Große Potenziale bei Wind- und Wasserkraft

Informationen zu Großprojekten in den Bereichen Wind- und Wasserkraft standen im Mittelpunkt des Informationstags der Stiftung Energie & Klimaschutz Baden Württemberg am 29. April in Stuttgart. Mit dieser und einer weiteren Veranstaltung zu Projekten in den Bereichen Solar und Geothermie gibt die Stiftung einen Überblick über den aktuellen Stand zu Erneuerbaren Energien.

Bis zum Jahr 2030 wird der Energiebedarf in der Europäischen Union um 30 Prozent und weltweit um 100 Prozent steigen. „Wir stehen damit vor einem Jahrhundert der Kohleverstromung“, so Moderator Manfred Haberzettel aus dem Vorstand der Stiftung mit Blick auf die Entwicklung in China und Indien. Wenn die klimapolitischen Ziele nicht verfehlt werden sollen, seien Erfolge insbesondere bei der großtechnischen Nutzung Erneuerbarer Energien erforderlich. Mit dem Informationstag wolle die Stiftung Energie und Klimaschutz Baden-Württemberg einen Beitrag zum besseren Verständnis über effektive und effiziente Maßnahmen leisten, die zum Erreichen der Klimaschutzziele beitragen.

Moderator Manfred Volker Haberzettel, Vorstand der Stiftung Energie & Klimaschutz
(Foto: W.List)

EnBW investiert 3 Milliarden Euro in Erneuerbare Energien

Die EnBW Energie Baden-Württemberg AG plant den Anteil der Erneuerbaren Energien im Portfolio bis zum Jahr 2020 um mindestens 20 Prozent zu steigern. Wie Stefan Thiele, Geschäftsführer der EnBW Renewables GmbH, vor rund 60 Teilnehmern aus Politik, Wissenschaft und Wirtschaft ausführte, soll dieses Ziel neben dem Ausbau der Wasserkraft vor allem in den Kraftwerken Rheinfelden und Iffezheim, die bereits heute rund 98 Prozent der Erneuerbaren Energien der Konzernproduktion liefern, mit Investitionen von rund drei Milliarden Euro in die Windkraft onshore, vor allem aber offshore erreicht werden. Anfang 2009 hat die EnBW drei onshore Windparks mit einer Gesamtleistung von 50 MW erworben.

Stefan Thiele, EnBW Erneuerbare Energien GmbH (Foto: W.List)

In der zweiten Jahreshälfte 2010 soll mit BALTIC 1, dem ersten kommerziellen offshore Windpark Deutschlands, der erste von insgesamt vier geplanten Großprojekten dieser Art mit einer Gesamtleistung von 1.200 MW in Betrieb gehen. „Die EnBW forciert ihr Engagement im Bereich der Erneuerbare Energien nicht, um sich ein grünes Deckmäntelchen umzulegen“, betonte Thiele, „sondern weil es energiewirtschaftlich, betriebswirtschaftlich und ökologisch äußerst sinnvoll ist. Es rechnet sich.“

Rheinfelden: größtes Flusswasserkraftwerk Europas

Martin Steiger, Energiedienst Holding AG (Foto: W.List)

