Wann kommt die 20 MW-Anlage? Baugrenzen von Windenergieanlagen

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1 Wann kommt die 20 MW-Anlage? Baugrenzen von Windenergieanlagen Prof. Dr.-Ing. Andreas Reuter 20. Januar 2011

2 Inhaltsverzeichnis Teil I Einleitung und Hintergründe Teil II Die 20 MW Offshore Anlage 1. Historisch extrapolierte Sichtweise 2. Skalierte Sichtweise 3. Optimierte Ansätze / Kampf dem Gewicht Teil III Schlussfolgerungen 1. Handlungs- bzw. Forschungsbedarf 2. Alternative oder ergänzende Ansätze

3 Einleitung 0'4*5&#*+6(+7$8'9+1):$ $

4 Einleitung $

5 Einleitung ;;;'*($%1"6+#$B&62"4+#$4+CD21*>?$!*#)+#+62*+:$ $

6 Einleitung ;;;'*($'+?6$&)+6$=+#*2+6$%&#%6+(+#$ 8'7+(C<#27*)++#:$ $ E-$F!$GH7?&6+$!*#)$*#$I$4*7$,-,-$ JJ$F!$GH7?&6+$*#$8K$4*7$,-,-$ LM$F!$GH7?&6+$*#$NOP$QP$RP$+(>;;$ $ T#+62*+#$V*+1+#P$"4+6$=+*(+6?*#$#&>?$ *#)*U*)<+11+$@1"#<#2$)+6$8'7+(C<#2;$$$

7 Einleitung Planungen für Offshore Windnutzung in fast allen Küstenstaaten...

8 Einleitung Q*(<"5&#$*#$I+<(7>?1"#):$ /$ / /$ $Q(A)(+$=*+$R6+'+6?"U+#P$T')+#P$[<M?"U+#$<#)$\<7<'$Y1"(C*+6+#$7*>?$"17$GH7?&6+/ R"7*7$ / \&?+$1&%"1+$<#)$#"5&#"1+$T6="6(<#27?"1(<#2$ / QY*(C+#>1<7(+6$F+6'"#$!*#)$

9 Hintergründe Die Planungen für die deutschen Projekte in der Nord- und Ostsee sind vergleichsweise technisch anspruchsvoll... alpha ventus

10 Hintergründe...und sind nur ein kleiner Anfang auf dem Weg zu 10 GW im Jahr 2020!

11 Hintergründe m/mw 1,33 0,84 1,04 1,05 1,16 1,16 1,29 0,77 2,86 1,46 1,23!"##$%&''($)*+$,-$.!/0#1"2+3$ Die Kosten der Offshore Windenergie sind gestiegen... bzw. die Hersteller sind nicht mehr bereit, weiter alle Risiken zu tragen (split contract vs. EPC) 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 Middelgrunden Horns Rev North Hoyle Nysted Scroby Sands Kentish Flats Barrow Egmond Ann Zee Beatrice Burbo Lillgrund 2,23 2,09 1,70 2,11 1,81 3,56 1,85 Q7 Alpha Ventus 1 Lynn ID Rhyl Flats Robin Rigg Thornton Bank Gunfleet Sands Nordergründe Walney Island 2,322,35 2,05 1,92 Gunfleet Sands II Offshore Center Danmark

12 Hintergründe Fragestellung für heute: - Ist mit sehr großen WEA zu rechnen und welche Hürden gibt es? - Wie ist Deutschland in diesem Feld aufgestellt, welche Themen müssen bearbeitet werden?

