Offshore-Strom. Was der Meerwind wirklich mehr bringt. Wind-Eldorado Nordsee. Offshore-Stromerzeugung. Mammut-Projekt Energiewende

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1 Offshore-Strom Was der Meerwind wirklich mehr bringt In der Nordsee entstehen die Windparks für die Energiewende. Aber die Technologie hat den eigentlichen Test noch vor sich. Und für die Errichtung von Windrädern auf dem Meer gibt es noch kein erprobtes Rezept Ralph Caspers hat die Windkraft-Pioniere in der Nordsee besucht. Offshore-Strom Wind-Eldorado Nordsee Offshore-Stromerzeugung Redaktion: Wolfgang Lemme Chefautor: Reinhart Brüning Assistenz: Ulla Heidtmann Mammut-Projekt Energiewende Kann die Energiewende gelingen Ist Offshore-Windenergie überhaupt sinnvoll? Seite 1

2 Offshore-Strom Was der Meerwind wirklich mehr bringt In der Nordsee herrscht Goldgräberstimmung: Viele Kilometer von der Küste entfernt entstehen die Windparks für die Energiewende. Aber die Technologie hat den eigentlichen Test noch vor sich. Und für die Errichtung von Windrädern auf dem Meer gibt es noch kein erprobtes Rezept. Ralph Caspers hat die Windkraft-Pioniere in der Nordsee besucht und miterlebt, welch harte Arbeit es ist, einen Windpark mitten im Meer zu errichten. Dabei zeigt Quarks auch, wozu dieser gigantische Aufwand betrieben wird und geht der Frage nach, ob es überhaupt sinnvoll ist, aus Meerwind Strom zu gewinnen. Filmautor: Reinhart Brüning Linktipps: Webcam der Forschungsplattformen in Nord- und Ostsee Nr. 1 (Fino1: Nordsee) Um Erkenntnisse über die Bedingungen für Windenergienutzung auf See zu erhalten, wurden drei Forschungs-Plattformen in Nord- und Ostsee aufgestellt, die auch jeweils eine Webcam haben. Seite 2

3 Webcam der Forschungsplattformen in Nord- und Ostsee Nr. 3 (Fino3: Nordsee) Webcam der Forschungsplattformen in Nord- und Ostsee Nr.2 (Fino2: Ostsee) Das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie Das Amt ist für die Zulassung von Offshore-Windenergieanlagen zuständig. Dort sind auch alle derzeit genehmigten Windparks aufgelistet. Ökologische Auswirkungen der Offshore-Windenergie g.jsp Das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie gibt ausführliche Informationen über die ökologische Begleitforschung dabei geht es um die Frage, was die Auswirkungen der Windkraftanlagen auf das Ökosystem Meer sind. Kurzfassung der Fraunhofer-Studie: Wie viel Offshore-Windenergie ist sinnvoll? NeueStudieFraunhoferIWES_Ener giewirtschaftlichebedeutungvonoffshore-windenergie.pdf Das Fraunhofer-Institut für Windenergie und für Energiesystemtechnik hat in einer Studie untersucht, wie viel Offshore-Windenergie für die Energiewende sinnvoll ist. Dort sind auch unterschiedliche Szenarien für das Jahr 2050 berechnet. Dann soll die Energieversorgung zu 80 Prozent mit erneuerbaren Energien bestritten werden. (PDF, 21 Seiten, 1,2 MB) Aktuelle Karte zu Offshore-Windkraft Nordsee Informationssystem/ContisKarten/NordseeOffshoreWindparksPilotgebiete.pdf Das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie bietet eine aktuelle Karte über die Offshore-Windkraft-Aktivitäten auf Nord- und Ostsee. (PDF, 1 Seite, 331 kb) Seite 3