Wie hoch der technische und genehmigungsrechtliche Aufwand bereits bei einer eingeführten Technologie wie der Nutzung der Wasserkraft ist, zeigte der Vortrag von Martin Steiger. Der Sprecher der Geschäftsführung der Energiedienst Holding AG informierte über die Geschichte und den Neubau des ältesten Wasserkraftwerks am Rhein in Rheinfelden an der deutsch-schweizerischen Grenze. Wenn das neue Kraftwerk im Jahr 2011 in Betrieb geht, wird es mit einer jährlichen Stromproduktion von rund 600 Millionen kWh die dreifache Leistung der alten Anlage bringen. Die Planungen dafür begannen bereits Ende der 70er Jahre. Seit 2003 wird in Etappen an dem neuen Kraftwerk, in das insgesamt rund 380 Millionen Euro investiert werden, gebaut. Der Preisverfall im Zusammenhang mit der Strommarktöffnung Ende der 90er Jahre stellte die Investition infrage. Erst nachdem die große Wasserkraft 2004 in die Förderung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) aufgenommen und ein Kostensenkungsprogramm Einsparungen von rund 50 Millionen Euro brachte, wurde die Wirtschaftlichkeitsberechnung positiv und der Bau des neuen Maschinenhauses beschlossen.„Planung und Bau eines neuen Kraftwerks sind sehr zeitintensiv“, so das Fazit Steigers. Das Projekt zeige aber, dass mit einer engen, pragmatischen Zusammenarbeit von Technik, Ökonomie und Ökologie eine umweltverträgliche Umsetzung auch heute noch möglich ist.

Meereswellen – eine Energiequelle der Zukunft

Meereswellen bieten, zumindest theoretisch, ein schier unerschöpfliches Energiereservoir. Diese Energie technisch nutzbar zu machen ist jedoch schwierig und technisch anspruchsvoll. Dr.-Ing. Wilfried Knapp vom Laboratorium für Fluidmechanik der TU München gab einen Überblick über die wesentlichen Technologien und den Stand der Projekte bei diesem – noch - „exotischen Thema“ im Bereich der Erneuerbaren Energien. Bereits im Jahr 1799 wurde in England das erste Patent auf eine Anlage zu Nutzung von Wellenenergie erteilt, aber erst seit 1980 werden konkrete Projekte realisiert. Das Potenzial von Wellenenergie ist, so Knapp, dem der Biomasse vergleichbar. Weltweit wurde bis heute jedoch noch keine Anlage realisiert, die sich auch wirtschaftlich trägt. Die Entwicklung konzentriert sich auf drei Hauptkategorien: Schwimmkörperkonverter, Konverter mit oszillierender Wassersäule und Überströmkonverter.

Dr.-Ing. Wilfried Knapp,TU München (Foto: W.List)

Den größten Energieertrag versprechen Konstruktionen, die offshore realisiert werden. Diese Projekte hätten heute aber noch mit der „extrem technikfeindlichen Umgebung“ in aggressivem Salzwasser und den Belastungen bei Stürmen zu kämpfen. Sturmlasten beanspruchen die technischen Konstruktionen mit dem 50-fachen der mittleren Belastung. Die Anlagen auf diese extremen Beanspruchungen hin auszulegen sei jedoch zu teuer und damit unwirtschaftlich: der Schlüssel zum Erfolg liege in der Entwicklung von Konvertern, die den Belastungen bei hohem Seegang ausweichen in dem sie z.B. teilweise "abtauchen". Hinzu kommt, dass die beweglichen Konstruktionen mit rund einer Million Lastzyklen extremen Beanspruchungen ausgesetzt sind und einen hohen Verschleiß bei Dichtungen, Gelenken und Zylindern haben. Ein erstes kommerzielles Projekt ist das nach einer Meeresschlange benannte Projekt „Pelamis“ einer schottischen Firma. 2004 wurde ein Prototyp dieser Konstruktion getestet, die einem „schwimmenden Nahverkehrszug mit 5 Wagen“ ähnelt. Drei Einheiten mit einer Leistung von jeweils 750 kW wurden 2008 in Portugal montiert, die derzeit jedoch wieder im Hafen liegen. Konzepte, die nach dem Prinzip der oszillierenden Wassersäule arbeiten, könnten sowohl an der Küste also auch offshore eingesetzt werden. Wellen regen bei diesen Konstruktionen eine geschlossene Wassersäule zu Schwingungen an. Die verdrängte Luft treibt eine Luftturbine an. Weltweit sind mehrere dieser Anlagen in Betrieb.

