-Windressourcen in Gewässern mit einer Tiefe von mehr als 60 Metern, wo im Meeresgrund fest verankerte Anlagen nicht möglich sind. Das ist ein weiterer Vorteil von schwimmenden Windenergieanlagen.

Doch auch schwimmende Windenergieanlagen bringen Herausforderungen mit sich. Selbst wenn für ihre Errichtung keine großen Schiffe benötigt werden, so handelt es sich bei ihnen um komplexe Strukturen, die ingenieurtechnisches Fachwissen erfordern. Ein Artikel in Science Direct beschreibt die Lage wie folgt: „Die schwimmende Offshore-Windindustrie steht noch am Anfang, was den Umfang und die Menge an Forschung, die hierzu bisher durchgeführt wurde und verfügbar ist, begrenzt. Außerdem gibt es nicht genügend detaillierte Daten, da es erst wenige fertiggestellte Projekte und Grenzen beim Austausch von geistigem Eigentum gibt. Der Mangel an Daten macht es schwierig, eine eingehende Prüfung einzelner Faktoren durchzuführen, die die Effizienz und Sicherheit schwimmender Offshore-Windenergieanlagen beeinflussen.“

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Die IEC hat vor kurzem eine neue Internationale Norm für schwimmende Windenergieanlagen veröffentlicht, die grundlegende Auslegungsanforderungen beschreibt, um die technische Integrität dieser Anlagen sicherzustellen. Sie soll einen angemessenen Schutz vor Schäden durch alle zu erwartenden Bedingungen während der vorgesehenen Lebensdauer der schwimmenden Windenergieanlagen bieten. Zu den wichtigsten betrachteten schwimmenden Windenergieanlagen gehören schiffsförmige Strukturen und Barges, Halbtaucher, Spar-Plattformen und Tension-Leg-Plattformen.

„Schwimmende Windenergieanlagen sind eine sehr dynamische und relativ neue Technologie und wir müssen mit ihr Schritt halten. Es gibt viel Innovation in dem Bereich und wir haben Informationen aus der Branche, von Energieversorgern und auch den Herstellern von Windenergieanlagen zusammengetragen“, erklärt Lars Samuelsson, der zusammen mit Hyunkyoung Shin die für die Norm zuständige Arbeitsgruppe leitet.

IECRE, das IEC System for Certification to Standards Relating to Equipment for Use in Renewable Energy Applications, ist das international anerkannte Konformitätsbewertungssystem für alle Kraftwerke, die Energie aus Photovoltaik, Wind und verschiedenen Formen von Meeresenergie erzeugen, speichern und umwandeln. Viele Windenergieanlagen wurden durch von IECRE-anerkannten Zertifizierungsstellen zertifiziert und von anerkannten und zugelassenen Prüflaboren geprüft.

„Offshore-Windenergieanlagen werden zunehmend zur Normalität, aber nicht alle Standorte verfügen über die Bedingungen, um Windenergieanlagen nach IEC 61400-3-1 im Meeresgrund zu verankern. Schwimmende Windenergieanlagen werden voraussichtlich kurz- bis mittelfristig besser realisierbar und die jüngst veröffentlichte Norm IEC 61400-3-2 befasst sich mit den technischen Anforderungen an schwimmende Windenergieanlagen. Die IECRE-Zertifizierungssysteme decken beide Normen ab“, erklärt Alistair Mackinnon, Vorsitzender von IECRE.

Das Zusammenwirken von Normung und Konformitätsbewertung kann die Expansion des Markts für schwimmende Windenergieanlagen mit vorantreiben. „Unsere Arbeit ist die Grundlage, um Vertrauen bei unseren verschiedenen Stakeholdern, wie Entwicklungsfirmen, Versicherungsunternehmen und private Investoren, aufzubauen. Unsere neue Norm gibt Sicherheit und hilft ihnen, sich in diesem relativ neuen und schnell wachsenden Bereich der erneuerbaren Energien zu engagieren“, sagt Lars Samuelsson.

Er spielt seine eigene Leistung bescheiden herunter und erklärt, dass die Verdienste einer großartigen Gruppe von Fachleuten gebühren. „Wir verstehen uns alle extrem gut. Ich habe ein sehr gutes Verhältnis zu meinem Co-Convenor Hyunkyoung Shin. Uns hat es allen wahnsinnig viel Freude bereitet, an dieser Norm zu arbeiten“ fügt er abschließend hinzu.

Und darum geht es ja bei der Normung: einen Konsens zu finden, der allen zugutekommt.

Redaktioneller Hinweis:

Der englischsprachige Originalartikel von Catherine Bischofberger erschien erstmals auf etech.iec.ch in der Ausgabe 06/2024 unter:
https://etech.iec.ch/issue/2025-02/floating-turbines-the-next-step-for-offshore-wind

Inhaltliche Beschreibungen, Darstellungen und Meinungen in diesem IEC-Text können von denen der DKE abweichen.

In der alltäglichen und gesellschaftlichen Diskussion ist sie ein ebenso großes Thema wie in der DKE – die Rede ist von der Energie. Unsere Normungsexperten bringen ihr Wissen aber nicht nur ein, um die Energieversorgung und -verteilung zukünftig „smart“ und dezentral zu machen, sondern leisten einen ebenso hohen Beitrag für den Betrieb elektrischer Anlagen und bei der flächendeckenden Verbreitung erneuerbarer Energien. Weitere Inhalte zu diesem Fachgebiet finden Sie im