Schwimmende Windenergie - die nächste Schwelle für erneuerbare Energien?

• Es wird erwartet, dass die globale Offshore-Windindustrie zwischen 2021 und 2026 eine jährliche Wachstumsrate von 12,3 % verzeichnen wird
• Schwimmende Offshore-Windkraftanlagen haben das Potenzial, den Wind zu nutzen, der in Gewässern weht, die für herkömmliche feststehende Windturbinen zu tief sind
• Der Bau von schwimmenden Windturbinen findet zwar größtenteils an Land statt, doch könnten die rauen Meeresbedingungen Risiken verschiedener Art mit sich bringen, insbesondere für die Verankerung und die Verkabelung
• Kenntnisse aus anderen Sektoren, einschließlich der Öl- und Gasindustrie, könnten genutzt werden, um Herausforderungen zu überwinden und Risiken für schwimmende Windturbinen zu verringern.

Die Rotorblätter des Windparks Kincardine drehen sich 15 km vor der Küste von Aberdeen. Ihre monumentalen Strukturen sind auf fünf dreieckigen Plattformen montiert, die jeweils 3.000 Tonnen wiegen. Sie schwimmen in 60-80 m Tiefe in der Nordsee und können insgesamt 218 GWH sauberen Strom pro Jahr erzeugen - genug, um 50 000 schottische Haushalte zu versorgen [1]. Dies ist der größte schwimmende Offshore-Windpark der Welt und eine anschauliche Momentaufnahme dessen, was am Zukunftshorizont der Energiewirtschaft zu sehen ist.

Da die führenden Volkswirtschaften ihr Engagement für die Dekarbonisierung und den Übergang zu einer saubereren Energieversorgung verstärken, ist zu erwarten, dass die globale Offshore-Windindustrie zwischen 2021 und 2026 einen jährlichen Wachstum von 12,3 % verzeichnen wird. Die Einnahmen werden voraussichtlich 56,8 Mrd. USD erreichen - ein Anstieg um 25 Mrd. USD [2].

Europa ist mit einem Anteil von 57 % der größte Markt für Offshore-Windenergie, und die Nordsee ist seit langem die Wiege der Branche. "Das liegt natürlich an den windigen Bedingungen, aber auch an den relativ flachen Gewässern", erklärt Jean-Marie Grosset, Energy and Construction Underwriter bei AGCS. "Dies hat es ermöglicht, an den Küsten des Vereinigten Königreichs, Dänemarks, Deutschlands und Belgiens Turbinen in einer Tiefe von etwa 30 Metern auf dem Meeresboden zu installieren. Die Entwicklung der Branche wurde auch dadurch gefördert, dass diese Länder in ihrer Nähe über gut zugängliche Produktionsstätten verfügen.

Doch 80 % der weltweiten Offshore-Windkraftanlagen entstehen in Gewässern, die tiefer als 50 Meter und oft weit von der Küste entfernt liegen; die Installation von am Boden befestigten Turbinen ist dort entweder unmöglich oder wirtschaftlich nicht rentabel. Dies hat den Einsatz von Offshore-Windkraftanlagen in der Vergangenheit eingeschränkt; doch vielversprechende Entwicklungen bei den FOW-Technologien weisen darauf hin, dass sich das bald ändern könnte.

Im Gegensatz zu bodenfesten Plattformen, die vor der Küste gebaut werden, werden FOW-Plattformen größtenteils in einem Trockendock zusammengebaut und dann zum Aufstellungsort geschleppt, wo sie mit Verankerungsleinen befestigt werden. Prototypen und Pilotprojekte für FOW-Plattformen hatten mit den praktischen Problemen zu kämpfen, die mit ihrer Größe, Aerodynamik und Instabilität verbunden sind. In den letzten Jahren haben sich jedoch mehrere Technologien herauskristallisiert, die nach Ansicht der Ingenieure diese Probleme überwunden können. FOW ist nach wie vor teurer als feste Offshore-Windkraftanlagen, und obwohl es noch technische und logistische Herausforderungen für den Einsatz schwimmender Windturbinen in großem Maßstab gibt und Investoren und Regierungen Finanzmittel bereitstellen müssen, wird erwartet, dass die Kosten mit zunehmender Verbreitung von FOW sinken werden. Die Branche ist bereit für die Industrialisierung.

Und das Potenzial ist riesig. Die derzeit in Asien und Europa installierte FOW-Leistung von 74,05 MW wird bis Januar 2022 schätzungsweise auf 127,87 MW ansteigen [3]. Europa hat mit 4.000 GW das größte Potenzial für FOW, gefolgt von den USA mit 2.450 GW und Japan mit 500 GW [4].

FOW ermöglicht die Stromerzeugung in tieferen Gewässern mit höheren, gleichmäßigeren Windgeschwindigkeiten; auf der Liste der Länder, die Machbarkeitsstudien außerhalb Europas vornehmen wollen, stehen Südkorea, Japan, Taiwan sowie die USA. Dort investiert das Energieministerium mehr als 100 Mio. $ in die Erforschung, Entwicklung und Darstellung der FOW-Technologie, wobei Kalifornien besonders im Blickpunkt steht.5  FOW wird auch auf sein Potenzial für die Umwandlung von Meerwasser in grünen Wasserstoff für den Export untersucht. 

