Können Windkraftanlagen unendlich wachsen?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Cheng Mingchen (populärwissenschaftlicher Autor)

Hersteller: China Science Expo

Am 26. Juni 2024 wurde die von meinem Land unabhängig entwickelte 18-MW-Offshore-Windturbine mit Semi-Direktantrieb erfolgreich an das Netz angeschlossen und erzeugte auf der Shantou Wind Power Coastal Test Base in der Provinz Guangdong Strom. Damit brach sie erneut den Weltrekord für die größte Einzelleistung einer netzgekoppelten Windturbine. Die Lokalisierungsrate auf Komponentenebene dieser Einheit erreicht 100 % und die durchschnittliche jährliche Stromerzeugung kann 72 Millionen kWh erreichen, was den jährlichen Stromverbrauch von etwa 40.000 Haushalten decken kann.

Am 5. Juni 2024 wurde die 18 MW starke, halbdirektgetriebene Offshore-Windturbine mit hoher Leistung erfolgreich auf dem Testgelände für Küstenwindkraft in der Stadt Shantou in der Provinz Guangdong installiert.

(Fotoquelle: Dongfang Electric Corporation)

Wenige Tage später, am 30. Juni, wurde die von meinem Land unabhängig entwickelte integrierte 18-MW-Offshore-Windturbine mit mittlerer Geschwindigkeit nach über einem Jahr umfassender Tests und Überprüfungen erfolgreich im Wärmekraftwerk Huaneng Xianren Island in Yingkou in der Provinz Liaoning installiert. Damit steht die Windturbine, die mit einem Rotordurchmesser von 260 Metern und einer Einzelleistung von 18 MW die „zwei Weltneuheiten“ aufstellte, kurz vor der kommerziellen Inbetriebnahme.

Die Forschung im Bereich der Offshore-Windenergietechnologie ist für mein Land ein wichtiges Mittel, um nationale strategische Ziele wie Energiesicherheit und den Aufbau einer starken Seefahrernation zu erreichen. Vor mehr als zehn Jahren steckte Chinas Offshore-Windkraftindustrie noch in den Kinderschuhen. Bislang hat Chinas Windkraft den weltweiten Trend zu größeren Windturbinen angeführt, wobei unabhängige Markenprodukte ständig Innovationen hervorbringen und die Führung beim Vordringen in das „Niemandsland“ der Windkrafttechnologie und industriellen Entwicklung übernehmen.

Windkraftanlagen: Größer ist der richtige Weg

Mit dem technologischen Fortschritt werden hohe Gebäude, Brücken und Industrieprodukte wie Fernseher immer größer, und das Gleiche gilt für Windkraftanlagen. Im Jahr 1981 hatte die größte Windkraftanlage der Welt eine Leistung von lediglich 55 Kilowatt (55 kW). Im Jahr 1995 stieg diese Zahl langsam auf 500 kW und erreichte im Jahr 1999 2 Megawatt (2 MW). Seitdem ist die Nennleistung der Windkraftanlagen jedoch rasant auf 5 MW, 8 MW, 10 MW, 15 MW, 18 MW, 20 MW und sogar 22 MW gestiegen. Derzeit sind keine Anzeichen einer Verlangsamung dieses Trends hin zu groß angelegten Bauvorhaben erkennbar.

Wie lässt sich die Leistung großer Windkraftanlagen weiter steigern? Die Antwort: immer länger werdende Blätter. Größere Rotorblätter gewinnen beim Drehen Energie aus einem größeren Windbereich und erzeugen so mehr Strom. Die von einem Generator erzeugte Strommenge hängt direkt von der Fläche der Scheibe ab, die die Rotorblätter beim Drehen überstreichen.

18 MW Offshore-Windturbine mit Semi-Direktantrieb läuft vom Band

(Fotoquelle: Fuzhou Evening News)

Warum also werden Windkraftanlagen so schnell größer? Dieses Thema wurde in einem Artikel mit dem Titel „Windturbinen: Wie groß?“ erörtert. veröffentlicht in der November-Printausgabe 2019 von Nature. Professor Simon Hogg von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Durham University in Großbritannien erklärte, dass es im Wesentlichen nur einen Grund gebe, nämlich die Senkung der Energiekosten.