4 Aktuelle Karte zu Offshore-Windkraft in der Ostsee Informationssystem/ContisKarten/OstseeOffshoreWindparksPilotgebiete.pdf Das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie bietet eine aktuelle Karte über die Offshore-Windkraftaktivitäten auf Nord- und Ostsee. (PDF, 1 Seite, 333 kb) Die Stiftung Offshore-Windenergie Die Stiftung ist ein Lobby-Verband, der die Interessen der Branche vertritt. Dort gibt es zahlreiche Informationen und Studien zu dem Themenbereich. Informationen zum Windpark Meerwind Süd Ost Die Firma WindMW, die für Planung, Errichtung und Betrieb des Windpark Meerwind Süd Ost zuständig ist, bietet unter anderem technische Informationen und Informationen zum Verlauf des Projektes. Seite 4

5 Lesetipps: Alpha Ventus. Unternehmen Offshore Autor: Detlef Könemann und Dierk Jensen Verlagsangaben: Bielefelder Verlag, 2010, ISBN: Sonstiges: 183 Seiten, 29,90 Euro Bildband mit sehr eindrucksvollen Fotos. Dokumentiert wird die Entstehung des Versuchs-Windparks Alpha Ventus in der Nordsee. Der Text ist in Deutsch und Englisch. Erneuerbare Energien und Klimaschutz Autor: Volker Quaschning Verlagsangaben: Carl Hanser Verlag, München, 2013, ISBN: Sonstiges: 379 Seiten, 24,99 Euro Das Buch gibt einen umfassenden Überblick über die unterschiedlichen erneuerbaren Energien und ihrer Rolle zum Erreichen der Klimaschutzziele. Das Buch ist auch für Laien geeignet. Deutschlands Energiezukunft. Kann die Energiewende gelingen? Autor: Manfred Popp Verlagsangaben: Wiley-VCH Verlag, 2013, ISBN: Sonstiges: 300 Seiten, 24,90 Euro Das Buch wendet sich sehr grundsätzlich den erneuerbaren und traditionellen Energien zu. Dabei wird auch die Kernenergie differenziert aber vergleichsweise positiv diskutiert. Das Buch ist für Laien gut verständlich. Seite 5

6 Erneuerbare Energie. Konzepte für die Energiewende. Herausgeber: Thomas Bührke und Roland Wengenmayr Verlagsangaben: Wiley-VCH Verlag, 2012, ISBN: Sonstiges: 176 S., 34,90 Euro Das Buch gibt Beispiele aus unterschiedlichen Bereichen der erneuerbaren Energien. Es ist grafisch sehr ansprechend gestaltet und für Laien gut verständlich. Einführung in die Windenergietechnik Herausgeber: CEwind eg und Alois Schaffarczyk Verlagsangaben: Carl Hanser Verlag, München, 2012, ISBN: E-Book - ISBN: Sonstiges: 496 Seiten, 39,90 Euro (E-Book: 31,99 Euro) Ein sehr praxisorientiertes Fachbuch für Experten. Für Laien aufgrund vieler Formeln und Details nur bedingt geeignet. Seite 6

7 Wind-Eldorado Nordsee Die gigantischen Windparks Die Windparks in der Nordsee sollen die Energiewende in Deutschland voranbringen. Es sind riesige Industrieanlagen auf hoher See. Wie viel Windparks sind geplant? Wie ist der Stand der Bauarbeiten? Was muss alles geschehen, damit ein Windpark ans Netz gehen kann? Quarks gibt Ihnen einen Überblick. Filmautor: Reinhart Brüning Seite 7

