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Thema Faszination und Technik

22. Feb. 16

Forschen, um zu sparen

Die Wissenschaft vom Wind wurde lange belächelt. Heute arbeiten Hunderte auf dem Gebiet. Um sich zu etablieren, setzt die junge Disziplin vor allem auf ein Argument: Sie macht Windstrom billiger.

Joachim Peinke wurde Mitte der 1990er Jahre ausgelacht, als er sich entschied Windkraft als Wissenschaft zu betreiben. Heute ist die Disziplin etabliert und allein an der Oldenburger Universität arbeiten 120 Wissenschaftler daran, aus Wind Energie zu gewinnen.

Von Helmut Monkenbusch

Was musste sich Joachim Peinke nicht alles anhören. Windkraft ist doch keine Wissenschaft. Das ist was für Schrauber, aber doch kein Feld für Forscher. Was soll der Quatsch?, hieß es vor fast 20 Jahren, als er begann, in Oldenburg die Dynamik des Windes zu erforschen.

„Eigentlich haben alle gelacht und gesagt, es ist doch unter jedem Niveau, was ihr hier veranstaltet“, erinnert sich der Professor für Physik an die Häme seiner Forscherkollegen. Heute lacht keiner mehr.

An der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg erforschen inzwischen rund 120 Wissenschaftler, wie man aus Wind Energie gewinnt. Der Physiker, Jahrgang 1956, kann eine gewisse Genugtuung nicht verbergen, als er in seinem Büro im Oldenburger Zentrum für Windenergieforschung ForWind davon erzählt. Es gibt einen kleinen Stamm an festen Mitarbeitern, ansonsten ist es das an Hochschulen übliche Kommen und Gehen junger Doktoranden, die an Drittmittelprojekten arbeiten. Die Disziplin habe sich etabliert, sagt Peinke. „Und ich habe meinen Teil dazu beigetragen.“

Hinter ForWind verbirgt sich die Kooperation dreier Hochschulen. Oldenburg, Hannover und Bremen haben sich zusammengeschlossen, um gemeinsam Grundlagenforschung zur Windenergie zu betreiben, um industrielle Projekte wissenschaftlich zu begleiten und um Fach- und Führungskräfte auszubilden.

Die Windenergieforschung in Deutschland verbindet nicht nur eine ganze Reihe von Wissenschaftsdisziplinen, auch die Institute an verschiedenen Standorten arbeiten Hand in Hand, wie Peinke erklärt. Nur im Verbund lassen sich größere, von Bund und EU üppig geförderte Projekte realisieren. Vernetzung ist alles.

Und so ist ForWind, die Allianz der Nord-Unis, Teil eines noch größeren Wissenschaftsclusters: des Forschungsverbunds Windenergie (FVWE), der die stattliche Zahl von 600 Forschern mobilisieren kann. Zu den Partnern gehören das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie das Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) Nordwest.

Florian Sayer, Abteilungsleiter Rotorblatt vom Fraunhofer IWES, forscht daran, wie „Rotorblätter klugerweise nachgeben”. Rotorblätter sind hohen Belastungen ausgesetzt, gerade bei Windspitzen. Schon heute drehen sich moderne Turbine bei hohen Belastungen aus dem Wind.

Die Politik macht Druck: Windstrom muss günstiger werden

Das übergeordnete Ziel dieser Forschung ist meist die Senkung der Kosten, mit denen gerade die Offshore Windkraft zu kämpfen hat – etwa beim Bau der Windturbinen und ihrer Fundamente, beim Transport dieser tonnenschweren Komponenten in die Häfen und auf See sowie bei Betrieb und Wartung der Windparks.

Geforscht wird entlang der gesamten Wertschöpfungskette und unter dem zunehmenden politischen Druck, die Kosten für Produktion und Installation von Windkraftanlagen so zu minimieren, dass sich der enorme Aufwand zu guter Letzt lohnt.