13 _T]O$]]$`$I]T$,-$.!$GWWQ\GaT/0NO0FT$

14 E;$\*7(&6*7>?$+M(6"Y&1*+6(+$Q*>?(=+*7+$!"##$%&''($)*+$,-$.!/0#1"2+3$ / 0#C"?1$)+6$0#1"2+#$=*6)$6+)<C*+6($ /!+d+69+#7(+6$=*6)$4+77+6$"<72+#<(c($ / R $K&7(+#U+6?A1(#*7$)+6$F6D#)<#27%&7(+#$ / F+6*#2+6+6$@1"(C4+)"69$ / R+77+6+$0#1"2+#(+>?#&1&2*+$$

15 E;$\*7(&6*7>?$+M(6"Y&1*+6(+$Q*>?(=+*7+$!"##$%&''($)*+$,-$.!/0#1"2+3$ kw Ø 126m kw Ø 150m kw Ø 280m ww 2020

16 ,;$Q%"1*+6(+$Q*>?(=+*7+$ Grundlagen: Ähnlichkeitsgesetze!"#$%&'( )*$+$*,$-.%/'0'( J $a, $k$ $a,$ I6+?C"?1$ a /E$ F+=*>?($ a J$ Q>?<4$ Qefg,$>7hij$U, $a, $k$ $ F+=*>?(74+"#7Y6<>?<#2$ a E$ a,$

17 ,;$Q%"1*+6(+$Q*>?(=+*7+$!"##$%&''($)*+$,-$.!/0#1"2+3$ Entwicklung der Massen realer WEA

18 ,;$Q%"1*+6(+$Q*>?(=+*7+$ Scaling ergibt eine Spannbreite von möglichen Ergebnissen 123( 24.%/-5(678( 24.%/-5(9:78( l$ *#$.!$ a"5#2$."77+$ %!g',$ *#$($ l$ *#$.!$ a"5#2$."77+$ %!g',$ *#$($ l$ *#$.!$ a"5#2$."77+$ %!g',$ *#$($ KE--$ E--$,Pm$ -PJEn$ E,m$ EoE$ m$ -PJEn$ Jm-$,n,$,-$ -PJEn$,n-J$ m.$ E,p$ m$ -Po-E$ Jm-$,m,$,-$ -Po-E$,n--$.m---$ EEp$ m$ -PoqJ$ J-m$,J,$,-$ -PoqJ$,oo-$ Beanspruchungsgrenze Material???

19 ,;$Q%"1*+6(+$Q*>?(=+*7+$ K280 Hauptabmessungen: Länge: 40 m Höhe: 10 m Blattwurzeldurchmesser: 6.44 m Getriebeübersetzung: 1:300 Gewicht Grundrahmen: kg

20 ,;$Q%"1*+6(+$Q*>?(=+*7+$!"##$%&''($)*+$,-$.!/0#1"2+3$ Geschätzter Zeitplan einer 20 MW WEA Entwicklung:,$r"?6+$$ K&#C+Y(Y?"7+$,$r"?6+$I+7*2#Y?"7+$ $,$r"?6+$w&6'/$<#)$ $ K&'Y&#+#(+#4"<$ $ $ $ $ $ $ $ J$r"?6+$ B&67+6*+#+6Y6&4<#2$ $ $ $ $ $ Q+6*+#9+652<#2$ der SET-Plan sieht bereits bis GW installierte Offshore-Windleistung vor!

21 ,;$Q%"1*+6(+$Q*>?(=+*7+$ Herausforderung 20 MW am Beispiel der K280: Rotorblattlänge: 135 m Blattwurzeldurchmesser: 6.44 m Max. Blattdurchbiegung: m $ $

22 ,;$Q%"1*+6(+$Q*>?(=+*7+$ Herausforderung 20 MW am Beispiel der K280: Baubarkeit des Rotorblattes? Formgewicht Wandstärken Teilbarkeit

23 ,;$Q%"1*+6(+$Q*>?(=+*7+$ Herausforderung 20 MW am Beispiel der K280: Getriebeübersetzung 1:300 Drehmoment ca knm Notwendigkeit von mindestens 4 Getriebestufen Wahrscheinlicher Ansatz: 2 Planetenstufen, 2 Stirnradstufen Engpass: Bearbeitungsmaschinen für die Hohlräder der Planetenstufen, Maschinen sind aber grundsätzlich verfügbar, z.b. Pfauter P5000 G.

