Noch ist Strom aus Windkraftanlagen im Allgemeinen teurer als Kohlestrom. Um die nachhaltige Energiequelle konkurrenzfähig zu machen und weiteres Wachstum zu ermöglichen, will Siemens Wind Power durchgängig industrielle Fertigungsprozesse einführen. Vorbild ist dabei die Automobilindustrie.
Industrialisierung: Siemens entwickelt für alle Teile einer Windkraftanlage neue Konzepte. So werden die Türme vor Ort aus Stahlschalen zusammengebaut, für die Herstellung der Rotorblätter sollen künftig Roboter eingesetzt werden, und viele Teile – wie auch die Gondel - werden modular gefertigt und angeliefert. So wird Windstrom wettbewerbsfähiger.
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Die Windsparte von Siemens hat sich ein hohes Ziel gesetzt: Die Erzeugung einer Kilowattstunde (kWh) Onshore-Windstrom soll noch in diesem Jahrzehnt unter fünf Euro-Cent kosten und damit das Niveau von traditionellen Energieträgern erreichen – heute schlägt sie je nach Standort noch mit etwa sieben Cent zu Buche. Auch der Strom von Offshore-Windanlagen weit draußen auf dem Meer muss deutlich billiger werden: Derzeit kostet seine Produktion etwa doppelt so viel wie an Land. Bis spätestens 2020 will Siemens Wind Power diesen Wert auf unter zehn Cent pro kWh drücken und so die Windenergienutzung auf dem Meer konkurrenzfähig machen.
Im Oktober 2011 wurde Dr. Felix Ferlemann CEO der Windsparte. Der Maschinenbauer war zuvor über zehn Jahre in der Automobilindustrie tätig und hat sich dort nicht mit Generatoren und Rotorblättern, sondern mit Vakuumpumpen, Fahrwerken und Getrieben beschäftigt. Aber genau diese Erfahrungen aus einem völlig anderen Bereich sind nützlich, denn die Windbranche will von der Autoindustrie profitieren, die ihr heute noch in manchen Dingen um einiges voraus ist. „Neben kontinuierlichen Innovationen ist die Industrialisierung der wichtigste Hebel, um Kosten zu senken“, erklärt Ferlemann. „In der Autoindustrie werden alle Komponenten schon seit Jahrzehnten konsequent so optimiert, dass sie sich möglichst kostengünstig herstellen lassen – davon kann auch die Windbranche noch viel lernen.“ Als Vorbilder dienen dabei Plattformstrategien, die Modularisierung, die Standardisierung und schlanke Produktionsabläufe.
Die Produktion der riesigen Rotorblätter für Windenergieanlagen ist ein gutes Beispiel dafür, wie die Windbranche von den Autoherstellern lernen kann. Siemens stellt als einziger Anbieter weltweit die bis zu 75 Meter langen „Blades“ aus einem Guss her. Dank dieser patentierten „Integral Blade Technology“ haben sie keine Nähte und sind damit frei von Schwachstellen – so können sie mindestens 20 Jahre lang Wind und Wetter widerstehen. Allerdings ist die Herstellung von Blades arbeitsintensiv und langwierig: Heute legen Siemens-Mitarbeiter in der 250 Meter langen Produktionshalle im dänischen Aalborg die Formen für die Rotorblätter von Hand mit Glasfasermatten und Balsaholz aus, bevor die obere und untere Hälfte verbunden, evakuiert und mit flüssigem Epoxidharz gefüllt werden. „Das Auslegen der Formen könnten Roboter genauso gut und wesentlich schneller erledigen“, sagt Ferlemann. „Sie können vollautomatisch die Form entlang fahren und schaffen pro Sekunde drei Meter – so ließe sich die Produktionszeit von 300 auf 150 Stunden halbieren, wodurch wir pro Jahr 30 Millionen Euro Herstellungskosten sparen können.“
