Windenergie

Moderne Windenergieanlagen liefern derzeit den größten Anteil des Stroms aus erneuerbaren Energien. Sowohl an Land als auch auf See sind in den vergangenen Monaten eine Reihe weiterer Windparks ans Netz gegangen. Neben dem Zubau werden beim sogenannten Repowering alte Anlagen durch neue, leistungsstärkere Anlagen ersetzt, um den Ertrag an dem jeweiligen Standort zu erhöhen. Offshore-Windenergie ist besonders attraktiv, weil mit einer Anlage gleicher Leistung – aufgrund der starken und stetigen Winde auf See – oft mehr als doppelt so hohe Erträge wie im Binnenland erzielt werden können. Dennoch war die Stromproduktion auf See bisher deutlich teurer, da die technischen und logistischen Anforderungen, etwa beim Bau oder der Wartung, sehr anspruchsvoll sind. Derzeit sind dreiflügelige Windräder mit horizontaler Achse die gängigste Bauart. Im Trend liegen immer größere Windenergieanlagen mit immer höheren Leistungen. Rotorblattlängen von 80 Metern und mehr stellen allerdings auch logistisch eine große Herausforderung dar.

Forschungsschwerpunkte und wissenschaftliche Fortschritte

In den vergangenen Jahren haben intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeiten dazu beigetragen, dass die Stromproduktion aus Windenergie immer günstiger geworden ist. Auch weiterhin liegt der Fokus der Forschungsförderung der Bundesregierung darauf, durch innovative Technologien und Verfahren die Winderträge zu steigern und gleichzeitig die Kosten zu senken. Dies fängt bereits bei der Planung und der Produktion der Windenergieanlagen an. Forscherinnen und Forscher arbeiten unter anderem daran, mithilfe von computerbasierten Designprozessen die Rotorblattfertigung sukzessive zu automatisieren.

Um eine optimale Windernte einzufahren, werden die Anlagentürme immer höher und die Rotorblätter immer länger ausgelegt. Dies führt zu einer deutlich höheren Beanspruchung der einzelnen Komponenten. Daher entwickeln Wissenschaftsteams neue Materialien und Verbundwerkstoffe, die dazu beitragen, das Gewicht der Rotorblätter zu reduzieren und sehr lange Blätter zu ermöglichen. Innovative Regelungsverfahren und eine robuste Leistungselektronik sollen des Weiteren dazu beitragen, dass auch der Betrieb der Windenergieanlagen möglichst reibungslos und wartungsarm abläuft.

Bevor Windenergieanlagen in den Markt gelangen, müssen diese umfassend getestet werden. Das Testfeld Bremerhaven ist 2017 als drittes Testfeld in Deutschland in Betrieb gegangen. Es wird vom Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES auf einem ehemaligen Flughafengelände betrieben. Sowohl hier als auch im nahe gelegenen DyNaLab können wissenschaftliche Forschungseinrichtungen oder Hersteller von Windenergieanlagen-Komponenten umfangreiche Tests im realen Feldbetrieb und auf Prüfständen in der Halle durchführen.
Für Windenergieanlagen, die auf See errichtet werden, kommen weitere Herausforderungen bei den Gründungsstrukturen dazu. Starke Strömungen können beispielsweise den Boden trichterförmig rund um das Fundament einer Anlage auswaschen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchen im Großen Wellenkanal des Forschungszentrums Küste (FZK) im Forschungsprojekt marTech unter anderem, wie sich solche Auskolkungen verhindern beziehungsweise zumindest reduzieren lassen. Der Wellenkanal zählt zu den größten maritimen Testanlagen weltweit.

Nicht nur bei den klassischen Anlagenbauteilen, sondern auch im Betriebsablauf als solchem lassen sich die Kosten weiter senken. Hierbei bietet die Digitalisierung ein großes Potenzial. Verschleißprozesse von Bauteilen an Windenergieanlagen lassen sich beispielsweise mittels Sensoren dokumentieren und in Leitstellen am Computer verfolgen. In Folge können Servicekräfte rechtzeitig die notwendigen Wartungsarbeiten erledigen, noch bevor die Anlage ausfällt und teure Stillstandzeiten in Kauf genommen werden müssen.
Das BMBF fördert die Grundlagenforschung im Bereich Windenergie. Besonders die Förderinitiative „Materialforschung für die Energiewende“ unterstützt das Ziel, die Lebensdauer von Windenergieanlagen zu erhöhen sowie die Kosten zu senken.

Ein Beispiel ist das Verbundvorhaben WEA-GLiTS. Um Ausfall- und Stillstandszeiten auf Grund von Wälzlagerschäden zu senken, werden zuverlässigere Windenergieanlagen entwickelt. Wissenschaftler erproben neuartige Werkstoffkonzepte für Gleitlagerbeschichtungen. Sie entwickeln ein teilbares Lager mit austauschbaren Gleitsegmenten. Bei einem Projekterfolg erschließt sich ein großes industrielles Potenzial. Dieses könnte durch ein neues Werkstoffkonzept mit höherer Ermüdungsfestigkeit und Lebensdauer sowie eine einfachere Austauschbarkeit von Gleitsegmenten erreicht werden.

Projektförderung

Im Schwerpunkt Windenergie haben das BMBF und das BMWi im Jahr 2017 354 laufende Vorhaben mit rund 75,11 Millionen Euro gefördert. 2017 haben die Ministerien zudem 86 Forschungsprojekte mit einem Fördermittelansatz von rund 95,97 Millionen Euro neu bewilligt (vgl. Abb.).