8 Offshore-Stromerzeugung Die verborgene Welt Die Windräder der Offshore-Windparks weit draußen auf der Nordsee sind von der Küste aus nicht mehr zu sehen. 96 Windparks sind schon geplant und es sollen noch mehr werden. Und was da errichtet wird, ist gewaltig. Quarks zeigt die verborgene Welt der Offshore-Stromerzeugung in vier Grafiken. 1 - transparent - geplant Die Windkraftanlagen sollen von der Küste aus nicht zu sehen sein. Deshalb werden sie in einer Entfernung von 30 bis 120 Kilometern errichtet, damit sie hinter der Erdkrümmung verschwinden. Was Wind und Wellen betrifft, herrschen dort auf der Nordsee beinahe Hochseebedingungen. Das und die Wassertiefe von 20 bis 45 Metern machen den Bau der Parks besonders schwer. Beim Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie sind 96 Windparkvorhaben mit insgesamt Windrädern beantragt. (Stand 2013) 2 - gelb - genehmigt Allein die 2013 bereits genehmigten Windparks werden einmal aus Windrädern bestehen und etwa zehn Gigawatt leisten das ist etwa so viel wie sieben Atomkraftwerke zusammen. 3 - pink - im Bau Sieben Windparks sind im Bau. Die meisten werden bis 2015 am Netz sein. Seite 8

9 4 - grün - am Netz Zwei Windparks sind bereits am Netz und liefern Strom. (Stand: Januar 2014) Der erste war der Versuchspark Alpha Ventus. Der speist seit 2011 jährlich etwa 270 Gigawattstunden ein und liegt damit sogar über dem ursprünglich erwarteten Ertrag. Alpha Ventus hat eine Nennleistung von 60 Megawatt. Der erste kommerzielle Windpark, BARD Offshore 1, der seit September 2013 vollständig am Netz ist, leistet 400 Megawatt. 5 - Windpark: Meerwind Süd Ost 80 Windräder sollen im Windpark Meerwind Süd Ost im Volllastbetrieb je 3,6 Megawatt Leistung bringen. Das sind zusammen 288 Megawatt. Damit könnten alle 80 Millionen Bürger in Deutschland zwei Föhne mit je 2000 Watt Leistung gleichzeitig betreiben oder Haushalte komplett mit Strom versorgt werden. Die Projektkosten liegen bei etwa 1,2 Milliarden Euro hinzu kommen Kosten für den Netzanschluss auf See von etwa 300 Millionen Euro. Baubeginn war im September Im Jahr 2014 soll der Park fertiggestellt sein. Betreiber ist die Firma WindMW aus Bremerhaven. 6 - Gleichstromleitung Das Gleichstromkabel verläuft 85 Kilometer im Meer und weitere 45 Kilometer an Land bis zum neu entstehenden Umspannwerk Büttel. Durchmesser der Kupferadern in den Kabeln: Seekabel: 3,9 Zentimeter; Erdkabel: 4,8 Zentimeter 7 - Umspannwerk Büttel Im neuen Umspannwerk Büttel wird der mit Volt ankommende Offshore- Gleichstrom in Volt Wechselstrom transformiert und in das Wechselstrom-Übertragungsnetz eingespeist. Die Leitung soll voraussichtlich Ende 2014 in Betrieb gehen. Dann kann der erste Strom des Windparks Meerwind Süd Ost in das Stromnetz eingespeist werden. 8 - Helgoland Helgoland ist für viele Offshore-Windparks die Basisstation das gilt sowohl für die Bauphase, als auch später für den Betrieb. Denn für Wartungsarbeiten muss später ständig Personal vor Ort sein. Die Betreiberfirma WindMW hat daher auf Helgoland ein ganzes Hotel direkt für zehn Jahre gemietet. Seite 9