Eines der populärsten FVWE-Projekte in diesem Rahmen trägt den Titel „SmartBlades“. Es soll dazu beitragen, die Belastung von Rotorblättern bei Windspitzen zu reduzieren – über die Blattgeometrie, den Materialaufbau oder über aktive bewegliche Klappen, wie sie bei Flugzeugflügeln üblich sind. Die Idee dahinter hat Florian Sayer, Abteilungsleiter Rotorblatt vom Fraunhofer Institut IWES, einmal so beschrieben: „Das Blatt gibt klugerweise nach.“

Gelingt es, die Spitzenlast auf den Rotorblättern zu senken, könnten Windräder erstens leichter konstruiert werden, was Material und Kosten sparen würde. Zweitens könnten die Rotorblätter verlängert werden, was einen höheren Stromertrag zur Folge hätte.

Bei einer anderen Variante ließen sich bewegliche Elemente ins Rotorblatt integrieren, um auf diese Weise Lastspitzen abzuregeln. Ein solches Blatt würde nachgeben, sich drehen und biegen, sobald der Wind auftritt. Mit zwölf Millionen Euro fördert das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie die Entwicklung und Konstruktion solcher intelligenten Rotorblätter. 1,8 Millionen Euro davon erhalten die Oldenburger Forscher.

An ein weiteres Verbundprojekt zum Thema Rotorblätter sind in Europa große Erwartungen geknüpft. Es nennt sich „BladeMaker“. Das Fraunhofer-IWES untersucht mit 15 Industrie- und Forschungspartnern, wie sich die Herstellung von Rotorblättern in Einzelschritten automatisieren lässt. Bislang werden die Blätter noch per Hand gefertigt, diese Arbeit macht ein Fünftel der gesamten Herstellungskosten einer Windenergieanlage aus.

„Ein Rotorblatt von rund 60 Meter Länge kostet derzeit etwa 200.000 Euro“, erklärt Florian Sayer. Über 20 Jahre muss es Wind und Wetter trotzen – das verlangt hohe Qualität. Der Forscher sieht gute Chancen, die Fertigungskosten durch Teilautomatisierung um bis zu zehn Prozent zu senken. Allein der Bund steckt fast zehn Millionen Euro in das Vorhaben.

50 Seiten lang ist die Liste der laufenden Forschungsvorhaben des Wirtschaftsministeriums im Bereich erneuerbare Energien. Bei der Windkraft sind allein 160 „Zuwendungsempfänger“ aus Forschung und Industrie aufgeführt, daneben stehen der jeweilige Gesamtförderbetrag und das Thema.

Mit der kleinsten Summe von 21.282 Euro ist die Universität des Saarlandes bedacht worden für ihre „Unterstützung des BMU bei der Teilnahme an Task 28 ‚Soziale Akzeptanz von Windenergie’ im Rahmen des internationalen Energieagentur Implementing Agreement Wind – Los A“. Saarland und Sozialwissenschaften, da kommt natürlich nicht so viel zusammen.

Eine LIDAR-Boje wird im Meer ausgebracht. Mit dieser Technik lassen sich die genauen Windgeschwindingkeiten messen. Ein ähnliches Thema, die „Entwicklung gondelbasierter LIDAR-Technologien”,  wurde von den Universitäten Oldenburg und Stuttgart erforscht.

Millionenschwere Förderung durch den Bund

Die größte Summe bekam das Fraunhofer-IWES für den Bau des ersten deutschen Prüfstands für Gondeln in Originalgröße. Für das DyNaLab in Bremerhaven (Dynamic Nacelle Testing Laboratory) spendierte der Bund exakt 19.979.000 Euro.

Einen Bericht über den ersten deutschen Prüfstand für Gondeln lesen Sie unter hier

Bereits abgeschlossen ist das vierjährige „Verbundvorhaben“ der Oldenburger Forscher (933.715 Euro) mit der Universität Stuttgart (596.194 Euro) zur „Entwicklung gondelbasierter LIDAR-Technologien für die Messung des Leistungsverhaltens und die Regelung von Windenergieanlagen (LIDAR II)“.

Die längste Laufzeit hat ein „Projekt“ der KfW Bankengruppe, die bis Dezember 2021 die Summe von 2.530.000 Euro dafür erhält, „Investitionszuschüsse für bis zu zwei Offshore-Projekte aus Mittel der EU-Kommission“ abzuwickeln.

Auch wenn die Forschung intensiv und kostspielig ist, eine Windkraft-Revolution aus dem Labor sollte niemand erwarten. Es geht vielmehr um Evolution – um die stete Verbesserung einer etablierten Technologie. Werden die Windkraftanlagen in zehn Jahren noch so aussehen wie heute? Davon ist Joachim Peinke überzeugt. Der Grund dafür: Das Prinzip der dreiblättrigen Windenergieanlage „ist einfach genial“.