Das Institut für Fluidmechanik der TU München ist vor allem an der Entwicklung von Überströmkraftwerken beteiligt. Für das Projekt „Wave Dragon“, eine schwimmende offshore Plattform konzipierte man die Turbinen. Ein im Maßstab 1:4.5 verkleinerter Prototyp wurde in den Jahren 2003 bis 2006 in einem Fjord im Norden Jütlands erfolgreich getestet und war somit der weltweit erste offshore-Wellenenergiekonverter, der Einergie in das Stromnetz eingespeist hat. Derzeit wird an einem neuen Prototyp mit 7 MW Leistung gearbeitet. Die Kosten der Kilowattstunde sollen in atlantischem Wellenklima bei rund 5 Cent liegen. Wie in einigen anderen Projekten im Bereich der Wellenenergieforschung ist jedoch auch hier die weitere Finanzierung derzeit nicht gesichert. Knapp geht davon aus, dass innerhalb der nächsten 10 Jahre die ersten auch ökonomisch erfolgreichen Wellenenergiekonverter in Betrieb sein werden.

Großes Potenzial durch Ausbau der Wasserkraft in Süddeutschland

Dass auch die „kleine Wasserkraft“ insbesondere in Süddeutschland noch erhebliche Reserven bietet, stand im Mittelpunkt des Vortrags von Prof. Eberhard Göde vom Institut für Strömungsmechanik und hydraulische Strömungsanlagen an der Universität Stuttgart. Durch Optimierung der bestehenden Turbinen könne die Leistung der teilweise über 80 Jahre alten Anlagen – wie in mehreren Projekten seines Instituts realisiert - im Durchschnitt um 33 Prozent gesteigert werden, und das zu äußerst geringen Kosten. Würden alle Wasserkraftwerke mit den heute technisch möglichen Verfahren optimiert, könnten in Süddeutschland jährlich zusätzlich 1.450 Gigawatt gewonnen werden. Pumpspeicherkraftwerken bescheinigte Göde darüber hinaus eine wichtige Funktion im Zusammenspiel mit der Windkraft, da diese Anlagen zur Netzbalance bei geringer Windleistung zugeschaltet werden könnten. Unternehmen in Süddeutschland sind, so Göde, bereit, jährlich rund 100 Millionen in die Wasserkraft zu investieren. An vielen Standorten gebe es jedoch erhebliche Widerstände gegen den Ausbau.

Prof. Dr. Eberhard Göde ,Universität Stuttgart (Foto: W.List)

BALTIC 1 – EnBW realisiert ersten offshore Windpark Deutschlands

Die EnBW strebt in Baden-Württemberg und Deutschland eine führende Position bei der Erzeugung aus Erneuerbaren Energien an und baut diese gezielt als dritte Säule neben den klassischen Technologien Kohle und Kernkraft aus. Damit, so Dr. Werner Götz, Geschäftsführer der EnBW Renewables GmbH und der EnBW Ostsee Offshore GmbH, der bei dem Informationstag der Stiftung Energie und Klimaschutz über die Strategie des Energiekonzerns und die Windkraftprojekte in Ost- und Nordsee informierte, will das Unternehmen seine Position als CO₂-freundlichstes großes Energieunternehmen sichern. Erreicht werden sollen diese Ziele durch eine klare Fokussierung auf wenige Zielmärkte – neben Baden-Württemberg und Deutschland sind dies Polen und die Türkei – und durch den Einsatz reifer und wirtschaftlicher Technologien in den Bereichen Wasser, Wind, Solar und Biomasse. Außerdem werde an dem gezielten Ausbau der Wertschöpfungskette und an tragfähigen Kooperationsmodellen gearbeitet.