Obwohl mit der Größe der Windkraftanlagen die Kosten für Design, Herstellung, Transport, Installation und Wartung steigen, wird auch die Stromerzeugung deutlich zunehmen. Zahlreiche derzeit erfasste Daten zu den Anlagen zeigen, dass die durchschnittlichen Kosten pro Kilowattstunde (das Verhältnis der Einnahmen aus der Stromerzeugung pro Kilowattstunde zu den Gesamtkosten) umso niedriger sind, je größer die Anlage ist. Aufgrund dieses Gesetzes werden Windkraftanlagen immer größer.

Kann nicht aus der Begrenzung springen

Längere Rotorblätter würden eine höhere Stromerzeugung ermöglichen, allerdings müssen wir dabei strenge physikalische Gesetze berücksichtigen. Aufgrund von Faktoren wie der Schwerkraft hat jedes Objekt auf der Erde eine maximale Größe. Ob es sich beispielsweise um das größte Landtier, den Elefanten, das größte Meerestier, den Blauwal, oder den höchsten Berg, das höchste Gebäude usw. handelt, alles auf der Welt hat eine Grenzgröße. Daher bilden Windkraftanlagen keine Ausnahme und die Größe ihrer Rotorblätter kann nicht unbegrenzt vergrößert werden.

Zunächst einmal ist das Gewicht der erste Faktor, der berücksichtigt werden muss. Das Gewicht der Klinge steigt mit der dritten Potenz der Klingenlänge. Gleichzeitig muss zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit und Sicherheit der Struktur jede Komponente mit mehr Material verstärkt werden, was wiederum zusätzliches Gewicht erzeugt und somit die Konstruktion großer Einheiten vor größere Herausforderungen stellt. Jedes Rotorblatt der 10-MW-Anlage des dänischen Unternehmens Vestas wiegt 35 Tonnen, die Gondel wird fast 400 Tonnen wiegen. Die von GE (General Electric) aus den USA auf den Markt gebrachte Anlage wird mit 55 Tonnen schweren Rotorblättern, einer 600 Tonnen schweren Gondel und einem 2.550 Tonnen schweren Turm ausgestattet sein.

Zweitens müssen auch die Grenzen der Materialleistung berücksichtigt werden. Theoretisch können die Materialien, aus denen die Rotorblätter von Windkraftanlagen bestehen, ihr weiteres Wachstum nur dann unterstützen, wenn sie über eine ausreichende strukturelle Tragfähigkeit verfügen. Derzeit wird für die Hauptträger der Rotorblätter von Windkraftanlagen weitgehend das Materialsystem aus Kohlefaser verwendet. Man kann sagen, dass dies das stärkste Materialsystem ist und es in Zukunft kaum eine bessere Wahl für Klingen geben wird. Aufgrund der Einsatzgrenzen von Kohlefaser werden die größten Rotorblätter bald eine Länge von 150 Metern überschreiten. Manche sagen sogar voraus, dass die maximale Rotorblattlänge 275 Meter betragen wird.

Vollintegrierte Offshore-Windturbine mit mittlerer Drehzahl und 18 MW installiert

(Fotoquelle: CCTV News)

Bedenken Sie noch einmal die Verlustsituation. Basierend auf der aktuellen Konstruktion wird davon ausgegangen, dass die Luft inkompressibel ist und die lineare Geschwindigkeit der Blattspitze auf 90 Meter pro Sekunde begrenzt werden muss. Daher gilt: Je größer das Laufrad, desto langsamer die Geschwindigkeit. Dennoch kann es durch die Hochgeschwindigkeitsbewegung der Blattspitze zu Kollisionen mit Regentropfen und Wellen kommen, was zu einer ernsthaften Erosionsgefahr führt. Innerhalb von drei Jahren wird die Vorderkantenform der Rotorblätter von Offshore-Windkraftanlagen beschädigt sein und die Effizienz der Stromerzeugung wird erheblich abnehmen.