Erste Tests an einer Form für 40 Meter lange Rotorblätter sind schon sehr vielversprechend verlaufen. Bereits 2014 sollen in Aalborg die ersten 55 Meter langen Blades mit Hilfe von Robotern produziert werden. „Wir setzen dafür konventionelle Industrieroboter ein, die unsere Experten speziell für die Rotorblatt-Produktion programmieren“, berichtet Jan Rabe, Strategiechef von Siemens Wind Power. „Damit sind wir der Konkurrenz weit voraus.“ Das soll aber nur der erste Schritt sein: In Zukunft könnte Siemens maßgeschneiderte Matten für die Blade-Produktion selbst direkt aus der Glasfaser herstellen, um die speziellen Anforderungen der Windräder zu berücksichtigen. „Je nach der Position am Rotorblatt können die Matten unterschiedlich dicht gewebt sein“, erklärt Rabe. „Wenn wir das bei der Produktion berücksichtigen, können wir die Kosten für die Flügel weiter reduzieren.“
Nur mit solchen Ansätzen kann die Windbranche das stürmische Wachstum der vergangenen Jahre überhaupt weiter fortsetzen. Allein der Umsatz von Siemens Wind Power hat seit 2004 um jährlich rund 40 Prozent zugelegt: Als Siemens damals den dänischen Hersteller Bonus übernahm, stellte das Unternehmen pro Jahr rund 200 Windkraftanlagen her und machte 300 Millionen Euro Umsatz – heute sind es etwa 2.000 Anlagen und fünf Milliarden Euro Umsatz. Der aktuelle Auftragsbestand liegt bei elf Milliarden Euro. „Natürlich hat man sich zunächst einmal darauf konzentriert, dieses Wachstum überhaupt zu stemmen“, sagt Ferlemann. „Aber jetzt befinden wir uns in einer Phase der Konsolidierung, und es gilt, die Produktivität zu steigern und die Kosten zu senken.“
Gondel ohne Getriebe. Das gilt auch für die Herstellung der Gondeln für Windkraftanlagen, die etwa 60 Prozent der Herstellungskosten verursachen – der Rest entfällt ungefähr zu gleichen Teilen auf den Turm und die Rotorblätter. Hier setzt Siemens Wind Power auf Modularisierung und geringere Komplexität: Die neuen drei und sechs Megawatt starken Turbinen kommen ohne die herkömmliche Kombination aus Getriebe und Asynchrongenerator aus und nutzen stattdessen einen direkt angetriebenen Synchrongenerator mit Permanentmagneten und eine entsprechende Umrichtung auf Netzfrequenz.
Durch diesen „Direct Drive“ ohne Getriebe entfallen 50 Prozent der Bauteile, und das Gewicht der Anlage sinkt um 30 Prozent. Außerdem sind die Windturbinen aus einzelnen Modulen zusammengesetzt, zum Beispiel für die Hydraulik oder die Leistungselektronik. Sie können auch in anderen Produkten zum Einsatz kommen – dadurch lassen sich viele Komponenten der Module (etwa die Elektromotoren zum Ausrichten der Turbine) für verschiedene Windkraftanlagen einsetzen, was zu geringeren Einkaufspreisen und einer günstigeren Lagerhaltung führt.
Die Kunden profitieren aber nicht nur durch geringere Investitionen für jedes Megawatt installierte Leistung – sie sparen auch bei der Wartung ihrer Anlagen: „Das getriebelose Design steigert die Zuverlässigkeit der Anlagen und vermeidet dadurch Kosten während der Betriebszeit, denn ein Getriebeschaden auf dem Meer kostet fast so viel wie das Aufstellen der Turbine“, rechnet Rabe vor. In Europa verkauft Siemens bereits überwiegend Anlagen mit „Direct Drive“, und Rabe rechnet damit, dass sie in wenigen Jahren den größten Teil des Portfolios ausmachen werden.