10 9 - Konverter-Station Bevor der Strom über lange Leitungen an Land transportiert wird, muss er erneut umgewandelt werden. Das geschieht in der Konverter-Station. Dort werden aus den Volt Wechselstrom Kilovolt Gleichstrom gemacht. Auf diese Weise lässt sich der Strom über lange Strecken transportieren wurde die Konverterplattform "HelWin1" nördlich von Helgoland errichtet. Der Bau soll 2014 fertig werden. Dann wird dort der Strom des Windparks Meerwind Süd Ost und eines weiteren Windparks in Gleichstrom umgewandelt und an Land weitergeleitet. Gewicht: Tonnen Maße: 72,5 x 51 x 28 Meter 10 - Verkabelung des Parks Innerhalb des Windparks mussten 107 Kilometer Kabel gelegt werden. Dabei sind jeweils fünf Windräder gemeinsam an eine Leitung angeschlossen. Diese Leitungen haben einen Außendurchmesser von 11,5 Zentimeter und jede der drei darin enthaltenen Kupferadern ist 1,4 Zentimeter dick Erträge Die Erträge von Kraftwerken werden in Volllaststunden angegeben. Wenn ein Windrad an 365 Tagen im Jahr 24 Stunden laufen könnte und dabei immer die Nennleistung liefern würde, hätte diese Anlage 8760 Volllaststunden. Wartungsarbeiten oder weniger Wind führen jedoch dazu, dass die Anlage nicht ständig auf Volllast laufen kann. Auf dem Meer bringt eine Anlage etwa 4000 bis Seite 10

11 4500 Volllaststunden pro Jahr. An Land sind es dagegen nur 1700 bis 2500 Stunden Trafostation mit Hubschrauberlandeplatz Über die Leitungen innerhalb des Windrades wird der Wechselstrom der Windräder mit einer Spannung von Volt zur Trafostation geleitet. Die Trafostation erhöht die Spannung auf Volt. Je höher die Spannung, desto geringer ist der Transportverlust des Stroms. Von dort geht der Strom weiter zur großen Konverterstation. Die Trafostation besitzt einen eigenen Hubschrauberlandeplatz für Notfälle. Maße: 31 x 46 x 12 Meter Gewicht: 3500 Tonnen Seite 11

12 13 - Fundament Für die riesigen Windräder kommen unterschiedliche Fundamenttypen zum Einsatz. Beim Windpark Meerwind Süd Ost werden einzelne Stahlrohre genutzt, die etwa 30 Meter in den Meeresboden gerammt werden (sogenannte Monopiles). Für größere Wassertiefen sind Fundamente mit drei Verankerungen üblich. Länge: bis 70 Meter Durchmesser: 5,50 Meter Gewicht: bis zu 700 Tonnen 14 - Verbindungsstück Fundament und Turm sind durch ein 300 Tonnen schweres Verbindungsstück ("Transition Piece") miteinander verbunden. Wer von einem Schiff aus ein Windrad erreichen will, klettert erst eine Leiter hoch. Oben gibt es eine Art Balkon. Dort ist der Einstieg in den Turm. Von da aus geht es dann per Fahrstuhl weiter Turm Das Windrad muss ständig dem starken Wind auf See trotzen. Es ist aus Stahl gebaut und muss besonders stabil sein. Denn bei einer Nabenhöhe von 89 Metern wirkt die Kraft des Windes über einen großen Hebelarm. Ein Fünftel der Kosten einer Windkraftanlage wird für den Turm investiert Gondel Die Gondel ist das Herzstück der Windkraftanlage und mit einem Anteil von einem Drittel der Gesamtkosten eines Windrades auch das teuerste Teil. In ihr wird die von den Rotorblättern aufgenommene Kraft an den Generator übertragen. Dafür gibt es unterschiedliche Konzepte, die über die Qualität eines Windrades Seite 12