Ein zentraler Baustein in dieser Strategie ist BALTIC 1, der erste kommerzielle offshore Windpark in der deutschen Ostsee, der im Jahr 2010 in Betrieb geht. Mit „Kriegers Flak“, ebenfalls in der Ostsee (geplante Inbetriebnahme 2011/2012) und den Nordseeprojekten „He Dreiht“ und dem „Hochseewindpark Nordsee“, die in den Jahren 2013 bis 2015 ans Netz gehen sollen, sind bei einer Leistung von 1.188 MW in den kommenden Jahren die Erzeugung von jährlich 4,3 TWh in Planung. Das Investitionsvolumen für diese Projekte beläuft sich auf rund 3 Mrd. Euro.

Dr. Werner Götz, EnBW Erneuerbare Energien GmbH (Foto: W.List)

Dabei wird die EnBW die offshore Projekte schrittweise erschließen. Während die Ostseeprojekte mit Wassertiefen zwischen 18 und 40 Metern und einer Entfernung zur Küste von 16 bzw. 32 Kilometern „vergleichsweise einfache Standortbedingungen“ bieten, sind die Projekte in der Nordsee, so Götz, technisch deutlich anspruchsvoller, würden dafür aber langfristig höhere Energiepotenziale bieten. Hier liegen die Windparks in Wassertiefen von 39 Metern und rund 90 Kilometer von der Küste entfernt.

An der Realisierung von BALTIC 1, für das alle Gewerke des „Multi-Contract Konzepts“ endverhandelt und beauftragt und auch der Netzanschluss beauftragt und terminlich gesichert sind, arbeitet in Hamburg ein 24-köpfiges Team der EnBW. Die Umspannstation wird bereits so ausgelegt, dass auch „Kriegers Flak“ angebunden werden kann.

Derzeit wird im Detail an der maritimen Logistik für Transport und Bau der insgesamt 21 Windkraftanlagen mit einer installierten Leistung von 48,3 MW gearbeitet. Die von Siemens gelieferten Turbinen mit einer Nabenhöhe von 67 Metern und Rotoren mit 93 Metern Durchmesser sind, so Götz, „relativ kleine robuste Arbeitsmaschinen“. Beide Ostseeprojekte seien auf einem guten Weg und Götz zeigte sich zuversichtlich, dass die Zeitpläne eingehalten werden können.

In Deutschland und weltweit großes Potenzial für den Ausbau der Windenergie

In Deutschland und auch weltweit besteht ein sehr großes Potenzial für den Ausbau der Windenergie. Sowohl Sylvia Pilarsky-Grosch, die stellvertretende Präsidentin des Bundesverbands Windenergie mit ca. 20 Tausend Mitgliedern, als auch Jens Peter Molly, der Geschäftsführer der DEWI GmbH - Deutsches Windenergie-Institut, bescheinigten dieser Erneuerbaren Energie eine vielversprechende Zukunft. Laut Pilarsky-Grosch ist in Deutschland bei Nutzung von 1 Prozent der Fläche die Installation von Anlagen mit einer Gesamtleistung von 75.000 MW möglich. Im Jahr 2008 lag die installierte Leistung bei ca. 24.000 MW. Bei langfristig angenommenen durchschnittlichen 3.000 Volllaststunden je Anlage würde dies zu einem Windstromangebot von 220 Milliarde kWh und damit rund 40 Prozent des Nettostromverbrauchs führen. Deutschland weise heute, so Molly, mit mehr als 50 kW pro Quadratkilometer die höchste Anlagendichte weltweit auf. Weltweit bezifferte er das theoretische Windpotenzial 1.300 mal größer als die heute weltweit installierte elektrische Kraftwerksleistung.

Sylvia Pilarsky-Grosch, Bundesverband WindEnergie e. V. (Foto: W.List)

Neben dem Neubau von Windparks sieht der Bundesverband Windenergie vor allem im „Repowering“ große Zuwachspotenziale. In den vergangenen 20 Jahren wurde der Energieertrag aus Windkraftanlagen durch technische Weiterentwicklungen um das 500 fache gesteigert. Als Faustformeln für die Ertragsteigerung nannte Pilarsky-Grosch, dass der doppelte Rotordurchmesser das Vierfache an Leistung und jeder zusätzliche Meter Nabenhöhe ein Prozent mehr Ertrag bzw. ein Prozent mehr Volllaststunden bringt. Die neueste Anlagengeneration hat eine Nennleistung von 6 MW und mit einer Nabenhöhe von bis zu 136 Metern und Rotordurchmessern von 126 Metern bereits gewaltige Dimensionen.