Bis dahin wird sich wahrscheinlich auch der grundsätzliche Aufbau der Gondeln ändern. Heute werden sie noch in einem der drei Werke im dänischen Brande, in Hutchinson, USA, oder in Shanghai komplett zusammengebaut und als Ganzes zur Baustelle transportiert. In Zukunft wollen die Ingenieure das komplexe System in zwei Module unterteilen, die sich erst an der Spitze des Windrad-Turms treffen – vorne sitzt der Generator, und im hinteren „Tail End“ sind die Leistungselektronik und der Stellmotor für die Gondel untergebracht. Das würde die Fertigung wesentlich flexibler machen: „Durch die Modularisierung könnten wir in Zukunft das Tail End weltweit an anderen Standorten herstellen“, sagt Rabe. „Das komplexe Generator-Modul würde aber nach wie vor nur an wenigen Standorten von Siemens selbst produziert – ganz ähnlich wie die Autohersteller die Motoren in eigenen zentralen Werken herstellen, sich aber Module wie die Cockpits zuliefern lassen.“
Zudem würde auch der Transport dieser „Split Nacelle“ zur Baustelle deutlich weniger kosten – denn es macht je nach Land einen großen Unterschied, ob man fast 80 Tonnen auf einmal oder zwei entsprechend leichtere Teile getrennt durch enge Straßen und über fragile Brücken lotsen muss. Auch der Transport der Türme wird sich wegen einer Siemens-Innovation bald vereinfachen: Sie bestehen heute meist noch aus großen und schweren Stahlsegmenten mit einem Durchmesser von bis zu sechs Metern, die an der Baustelle aufeinander gesetzt werden. Seit 2012 bietet Siemens für besonders hohe Anlagen die „Bolted Steel Shells“ an – statt aus drei viele Meter hohen Segmenten sind die Stockwerke des Turms aus 14 bis 18 Stahlschalen aufgebaut, die mit Bolzen zusammengeschraubt werden. „Die Einzelteile der neuen Stahlschalentürme können wir in einem Standard-Container transportieren“, berichtet Ferlemann. „Auch bei der Produktion der Segmente sinken die Kosten, weil wir sie vollautomatisch in hohen Stückzahlen aus Stahlbändern herstellen und sehr einfach lackieren können.“ Für Türme ab 115 Metern rechnet er mit signifikanten Einsparungen im Vergleich zu den herkömmlichen „Tubular Towers“ aus den individuell gefertigten Stahlringen.
Autoindustrie ist Vorbild. Eine solche Vereinfachung und Standardisierung strebt Wind Power für die ganze Produktpalette an. Von einst 13 verschiedenen Produktlinien wollen die Ingenieure auf nur noch vier Plattformen kommen – die Kunden sollen die Wahl zwischen zwei Turbinen mit 2,3 oder drei Megawatt und zwei größeren Anlagen mit vier oder sechs Megawatt Leistung haben. Jede der vier Plattformen bestünde wiederum aus sechs Modulen – Rotorblätter, Verbindungsstück zum Generator, Generator, Tail End, Turm und Elektronik zur Erzeugung der Netzfrequenz –, die ihrerseits aus Untermodulen aufgebaut wären. Damit wäre die Plattformstrategie aus der Autoindustrie endgültig in der Windbranche angekommen.
„Es geht darum, eine Windindustrie aufzubauen, die immer mehr ohne Subventionen auskommt“, beschreibt Ferlemann die dahinter stehende Motivation. „Dabei kann man von der Autoindustrie auch lernen, was man nicht tun sollte: Manche Hersteller haben viele Entwicklungskompetenzen zu ihren Zulieferern verlagert und damit Know-how verloren. Das wird Siemens nicht tun – das Unternehmen wird immer in der Lage sein, etwa die Gondel und die Rotorblätter selbst zu entwickeln und die Qualität zugekaufter Komponenten zu beurteilen.“