13 entscheiden: Neben Varianten mit Getriebe gibt es auch getriebefreie Windräder, in denen die Kraft direkt auf den Generator übertragen wird. Das senkt den Wartungs- und Reparaturaufwand Rotorblätter: Das Rotorblatt ist ein besonders wichtiger Teil des Windrades. Von seiner Form und Größe hängt ab, wie groß die Ausbeute an Windstrom ist. In den letzten 25 Jahren sind die Rotorblätter immer größer geworden: von ehemals 20 Meter Durchmesser auf heute 120 Meter. Das Rotorblatt ist starken Kräften ausgesetzt. Gleichzeitig soll es möglichst leicht sein. Das ist eine große Herausforderung. Entsprechend hoch sind auch die Kosten: Die Rotorblätter machen etwa ein Sechstel der Gesamtkosten eines Windrades aus. Heute werden als Material glasfaserverstärkte Kunststoffe verwendet. Bei sehr großen Blättern werden an besonders belasteten Stellen auch schon die stabileren aber auch teureren Kohle- oder Carbonfasern verwendet Errichterschiff Zaratan Die Zaratan ist ein speziell für den Bau von Windkraftanlagen und Ölbohrplattformen gedachtes "Errichterschiff". Für die Endmontage im Windpark Meerwind Süd Ost hatte sie jeweils die Teile für fünf komplette Windräder an Bord. Von der Brücke aus wird das Schiff nicht nur manövriert, sondern von dort werden auch die Beine gesteuert, mit deren Hilfe das Schiff zu einer Arbeitsplattform wird. Länge: 109 Meter Breite 41 Meter 19 - Kabinen Für die Crew und die Arbeiter gibt es 54 Kabinen für insgesamt 90 Personen. Anders als auf Containerschiffen brauchen Errichterschiffe deutlich mehr Kabinen, denn auf Schiffen wie der Zaratan arbeiten vergleichsweise viele Menschen Maschinenraum Im Maschinenraum gibt es sechs große Dieselmotoren, jeweils mit einer Leistung von über 1400 PS. Dort ist auch der Antrieb für die Hydraulik zum Bewegen der vier großen Stützen des Schiffs. Seite 13

14 21 - Aufenthaltsräume und Kantine Auf dem Schiff ist alles vorhanden, was die Besatzung zum Essen braucht. Da in zwei Schichten rund um die Uhr gearbeitet wird, gibt es in der Kantine (die Seeleute sagen dazu "Messe") vier warme Mahlzeiten am Tag. Außerdem hat die Zaratan eine Wäscherei, einen Fitnessraum, einen Fernsehraum und weitere Aufenthaltsräume. Zusätzlich gibt es an Bord mehrere Büroräume Kran Die Höchstlast des Krans beträgt 800 Tonnen. Bei den schweren Lasten, die bewegt werden müssen, kommen Kran und Kranführer eine Schlüsselrolle zu. Er muss den Kranhaken extrem genau führen, damit er nirgendwo anstößt. Die Bauteile an Deck stehen sehr dicht beieinander Hebevorrichtung (Jacking System) Während des Aufbaus der Windräder wird das Schiff zu einer Art Insel. Dafür bockt es sich mit vier großen Beinen auf dem Meeresgrund auf. Da die Hydraulik beim Anheben des Schiffs eine gewaltige Last bewältigen muss, geht das nur mit langsamen 40 Zentimetern pro Minute. Die Länge der Stützen reicht für eine maximale Wassertiefe von 55 Metern Hubschrauberlandeplatz (Helideck) Wenn das Errichterschiff aufgebockt ist, kann kein anderes Schiff anlegen. Und auch bei schlechtem Wetter ist Anlegen zu gefährlich. Wenn das Schiff vom Meer aus nicht zu erreichen ist, bleibt als einzige Transportmöglichkeit der Hubschrauber. Für den gibt es einen speziellen Landeplatz: das Helideck in der Nähe der Kommandobrücke. Seite 14

15 25 - Rotorwelle Die Rotorwelle überträgt die Kraft zum Getriebe Getriebe Das Getriebe hat die Aufgabe, die niedrige Drehzahl des Rotors in eine hohe Drehzahl zu übersetzen. Normale Generatoren benötigen eine höhere Drehzahl, als der Rotor liefern kann. Ganz wichtig ist dabei auch die Robustheit, denn Getriebeschäden sind extrem teuer. Besonders auf See kommen zu dem Preis für das Getriebe enorme Transport- und Montagekosten hinzu Generator Der Generator wandelt die mechanische Leistung in elektrische Leistung um. Da der Generator je nach Wind mit unterschiedlicher Drehzahl arbeitet, ist zusätzlich ein Frequenzumrichter erforderlich, um die festgelegte Netzfrequenz von 50 Hertz zu erreichen. Es gibt bereits Generatoren für getriebelose Windkraftanlagen. Die sind jedoch deutlich schwerer und teurer Windrichtungsnachführung Für einen guten Ertrag ist es entscheidend, dass das Windrad immer optimal zum Wind ausgerichtet ist. Moderne Anlagen verfügen dafür über einen elektrischen oder hydraulischen Antrieb, der die Gondel in den Wind dreht. Autor: Reinhart Brüning Seite 15