Schließlich ist da noch die Frage des Transports. Jedes Rotorblatt in der Größe von Big Ben muss in einem Stück transportiert werden, was riesige Häfen, riesige Schiffe und Kräne erfordert. Aufgrund von Einschränkungen wie Straßenbreite und Durchlässen an Land ist der Transport von Rotorblättern an Land zu einem Engpass geworden. Aus diesem Grund werden derzeit alle riesigen Rotorblätter von Windkraftanlagen auf See installiert.

Groß angelegte Entwicklungsrichtung

Mit der zunehmenden Größe von Windkraftanlagen treten auch die verschiedenen Probleme, mit denen sie konfrontiert sind, immer deutlicher hervor. Allerdings verfolgen die meisten Ingenieure derzeit einen Ansatz der „ständigen Veränderung“, bei dem sie lediglich die Rotorblätter verlängern, den Turm erhöhen und die Kernkomponenten verstärken. Am Designkonzept hat sich nichts geändert. Zwischen der großen und der kleinen Einheit, die jeweils 10-mal größer sind, besteht kein wesentlicher Unterschied.

Als Kernkomponente von Windkraftanlagen waren Rotorblätter schon immer ein unverzichtbarer Bestandteil der groß angelegten Entwicklung von Windkraftanlagen. Herkömmliche Windturbinen verfügen über drei Rotorblätter, tatsächlich können jedoch auch zwei Rotorblätter etwa die gleiche Menge Windenergie aufnehmen und ähnliche Mengen an Elektrizität erzeugen. Wenn die Windkraftanlage eine Zweiblattlösung verwendet, wird ihr Gesamtgewicht offensichtlich erheblich reduziert und die Blattlänge kann entsprechend erhöht werden. Allerdings führt die Zweiblattlösung zu einer erheblichen Schieflast, die einem langfristig stabilen Betrieb des Geräts nicht zuträglich ist, weshalb sie nur selten auf dem Markt erscheint.

Im Hinblick auf das oben erwähnte Problem des Rotorblatttransports besteht die direkteste und effektivste Lösung darin, die Rotorblätter in zwei oder mehr Abschnitte zu unterteilen. Um die Zuverlässigkeit und Sicherheit des segmentierten Verbindungsbereichs zu gewährleisten, sind segmentierte Blätter im Vergleich zu Einzelblättern jedoch häufig schwerer und stärker belastet, was für Großgeräte ungünstig ist und die Konstruktion schwieriger macht. Trotzdem investieren derzeit viele Windkraftunternehmen aktiv in die Forschung und Entwicklung segmentierter Rotorblätter, und in den nächsten Jahren werden diese nach und nach auf den Markt kommen.

Abschluss

Noch vor zehn Jahren war Windenergie eine neue Entwicklung und die vorherrschende Meinung war damals nicht der Meinung, dass sie kommerziell genutzt werden könnte. Doch mittlerweile erobert die Windkraft den Energie- und Strommarkt mit einer für die Menschheit ungeahnten Geschwindigkeit. Obwohl auch die Größe von Windkraftanlagen zunimmt, ist absehbar, dass ihre maximale Größe in den nächsten fünf bis zehn Jahren die Grenze erreichen oder sich ihr nähern wird. Dann werden wir Zeugen eines historischen Ereignisses.

Verweise

[1] VACLAV SMIL: Windturbinen werden immer größer, aber es gibt eine Grenze. Die größten Rotorblätter werden bald über 100 Meter lang sein, und manche sprechen von 275 Metern – aber die Gesetze der Physik müssen berücksichtigt werden.

[2] Simon Hogg: Windkraftanlagen haben bereits die Größe von Wolkenkratzern – gibt es eine Grenze für ihre zukünftige Größe?

[3] Windkraftanlagen haben bereits die Größe von Wolkenkratzern – gibt es eine Grenze für ihre zukünftige Größe?