Ihre Blätter beschreiben einen riesigen Kreis, aus dem sie die gesamte Energie einsammeln und an einem Punkt bündeln – und genau dort setzt man einen Generator hin. „An diesem System wird sich nicht viel ändern.“ Jetzt gehe es darum, es noch besser zu machen.

Die Kräfte, die auf Windenergieanlagen einwirken, sind enorm. „Die Anforderungen während einer 20-jährigen Laufzeit sind vergleichbar mit denen an ein Flugzeug, das sich in einem fiktiven, 15 Jahre dauernden Landeanflug bei starkem Wind befindet”, so Joachim Peinke.

Der Wind gibt der Wissenschaft noch immer viele Rätsel auf

Peinke ist Turbulenzforscher, und auf diesem Feld der Aerodynamik gibt es in seinen Augen noch viel zu erforschen. Mit seinem Team nimmt er die kleinskalige Struktur des Wetters in den Blick. „Wir suchen die Stecknadel im Heuhaufen.“ Wie wirken sich extreme Windböen aus, die sich nur 100 Meter vor einer Anlage bilden und mit 1000 PS in die Windräder einschlagen?

„Die Kräfte in einem Windfeld entfalten sich binnen Sekunden und schütteln die ganze Anlage durch.“ Mit der Folge, dass die gemessene Leistungsabgabe innerhalb weniger Sekunden um sogar 80 Prozent einbrechen kann.

Um die enormen Kräfte zu beschreiben, die auf hoher See wirken, vergleicht Peinke die Windanlage mit einem Flugzeug im Landeanflug. „Die Anforderungen während einer 20-jährigen Laufzeit sind vergleichbar mit denen an ein Flugzeug, das sich in einem fiktiven, 15 Jahre dauernden Landeanflug bei starkem Wind befindet.“

In zwei Jahrzehnten sei eine Anlage bis zu 100 Millionen Windstößen ausgesetzt, was extreme Herausforderungen an Material und Technik stelle. Ein großer Teil der Windenergiekosten entsteht deshalb durch Wartungen und Reparatur. Es kommt immer wieder zu Ausfällen.

Peinkes These ist: „Man unterschätzt die Bedingungen auf hoher See.“ Weil man zum Beispiel „die Details einer Turbulenz noch nicht richtig erfasst hat“, halten sensible Komponenten wie die Wechseltrichter nicht so lange wie erwartet.

Innovationen müssten darauf aufbauen, „Windturbulenzen besser zu beschreiben und dabei Windböen und deren Auftreten in Clustern zu erfassen“. Hierzu bedürfe es neuer Methoden, für die „in der nichtlinearen Dynamik und der statistischen Physik bereits wertvolle Grundlagen existieren“.

Hierzu bedarf es auch eines neuen Forschungslabors für Turbulenz und Windenergiesysteme. Herzstück des Oldenburger „WindLabs“, das im März 2015 Richtfest feierte, ist ein turbulenter Windkanal, in dem sich die Windfelder simulieren lassen, wie sie in der Natur vorkommen.

„Mit dem neuen Windkanal sind wir nun in der Lage, exakte Versuche zu Turbulenzentwicklungen auf Rotorblättern, einzelnen Modellwindenergieanlagen oder Anlagen in Windparkanordnungen durchzuführen“, so Peinke. Die Gesamtkosten von rund 20 Millionen Euro tragen je zur Hälfte der Bund und das Land Niedersachsen.

Im Oktober 2015 wurde das DyNaLab eingeweiht. Damit lassen sich Maschinenhäuser von Windkraftanlagen testen, bevor sie tatsächlich auf dem Meer installiert werden.

Entstehung des DyNaLab in Bremerhaven

Mit dem Dynamic Nacelle Testing Laboratory können Maschinenhäuser getestet werden.

Quelle: https://www.youtube-nocookie.com/watch?v=OYUxxQvrBx8

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Die Forschung verändert die Praxis

Sein Physikerkollege Bernhard Lange, Bereichsleiter Windparkplanung und -betrieb bei Fraunhofer-IWES, hat darüber hinaus einige Trends in der Forschung ausgemacht. „Bei den Tragstrukturen geht die Entwicklung deutlich hin zu Monopiles“, sagt Lange. Vor drei Jahren hätte wahrscheinlich kaum jemand erwartet, dass die Anlagen eines Tages auf nur einem Bein – statt auf dreien – stehen werden.