24 ,;$Q%"1*+6(+$Q*>?(=+*7+$ Herausforderung 20 MW am Beispiel der K280: Derzeit maximal zu gießende Massen liegen bei ca. 120 t. Kritisch ist: - die Bereitstellung der notwendigen Menge an Schmelze - Die gleichzeitige Zuführung der Schmelze - Das hohe Risiko bei Gießfehlern (mehrere Wochen Abkühlzeit) Kapazitäten für derartige Bauteile Sind ein Problem evtl. mehrere Jahre Vorlauf nötig

25 J;$GY5'*+6(+$0#7A(C+$g$K"'Y9$)+'$F+=*>?($ Neue Technologien / Strategien zur Lastvermeidung werden kontinuierlich Seit 20 Jahren entwickelt. Erfolgreiche Beispiele: - Drehzahlvariable Anlagen mit Pitchregelung - Softbrake -... Aktuelle Ansätze: - Advanced Controls (individual pitch, blade sensors, LIDAR etc.) - Soft Yaw - Intelligente Rotorblätter

26 J;$GY5'*+6(+$0#7A(C+$g$K"'Y9$)+'$F+=*>?($ Basis für die Optimierungsansätze sind die Lastfalldefinitionen nach IEC Extremlasten: Es werden Lastfallgruppen definiert, die bestimmte externe Bedingungen, z.b. Windereignisse beschreiben. Diese werden dann mit Betriebszuständen Der WEA kombiniert: Normalbetrieb, Bremsvorgänge, Fehlfunktionen. Bestimmte Lastfallkombinationen sind dann dimensionierend. Fatigue: Hier werden für alle Windgeschwindigkeiten innerhalb des Betriebsbereiches, üblicherweise 3m/s-25m/s, Windzeitreihen generiert und damit das Anlagenverhalten simuliert. Die Ergebnisse werden auf 20 Jahre Betrieb hochskaliert.

27 J;$GY5'*+6(+$0#7A(C+$g$K"'Y9$)+'$F+=*>?($ Produktionsbetrieb mit extremer Turbulenz Produktionsbetrieb mit Fehler (Sicherheitssystem) Start/Stopp mit extremer Böe 120 Schlagbiegemoment Rotorblattwurzel 100 Extremlast in % DLC13 DLC14 DLC21 DLC22 DLC23 DLC32 DLC51 DLC62 Auslegungslastfall (IEC )

28 J;$GY5'*+6(+$0#7A(C+$g$K"'Y9$)+'$F+=*>?($ Produktionsbetrieb mit extremer Turbulenz 120 Turmfußbiegemoment Produktionsbetrieb mit Fehler (Netzfehler) Start/Stopp mit extremer Böe Extremlast in % DLC13 DLC14 DLC21 DLC22 DLC23 DLC32 DLC51 DLC62 Auslegungslastfall (IEC )

29 J;$GY5'*+6(+$0#7A(C+$g$K"'Y9$)+'$F+=*>?($ knm knm knm knm Verhältnis der Rotorfläche: 1,48 Verhältnis Fatigue / Extrem: 1,096! die Wichtigkeit der Fatigue-Lasten steigt

30 J;$GY5'*+6(+$0#7A(C+$g$K"'Y9$)+'$F+=*>?($ Fazit: Nutzung von neuen Konzepten ist extrem komplex und nur auf Systemebene sinnvoll. Fortschritte an einer Komponente können an anderer Stelle leicht ins Gegenteil verkehrt werden. Die Übertragbarkeit auf andere Anlagengrößen oder konzepte ist nur teilweise möglich. Das grundsätzliche Vorgehen nach IEC unterliegt einer gewissen Willkür; Regelmäßige Infragestellung der Grundlagen (und der physikalischen Relevanz) sind wichtig.