Wenn der gesamte Anlagenbestand in Deutschland bis 2020 durch moderne Anlagen ersetzt würde, könnten nach Berechnungen des Bundesverbands Windenergie jährlich auf den bestehenden Flächen rund 90 Mrd. kWh an Windstrom produziert werden.

Ob aber 2009 weltweit alle geplanten Projekte wie geplant realisiert werden, sieht Molly wegen der Finanz- und Wirtschaftskrise kritisch. Es sei bereits absehbar, dass der Zuwachs mit 4.000 bis 5.000 MW in den USA, dem größten Windenergiemarkt der Welt, nur etwa halb so groß sein könnte wie im Jahr 2008. Limitierende Faktoren des weiteren Ausbaus seien insbesondere offshore darüber hinaus Engpässe bei der Netzanbindung und Trafostationen und bei der Lieferzeit von Turbinen und Schiffen für die Montage.

Jens Peter Molly, DEWI GmbH - Deutsches Windenergie-Institut (Foto: W.List)

Die größten technischen Herausforderungen sieht Molly in der Reduktion der Beanspruchungen und der Steigerung der Lebensdauer von Rotoren und Turbinen durch neue Materialien und Fertigungsmethoden. Aber auch bei Langzeit- und Kurzzeit-Windvorhersagen seien Optimierungen erforderlich, um die wirtschaftlichen Risiken zu begrenzen und die Windleistung besser in die Transport- und Verteilnetze zu integrieren. Das Größenwachstum bei Nabenhöhe und Rotordurchmesser werde in erster Linie durch Transport- und Montageprobleme limitiert. Während Automobile auf 5.000 Betriebsstunden ausgelegt sind, müssten Windkraftanlagen 160.000 Betriebsstunden absolvieren. Ohne Innovationen im Entwurf, die zu leichteren Anlagen führen, würden beim Vergrößern der Windturbine die Massen schneller zunehmen als der Energieertrag, was zu einer geringeren Wirtschaftlichkeit führen würde. Bei offshore Projekten sieht Molly vor allem in den Fundamentkonstruktionen noch hohen Forschungsbedarf.

Spitzenforschung aus Baden-Württemberg

Dass Baden-Württemberg wenn auch nicht bei der Nutzung dafür aber in der Windenergieforschung heute eine Spitzenposition einnimmt, belegt, dass der erste Lehrstuhl für Windenergie an der Universität Stuttgart angesiedelt ist. Prof. Dr. Martin Kühn, der den im Jahr 2004 von Dipl.-Ing. Karl Schlecht, dem Gründer und Aufsichtsratvorsitzenden der mittelständischen Putzmeister AG aus Aichtal bei Stuttgart gestifteten Lehrstuhl am Institut für Flugzeugbau leitet, hat heute 18 Mitarbeiter mit steigender Tendenz. Ein Forschungsfeld ist beispielsweise „LIDAR“, die Entwicklung eines lasergesteuerten Verfahrens, mit dem Windgeschwindigkeiten berührungslos gemessen werden können. Dadurch könnten Anlagen besser geregelt und Unsicherheiten bei Lastannahmen und Leistungskurven reduziert werden. Dass die Stuttgarter Windenergiestudenten weltweit mithalten können, haben sie bereits bewiesen. Bei „InVentus“, dem ersten Rennen für windgetriebene Fahrzeuge, belegten sie 2008 den ersten Platz.

Prof. Dr. Martin Kühn, Universtität Stuttgart (Foto: W.List)