Auch über das Thema Fundament und Gründung wird zunehmend geforscht. Fundamente der neuen Generation werden teils nicht mehr in den Boden gerammt, sondern vergleichsweise leise durch Unterdruck in den Boden gelassen. Die Fundamente „schwemmen sich ein“, wie es heißt. „Lösungen brauchen wir ebenfalls für noch größere Wassertiefen“, so Lange. „Es tut sich einiges.“

Die technologische Führerschaft verordnet Lange weiterhin in Dänemark. Unser nördlicher Nachbar hat sowohl die Onshore- wie die Offshore-Windenergie an den Start gebracht. Die Deutschen dürften aber für sich in Anspruch nehmen, immerhin einen Meilenstein in der Entwicklung der Windkraft beigesteuert zu haben. Das im Oktober 2015 eingeweihte DyNaLab macht es „zum ersten Mal möglich, komplette Gondeln zu testen, bevor man sie aufs Meer hinausbringt“.

Die Windenergieforschung ist eine noch junge Disziplin. Dennoch ist die Meinung weit verbreitet, dass sie nicht alt wird. Jetzt, wo sich die Mühlen drehen, gebe es doch eigentlich nichts mehr zu erforschen.

„Autos fahren, Flugzeuge fliegen – und trotzdem arbeiten Tausende an deren Weiterentwicklung“, entgegnet Peinke. „Wollen wir ein Premiumprodukt herstellen oder ein einziges Modell wieder und wieder nachbauen?“ Deshalb warnt die Wissenschaftlergemeinde auch nachdrücklich davor, die Forschungsausgaben zu drosseln.

Sein Physikerkollege Bernhard Lange, Bereichsleiter Windparkplanung und -betrieb bei Fraunhofer-IWES, hat darüber hinaus einige Trends in der Forschung ausgemacht. „Bei den Tragstrukturen geht die Entwicklung deutlich hin zu Monopiles“, sagt Lange. Vor drei Jahren hätte wahrscheinlich kaum jemand erwartet, dass die Anlagen eines Tages auf nur einem Bein – statt auf dreien – stehen werden.

Auch über das Thema Fundament und Gründung wird zunehmend geforscht. Fundamente der neuen Generation werden teils nicht mehr in den Boden gerammt, sondern vergleichsweise leise durch Unterdruck in den Boden gelassen. Die Fundamente „schwemmen sich ein“, wie es heißt. „Lösungen brauchen wir ebenfalls für noch größere Wassertiefen“, so Lange. „Es tut sich einiges.“

Die technologische Führerschaft verordnet Lange weiterhin in Dänemark. Unser nördlicher Nachbar hat sowohl die Onshore- wie die Offshore-Windenergie an den Start gebracht. Die Deutschen dürften aber für sich in Anspruch nehmen, immerhin einen Meilenstein in der Entwicklung der Windkraft beigesteuert zu haben. Das im Oktober 2015 eingeweihte DyNaLab macht es „zum ersten Mal möglich, komplette Gondeln zu testen, bevor man sie aufs Meer hinausbringt“.

Die Windenergieforschung ist eine noch junge Disziplin. Dennoch ist die Meinung weit verbreitet, dass sie nicht alt wird. Jetzt, wo sich die Mühlen drehen, gebe es doch eigentlich nichts mehr zu erforschen.

„Autos fahren, Flugzeuge fliegen – und trotzdem arbeiten Tausende an deren Weiterentwicklung“, entgegnet Peinke. „Wollen wir ein Premiumprodukt herstellen oder ein einziges Modell wieder und wieder nachbauen?“ Deshalb warnt die Wissenschaftlergemeinde auch nachdrücklich davor, die Forschungsausgaben zu drosseln.

Einen Bericht zur Warnung der Wissenschaftler lesen Sie hier.

Forscher und Entwickler müssten im Flugzeugbau wie in der Energieindustrie kontinuierlich neue Erkenntnisse gewinnen und Innovationen hervorbringen, so Peinke. „Sonst verlieren wir diese Märkte."

Ricarda Schuller
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