31 Beispiel für ein Konzept in der Entwicklung: Britannia 10 MW von Clipper - 10 MW 150 m Rotor - Luvläufer - 3-Blatt-Rotor - Srahlrohrturm - Vollumrichter - Gewicht 450 t - Rating 0,566 kw/m 2!"##$%&''($)*+$,-$.!/0#1"2+3$ J;$GY5'*+6(+$0#7A(C+$g$!"7$*7($7*##U&113$

32 J;$GY5'*+6(+$0#7A(C+$g$!"7$*7($7*##U&113$ Beispiel für ein Alternativkonzept: 2B-Anlage innerhalb des Konsortiums FLOW in den Niederlanden - 6 MW 126 m Rotor - Leeläufer - 2-Blatt-Rotor - Gittermast - Gleichstromverknüpfung - Gewicht xx t - Rating 0,481 kw/m 2

33 J;$GY5'*+6(+$0#7A(C+$g$!"7$*7($7*##U&11$ Typische Projektkostenstruktur Offshore... Die WEA ist nur mit 35% beteiligt... Operation & Maintenance 22% Decommissioning 2.8 % Wind turbine 35% Project management 1.5 % Offshore grid connection 15% [Opti-OWECS Projekt, 1997] Support structure & OWEC instal. 24%

34 J;$GY5'*+6(+$0#7A(C+$g$!"7$*7($7*##U&11$...Gründungen sind technisch und finanziell extrem wichtig... Jacket scheint sich als optimale Lösung durchzusetzen... $ $ Bild: Garrad Hassan and Partners Ltd

35 J;$GY5'*+6(+$0#7A(C+$g$!"7$*7($7*##U&11$ \+6"<79&6)+6<#2:$GH7?&6+$_6"27(6<%(<6$ t F+=*>?($)+6$_6"27(6<%(<6$7(+*2($D4+6Y6&Y&65&#"1$*'$B+621+*>?$C<6$a&(&6/ F&#)+1/T*#?+*($ t K&#7+u<+#(+$F+=*>?(76+)<%5&#$)<6>?$T*#7"(C$#+<+6$."(+6*"1*+#P$ O"7(6+)<%5&#P$Y6&4"4*1*757>?+$R+'+77<#2P$R"<=+*7+#$ t B+66*#2+6<#2$)+6$W+652<#27%&7(+#$)<6>?$Q+6*+#9+652<#2$ t GY5'*+6(+$O&2*75%$9D6$W+652<#2P$_6"#7Y&6(P$T66*>?(<#2$<#)$aD>%4"<$

36 100%!"##$%&''($)*+$,-$.!/0#1"2+3$ J;$GY5'*+6(+$0#7A(C+$g$!"7$*7($7*##U&11$...anders als bei onshore-anwendungen spielt die Zuverlässigkeit eine Wesentliche Rolle... Zuverlässigkeit Verfügbarkeit 90% 80% 70% 60% grundlegend verbessert verbessert 50% 100 % (onshore) 80 % (küstennah) Zugänglichkeit 60 % (offshore) 40 % (Hochsee) Stand der Technik [Opti-OWECS Projekt, 1997]

37 J;$GY5'*+6(+$0#7A(C+$g$!"7$*7($7*##U&113$...und bei Nutzung der Windenergie im GW-Bereich ist die Netzintegration wichtig hier die Problematik Regelleistung... Ist Clipper auf dem richtigen Weg? [M. Kranhold, 6. Flensburger Windenergieforum 2006]

38 J;$GY5'*+6(+$0#7A(C+$g$N+<+$Qs7(+'26+#C+#$...für 20 GW Windleistung muss die gesamte Nutzungskette betrachtet werden... Netzverträglichkeit Netzstabilität Netzbetrieb Netzzugang Netzanschluss Netzausbau Netzstruktur -regeln lokal regional (inter-)national (trans-)kontinental Windenergieanlage Windparkcluster Verbundnetz Windpark Verteilnetz Transportnetz [Erneuerbare Energien 6/2004, ISET, EWEA]