16 Mammut-Projekt Energiewende Warum die Energiewende gelingen muss Seit einigen Jahren mehren sich die Zeichen, dass sich etwas verändert auf unserem Planeten. Große Teile der Erde erscheinen zwar noch unberührt. Aber die Veränderungen sind bereits messbar. Alle ernstzunehmenden Experten sind sich heute einig: Mit dem Verbrennen von Kohle, Öl und Gas heizen wir den Klimawandel an. Dabei ist die Alternative schon lange da: die Sonne. Sie liefert Energie im Überfluss zum Beispiel als Wind. Filmautor: Reinhart Brüning Seite 16

17 Kann die Energiewende gelingen? Stromversorgung in der Zukunft Die Stromversorgung der Zukunft ist dezentral. Erzeuger, Netzbetreiber und Verbraucher werden sich über eine Art Internet der Energie miteinander vernetzen. Aus passiven Konsumenten werden auf dem neuen Energiemarkt aktive Mitspieler. Sogenannte Smart-Meter ersetzen die alten Stromzähler und schalten elektrische Geräte automatisch ein, wenn ein großes Stromangebot da ist, zum Beispiel bei starkem Wind. Das entlastet die Netze, aber auch die Verbraucher profitieren davon: Wenn viel Strom da ist, ist er billig. Und je knapper er ist, desto teurer wird er. Strom zu verbrauchen, wenn er reichlich vorhanden und günstig ist, macht vor allem bei Geräten Sinn, die auf Vorrat oder zeitversetzt arbeiten können, wie Kühltruhen oder Waschmaschinen. Auch Elektrofahrzeuge können ihren Strom dann tanken, wenn er im Überfluss da ist, zum Beispiel nachts. Filmautor: Reinhart Brüning Seite 17

18 Ist Offshore-Windenergie überhaupt sinnvoll? Vor- und Nachteile der Energieerzeugung auf hoher See Im Jahr 2050 soll Deutschland zu 80 Prozent mit erneuerbaren Energien versorgt werden. Windkraft wird dabei eine große Rolle spielen. Vergleicht man die Kosten für Windkraft auf See und auf dem Land, dann ist klar: Der Strom vom Meer ist zurzeit etwa doppelt so teuer wie der auf dem Land erzeugte Windstrom. Auf See müssen teurere Materialien verwendet werden beispielsweise, um vor Rost zu schützen. Die Fundamente sind viel teurer und Aufbau und Wartung kosten wesentlich mehr. Strom auf See wird weit entfernt vom Verbraucher erzeugt. Entsprechend teurer ist die Netzanbindung. Und Transportwege bedeuten immer auch Verlust. Ist an Land nicht noch genügend Platz für weitere Windkraftanlagen? Leider nein: Die Flächen sind begrenzt. Je nach politischen Rahmenbedingungen und Akzeptanz durch die Anwohner liegt die Obergrenze bei höchstens zwei Prozent der Landesfläche. Und das allein reicht für die Energiewende nicht aus. Aber es gibt noch viel mehr Argumente, die für und gegen die Energieerzeugung auf dem Meer sprechen. Sehen Sie sich den Quarks-Film an. Filmautor: Reinhart Brüning Seite 18

19 Impressum: Herausgeber: Westdeutscher Rundfunk Köln Verantwortlich: Quarks & Co Claudia Heiss Redaktion: Wolfgang Lemme Gestaltung: Designbureau Kremer & Mahler, Köln Bildrechte: Alle: WDR WDR 2014 Seite 19