Es überrascht nicht, dass viele globale Energieunternehmen in das Potenzial von FOW investieren. Der deutsche Energieriese RWE arbeitet an drei schwimmenden Vorzeigeprojekten in Norwegen, Spanien und den USA; er kündigte kürzlich eine gemeinsame Machbarkeitsstudie mit Kansai Electric Power Co Inc. für ein Projekt vor der Küste Japans an. Shell hat ein Joint Venture mit dem Offshore-Windspezialisten Coens Hexicon vor der Küste Südkoreas in Aussicht gestellt, und der Standort Kincardine wurde von der spanischen Cobra-Gruppe entwickelt. Equinor, Orsted, Statoil, EDF, Engie und Total sind alle an FOW-Projekten beteiligt.

"Mit der schwimmenden Offshore-Windenergie können die großen Energieunternehmen vorhandene Kompetenzen in Bereichen wie Offshore-Plattformen und Pipelines mobilisieren und nutzen", sagt Grosset. "Es ist auch Teil ihrer strategischen Pläne für den Übergang zu sauberer Energie".

Der Bau einer Turbine an Land und nicht auf See hat Vorteile. Sie ist nicht nur sicherer, sondern macht auch den Einsatz von Schwerlasttransporten und anspruchsvollen Schiffen überflüssig, die zu diesem Zweck benötigt werden. Es eröffnet auch die Möglichkeit neuer und kostengünstigerer Betriebsmethoden, da Windturbinen mobil sind und theoretisch demontiert und zur Wartung in den Hafen zurückgeschleppt werden könnten. 

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass FOW weniger auf den Widerstand der Küstengemeinden stoßen dürfte, da die Windparks weiter draußen auf dem Meer errichtet werden, was die Bedenken hinsichtlich Lärm und visueller Verschmutzung verringert. Die Fischereiindustrie hat jedoch Bedenken im Hinblick auf die Auswirkungen auf ihre Tätigkeit und auf die Meeresfauna geäußert.

Die Installation von Innovationen im Offshore-Bereich bringt zwangsläufig neue Risiken mit sich, die jedoch noch nicht in ihrem vollen Ausmaß bekannt sind, da die Technologien noch nicht ausgereift sind. Verankerung, Verkabelung und Wetterextreme sind potenzielle Problembereiche bei FOW. Vertäuungsleinen sind besonders anfällig für Ausfälle aufgrund von Ermüdung, Korrosion, Stößen oder rauen Meeresbedingungen.

"Wir hatten einen Schadensfall, bei dem eine Kette, die zum Anheben einer Festmacherleine verwendet wurde, riss und ins Meer fiel", sagt Grosset. "Je weiter draußen auf dem Meer die Entwicklung, rund um den Globus, voranschreitet, desto schwieriger wird es, den rauen Bedingungen gerecht zu werden. Die Konstruktionen selbst können diesen Bedingungen standhalten, aber jede Art von Wartung - selbst relativ geringfügige - wird in dieser Umgebung kritisch werden. Dies könnte zu größeren Betriebsunterbrechungen oder einer verzögerten Inbetriebnahme führen. 

Stefan Atug, Global Practice Group Leader im Bereich Energy & Construction bei AGCS, fügt hinzu, dass sich dieses Risiko durch veränderte Wettermuster noch erhöhen wird. "Die Anlagen selbst können Stürmen standhalten, aber die Verankerungs- und Verkabelungssysteme sind diesbezüglich weniger erprobt. Die meisten Schäden bei auf festen Fundamenten stehenden Offshore-Windkraftanlagen sind auf die Verkabelung zurückzuführen, und wir können davon ausgehen, dass dies auch bei FOW der Fall sein wird. Die Verluste, die wir bei der Verkabelung gesehen haben, vor allem während der Bauphase, waren in der Regel Schäden durch äußere Einwirkung, wenn die Kabel zum Beispiel bei Verlegung zu stark gebogen oder später von einem Anker beschädigt wurden. Ich gehe davon aus, dass die Verkabelung innerhalb des Windparks, die eine Windturbine mit einer anderen verbindet, in einem schwimmenden Windpark eine größere Herausforderung darstellen wird.

Wie bei herkömmlichen Offshore-Windturbinen sind die Risiken im Zusammenhang mit Feuchtigkeit, Oxidation, Korrosion, gefährlichem Wetter und Salzwasser allgegenwärtig.

"Die Hauptrisiken bei schwimmenden Turbinen ergeben sich aus der Tatsache, dass viele ihrer Teile beweglich sind", so Atug, "und alles, was sich bewegt, hat eine begrenzte Lebensdauer, weil es einem höheren Verschleiß unterliegt." 

