Floating-Wind – die Welt der schwimmenden Windkraft

Eine schwimmende Windkraftanlage besteht aus vier Hauptelementen

Herkömmliche Fundamente werden fest im Meeresgrund verankert. Dabei gleicht eine aufwärts wirkende Vertikalkraft die abwärts gerichtete Vertikalkraft des Turbinengewichts aus. Bei schwimmenden Anlagen entsteht diese Vertikalkraft ausschließlich durch den Auftrieb des schwimmenden Fundaments. Das schwimmende Fundament verleiht der Anlage den notwendigen Auftrieb im Wasser und sorgt für Stabilität gegen Wind- und Wellenkräfte.

Das Verankerungssystem besteht aus Verankerungsleinen und Ankern. Es dient vor allem dazu, das schwimmende Fundament an Ort und Stelle zu halten. Die Konstruktion des Verankerungssystems trägt außerdem zur Kontrolle von Bewegungen und Belastungen der Seekabel bei. Die Anker dienen als Befestigungspunkt für die Verankerungsleinen im Meeresgrund.

Die Elektrizität wird durch unter Wasser verlegte Inter-Array- und Exportkabel von den schwimmenden Windkraftanlagen an Land transportiert. Anders als bei auf dem Meeresboden fest installierten Offshore-Windanlagen, bei denen die Kabel am Meeresgrund befestigt sind, um Bewegungen zu vermeiden, werden beim Floating-Wind ‚dynamische Kabel‘ eingesetzt. Um den zusätzlichen Schwimmbewegungen zu widerstehen, sind diese steifer als die herkömmlichen Kabel. An den Verbindungspunkten sind sie zur Kontrolle der Bewegungen und Belastungen ebenfalls angemessen geschützt. Die Inter-Array-Kabel werden meist durchhängend oder in einer Lazy-Wave-Konfiguration verlegt.

Zumindest auf kurz- bis mittelfristige Sicht wird für Floating-Windprojekte weitgehend die gleiche Turbinentechnologie genutzt, wie bei fest installierten Anlagen. Ein wichtiger Unterschied zu den fest installierten Anlagen besteht jedoch in den stärkeren Wechselwirkungen zwischen Turbine und Unterstruktur. Das Design des schwimmenden Fundaments wird insbesondere durch die Bewegungen bestimmt, denen die Turbine sicher standhalten muss (und zwar: Neigungen – wie weit sie kippen darf – und Beschleunigungen – wie schnell sie sich bewegen kann). Dabei wird das Steuerungssystem der Turbine ebenfalls diesen Bedingungen angepasst.

Die meisten Konstruktionen auf dem Markt lassen sich einem der fünf Grundtypen zuordnen:

Die Konstruktion nutzt zur Schaffung von Stabilität den Unterschied zwischen Schwerpunkt und Auftriebszentrum der Struktur. Die Bojen sind so konzipiert, dass der Schwerpunkt weit unterhalb des Auftriebszentrums liegt. Wenn die Unterstruktur sich unter dem Einfluss von Wind und Wellen neigt, bringt ein Pendeleffekt die Anlage zurück in die vertikale Ausgangslage.

Dieses Konzept ähnelt vom Prinzip her der Holmboie, die Struktur besteht jedoch aus zwei Elementen. Eine Ballastmasse wird unter den schwimmenden oberen Teil der Plattform gehängt, so dass der Schwerpunkt auch hier unter dem Auftriebszentrum liegt.

Kahnplattformen nehmen eine größere Fläche auf dem Wasser ein und erreichen dadurch ihre Stabilität. Neigt sich die Konstruktion, werden einige Teile der Plattform unter Wasser gedrückt, während andere angehoben werden. So entstehen ein Rückstellmoment und Auftrieb für die gesamte Anlage.

Dieser Konstruktionstyp ähnelt der Kahnplattform, da seine Stabilität durch das Überspannen einer großen Wasserfläche mit drei oder mehr separaten Säulen erreicht wird.

Diese Konstruktionsart nutzt den Unterschied und das Gleichgewicht zwischen der aufwärts gerichteten Auftriebskraft der Struktur und der nach unten gerichteten Zugkraft der vertikalen Spannseile.

Die Verankerungssysteme lassen sich grob in vier Typen einteilen, die je nach Wassertiefe und der Beschaffenheit des Meeresbodens am Standort sowie der Konstruktionsart des schwimmenden Fundaments zum Einsatz kommen.

Dieses System aus Ketten bzw. Drahtseilen, oft in Kombination mit synthetischen Seilen, kommt typischerweise bei Wassertiefen unter 500 m zum Einsatz. Ein beträchtlicher Teil der Verankerungskette liegt auf dem Meeresgrund. Wird diese durch die Bewegungen des schwimmenden Fundaments vom Meeresboden angehoben, zieht sie ihr Eigengewicht an Ort und Stelle zurück. Hier kommt eine Rückstellkraft zur Anwendung, d.h., eine Kraft, die Masse in ihre ursprüngliche Ruhelage ‚zurückstellen‘ will.

Dieses System kommt typischerweise in Wassertiefen von über 250 zur Anwendung. Die leichten Verankerungsleinen bestehen aus Synthetik- oder Drahtseilen. Bei diesem System liegen keine zusätzlichen Seillängen auf dem Meeresboden; die Rückstellkraft entsteht durch die Zunahme und Abnahme der Leinenspannung. Dabei ist der ‚Fußabdruck‘ (die Fläche, die das Vertäuungssystem auf dem Meeresboden einnimmt) hier wesentlich kleiner als beim durchhängenden Verankerungssystem.

Bei diesem System handelt es sich um eine Mischung aus Catenary- und Taut-System, wobei ein kleiner Teil der Verankerungsleine auf dem Meeresboden liegt. Es kann in allen Wassertiefen genutzt werden und hat einen kleineren Fußabdruck auf dem Meeresgrund als das Catenary-System, jedoch einen größeren als das Taut-System.

Dieses System kommt typischerweise in Wassertiefen von über 120 m zum Einsatz und nur in Kombination mit speziellen Spannbeinplattformen. Bei dieser Konfiguration ist keine vertikale Bewegung der Unterkonstruktion möglich. Die Spannbeine bestehen aus Drahtseilen, Ketten oder synthetischen Seilen, welche zwischen Anker und Plattform gespannt werden. Bei dieser Art der Verankerung ist der Fußabdruck auf dem Meeresgrund am kleinsten.

Bei den meisten Konzepten für schwimmende Unterstrukturen kommen Verankerungssysteme zum Einsatz, die für eine feste Ausrichtung der Anlage sorgen. Bei diesen Konstruktionen wird die Anpassung der Turbine an die Windrichtung durch das standardmäßige Gondel-Giersystem erreicht (zur 360-Grad-Drehung um die Turmspitze), genauso wie bei den fest auf dem Meeresgrund installierten Anlagen. Einige Konzepte für Floating-Wind sehen jedoch eine Einpunkt-Verankerung vor, bei denen sich die Anlage wie eine Wetterfahne um den Befestigungspunkt drehen kann. Die Ausrichtung der Turbine nach der Windrichtung wird hier vor allem durch eine Drehung der gesamten Plattform erreicht. Das dynamische Kabel wird zur Gewährleistung einer ununterbrochenen elektrischen Verbindung durch die Mitte des Verankerungsturms zu einem Drehgelenk geführt.