Pictures of the Future    Herbst 2005      

 Winzige Windmanager

Offshore-Windparks spielen eine immer wichtigere Rolle in der Stromerzeugung. Siemens hat ein Konzept entwickelt, wie die Anlagen erheblich effizienter arbeiten können als bisher.

Der Weltmarkt für die Windkraft liegt derzeit bei 6 Mrd. €, mit jährlichen Zuwachsraten von etwa 13 %. In Deutschland trägt die Windenergie mit fast 17 000 MW installierter Leistung 4 % zur Stromerzeugung bei, Tendenz steigend. Bis 2030 sollen Offshore-Anlagen in Nord- und Ostsee mit etwa 20 000 bis 25 000 MW installiert werden. Neben der Platzierung fern von menschlichen Siedlungen haben solche Offshore-Anlagen noch weitere Vorteile: So zeigt eine seit 2003 in der Nordsee installierte Messstation, dass zu 95 % der Zeit Windgeschwindigkeiten von mehr als 4 m/s herrschen, das ist die Mindestgeschwindigkeit für die Rotoren. Und ein Viertel des Jahres ist der Wind sogar so stark, dass die maximale Leistung erreicht wird – an Land gilt das nur für ein Achtel des Jahres.

Mit der Übernahme des dänischen Windanlagen-Herstellers Bonus Energy A/S stieg Siemens Power Generation (PG) Ende 2004 verstärkt in den Markt mit Windenergie ein. Bonus Energy hat in über 20 Ländern mehr als 5 000 Turbinen mit einer Leistung von über 3 000 MW installiert, etwa auch den weltweit größten Offshore-Windpark 10 km südlich der Stadt Nysted. Die Gesamtleistung aller 72 Windturbinen liegt hier bei 166 MW, das reicht für 145 000 dänische Haushalte.

Wie sich die Energie der Offshore-Parks sinnvoll ins elektrische Verbundsystem einspeisen lässt, zeigt eine Studie der Deutschen Energie-Agentur von 2005: Man könnte etwa das Hochspannungsnetz um 850 km erweitern oder Sammelstationen im Meer mit einer gemeinsamen Leitung an die Küste bauen. Eine besondere Herausforderung ist die Wartung der Windräder. Denn Reparaturen auf See sind aufwändig und teuer und bei schlechtem Wetter nicht durchführbar. Die Folge: höhere Ausfallzeiten als bei Anlagen an Land und damit eine geringere Wirtschaftlichkeit. Daher ist es gerade bei Offshore-Anlagen wichtig, Störungen früh zu identifizieren – am besten, noch bevor es zu einem Ausfall der Anlage kommt.

Siemens Corporate Technology (CT) hat ein Konzept entwickelt, wie sich ein mit Sensoren vernetzter, intelligenter Windpark eigenständig überwachen könnte. Hierbei messen drahtlos vernetzte Sensoren auf den Masten, Rotorblättern oder in Turbinen etwa die Windstärke und -richtung sowie Vibrationen. Jeder Mast hat einen Rechner, der die Daten auswertet. Dabei geht es nicht nur um die Diagnose eventueller Störungen. Vielmehr kann der Rechner über Aktoren auch aktiv eingreifen. Anhand der Messwerte für die Windstärke kann das System z.B. Windböen vorhersagen und die Einstellung der Rotorblätter anpassen. Das verringert die Belastung des Windrades.

Da die Rechner auf den Masten miteinander kommunizieren können, lassen sich die Daten einzelner Sensoren auch vom gesamten Park nutzen: Die Windräder in der ersten Reihe, die dem Wind als erste ausgesetzt sind, stellen ihre Informationen den Rädern in den hinteren Reihen für eine vorausschauende Optimierung zu Verfügung. Auch in anderer Hinsicht lässt sich so die Leistung des gesamten Parks optimieren. "Die Windräder der ersten Reihe lassen sich mit dieser intelligenten Steuerung so einstellen, dass bessere Strömungseigenschaften für die nachfolgenden Räder herrschen und auf diese Weise die Stromausbeute des gesamten Windparks höher ist, als wenn die einzelnen Windräder nur für sich den Ertrag optimieren", erklärt Prof. Martin Greiner von CT. "Möglich ist dann etwa auch die Vorgabe von Strommengen, die zu bestimmten Zeiten ins Netz eingespeist werden sollen."

Die Idee resultiert aus Greiners Arbeiten zu selbstorganisierenden Kommunikationsnetzen (siehe Pictures of the Future, Herbst 2004,  Sensornetze). Dabei konnte der Physiker auf seine langjährige Universitätserfahrung zurückgreifen, die er bei der stochastischen Modellierung turbulenter Strömungen erwarb. "Das Konzept könnte ab 2008 in Windparks zum Einsatz kommen. Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, Implementierung und Testläufe benötigen etwa einen dreijährigen Vorlauf", erklärt Greiner.
                                                                                                                    Sylvia Trage