39 _T]O$]]]$/$Q[\O8QQWGOFTa8NFTN$!"##$%&''($)*+$,-$.!/0#1"2+3$

40 E;$\"#)1<#27/$4C=;$W&67>?<#274+)"69$ \+6"<79&6)+6<#2$9D6$)*+$R6"#>?+:$$ Qs7(+'U+67(A#)#*7$)+6$!*#)+#+62*+/_+>?#&1&2*+$ Energiesysteme Wind Elektrotechnik Maschinenbau Bauwesen Offshore Kosten Logistik & Prozesse Operation & Maintenance Netzintegration [M. Kühn, SWE / HDT 2009]

41 E;$\"#)1<#27/$4C=;$W&67>?<#274+)"69$...die EU-Roadmap steckt den Rahmen für relevante Themen:

42 E;$\"#)1<#27/$4C=;$W&67>?<#274+)"69$ Auf WEA-Level: - Richtlinien zur Zertifizierung weiterentwickeln - Methoden zur Systemvalidierung entwickeln vor der Prototypenphase - Systematische Serieneinführung unterstützen Auf Kraftwerks -Level: - Werkzeuge zur kommerziellen Bewertung weiterentwickeln, mit dem Ziel, Spezifikationen für die Teilsysteme zu erzeugen - Optimierung von Verbundkraftwerken (z.b. Gas + Wind) - Vorhersagemodelle unter Offshore-Bedingungen weiterentwickeln Auf nationaler bzw. internationaler Ebene: - Untersuchung von Mesoskalen-Effekten - Großräumige Nutzungskonzepte entwickeln

43 E;$\"#)1<#27/$4C=;$W&67>?<#274+)"69$ Ansatz im Rahmen der neuen Spitzenclusterbewerbung: Verknüpfung der Prozessketten: Kompetenzbereich Windenergieanlage + Kompetenzbereich Maritime Technik / Offshore + Kompetenzbereich Netzmanagement

44 ,;$01(+6#"5U+$&)+6$+62A#C+#)+$0#7A(C+$ Regionale Energieversorgung und virtuelle Kraftwerke Lokal optimierte Kombination aus verschiedenen erneuerbaren Energien: Wind, Sonne, Biogas, Geothermie etc.. Überregionale Verknüpfung der lokalen Erzeuger zu virtuellen Kraftwerken Analoge Entwicklungsansätze (Kraftwerks bzw. Netzsicht beim Anlagendesign) Integration der Offshore-Erkenntnisse

45 ,;$01(+6#"5U+$&)+6$+62A#C+#)+$0#7A(C+$ Die Beispiele zeigen: auch im Süden der Republik hängt enormes, bisher noch kaum genutztes Energiepotenzial in der Luft. Doch gerade Baden-Württemberg und Bayern tun sich schwer damit, es zu nutzen. In beiden Länder sind bis heute erst jeweils 400 MW Windenergie-Leistung am Netz. Zum Vergleich: Niedersachsens Windmüller haben Ende 2008 die MW-Marke geknackt. Und während Brandenburg mit rund MW installierter Leistung schon über die Hälfte jenes Potenzials nutzt, das auf einem Prozent Landesfläche zu heben ist, erntet Bayern nur ein Fünfunddreißigstel davon. Bei einem Flächenbedarf von höchstens 7 Hektar pro MW Leistung könnte der Freistaat auf MW Leistung aufstocken und hätte dennoch 99 Prozent windkraftfreie Zone. Quelle: BWE Bild: E. Hau / HDT 2009

46 ,;$01(+6#"5U+$&)+6$+62A#C+#)+$0#7A(C+$ Vision: 5MW -150m Rotor-Anlage als Commodity im Offshore-Einsatz und auf 150m-Nabenhöhe im Binnenland... Vorteil: Hohe Stückzahlen / maximale Techniknutzung / Risikominimierung...etc..

47 ...und was ist mit der 20 MW-Anlage? Vielleicht ist Größe nicht wichtig, sondern Intelligenz? Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!