Hinzu kommen Größenvorteile, ergänzt Joachim Eichhorn, Energy & Construction Underwriter bei AGCS. "Bei größeren Entfernungen ist die Wahrscheinlichkeit eines Schadens umso höher, je länger das Kabel ist. Das Gleiche gilt für die Konstruktion und Fertigung - bei größeren Entfernungen und härteren Bedingungen sind auch Fragen der Qualitätskontrolle zu berücksichtigen."

Bei so vielen beweglichen Teilen und wenig bekannten Risiken sind geeignete Notfallprotokolle von größter Bedeutung. "Die Branche ist auf eine Vielzahl spezifischer Kompetenzen angewiesen", sagt Grosset. "Die Wahl des kompetentesten Konstrukteurs, Erbauers und Betreibers sowie des fachkundigsten Dienstleisters ist entscheidend.

Atug fügt hinzu, dass die Qualitätskontrolle von entscheidender Bedeutung sei; außerdem sollten Eigentümer oder Betreiber sicherstellen, dass Konstrukteure, Hersteller und andere am Bau Beteiligte gemeinsam die Verantwortung dafür tragen, und zwar nicht nur während der Testphase, sondern auch für einen vereinbarten Zeitraum nach Inbetriebnahme einer Anlage.

Bevor die schwimmende Windenergie in kommerziellem Maßstab eingesetzt werden kann, müssen noch einige technische Probleme gelöst werden, die innovative Lösungen von Entwicklern, Herstellern und der Lieferkette erfordern.6 Laut dem Floating Wind Joint Industry Project (JIP), einer F&E-Initiative zwischen dem Carbon Trust und 17 internationalen Offshore-Windkraftentwicklern, sind diese Herausforderungen mehreren schwimmenden Windkraftprojekten gemeinsam und eignen sich daher für eine von der Industrie geleitete, gemeinsame F&E. Dazu gehören die Schwergut-Wartung und die damit verbundene Logistik für Windparks, die weit von Häfen entfernt liegen, die Wartung im Schlepptau und die Verankerung in schwierigen Umgebungen. Die Wassertiefe, ob sehr tief oder sehr flach, kann problematisch sein, ebenso wie seismische Umgebungen und bestimmte Bedingungen des Meeresbodens.

"Es ist davon auszugehen, dass viele dieser Herausforderungen mit Hilfe bestehender Lösungen aus anderen Sektoren bewältigt werden können", heißt es im JIP-Bericht; doch es sind weitere Untersuchungen erforderlich, um das tatsächliche Ausmaß des Risikos zu ermitteln und Forschungsarbeiten durchzuführen, die das Risiko während des gesamten Projektlebenszyklus verringern können.

"Ich glaube, dass wir in Zukunft mehr Wissensaustausch und strategische Partnerschaften sehen werden, wie wir sie mit RWE und Kansai erlebt haben", sagt Eichhorn. "Es gibt vergleichbare, übertragbare Fähigkeiten und Technologien im Offshore-Öl- und Gassektor, auf die man zurückgreifen kann, um das Risiko bei der Entwicklung von FOW zu verringern.

Laut Grosset bieten sich in Zukunft in einer Reihe von verwandten Bereichen Möglichkeiten für Innovationen. "Die integrierten Windparks, die Wasserstoff produzieren, sind eine interessante Entwicklung; wir haben sogar Prototypen von Windturbinen in der Luft gesehen, wie etwa Luftschiffe. Ein anderes Beispiel ist die Anwendung von OW Technologien in Binnengewässern. Erst kürzlich wurde der größte Windpark dieser Art in den Niederlanden in Betrieb genommen.“

"In den kommenden Jahren wird der Druck wachsen, Energie außerhalb des Landes zu erzeugen. Erneuerbare Energien, egal ob Onshore-Wind- oder Solarenergie, benötigen viel Land, was zu Konflikten mit den Bedürfnissen der Landwirtschaft oder des Wohnungsbaus führen kann. Diese Bedenken gehen einher mit dem regulatorischen Druck zur Dekarbonisierung und der zunehmenden öffentlichen Besorgnis über Emissionen und Klimawandel.

"Da FOW-Turbinen jedoch weniger in die Umwelt eingreifen als fest installierte Anlagen, rechnen wir nicht mit einer signifikanten Zunahme umweltbezogener Rechtsstreitigkeiten - es könnte sogar weniger werden - aber die Branche und die Technologie sind so neu, dass dies noch abzuwarten bleibt. Wir erwarten kein erhöhtes Risiko durch Cyberkriminalität im Vergleich zu bestehenden Offshore-Windkraftanlagen.

Nachdem die Branche die Bereiche Forschung und Entwicklung, Prototypen und Machbarkeitsstudien hinter sich gelassen hat, werden nun die politischen Entscheidungsträger aufgefordert, die Branche mit einem unterstützenden Rechtsrahmen, Investitionen in die Infrastruktur sowie Finanzierungs- und Investitionslösungen zu fördern, die die kommerzielle Einführung unterstützen. Nur dann, so die Branchenexperten, kann das scheinbar grenzenlose Potenzial von FOW kosteneffizient genutzt und vollständig in den Energiemarkt integriert werden.