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Nr. 53

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Universitätsdruckerei

Luftstrom von hoher See

Im Prinzip ist alles ganz einfach, wenn Strom aus dem starken Wind fern der Küste erzeugt werden soll. Doch die Tücken stecken im Detail.

Schon jetzt fließt aus deutschen Steckdosen Jahr für Jahr per Windkraft erzeugter Strom mit einer Leistung von maximal 20.000 Megawatt. Mal drehen sich die dafür verantwortlichen Rotoren in Küstennähe, mal auf Hügeln, in allen Fällen aber an Land. Das soll sich ändern, will doch die Bundesregierung daran festhalten, den Klimakiller Kohlendioxid (CO₂) in global erträgliche Schranken zu weisen. Weil die Kapazitäten an Land angesichts der weitgehend bereits in Anspruch genommenen windreichen Standorte als so gut wie ausgeschöpft gelten, sollen in absehbarer Zukunft Windkraftanlagen mit einer Leistung von ebenfalls mindestens 20.000 Megawatt im offenen Meer installiert werden. Der Grund: Fern der Küsten weht der Wind stärker und beständiger, und auch Proteste von ruhebedürftigen Anwohnern sind nicht zu befürchten.

Aus technischer Sicht bedeuten die Offshore- Windparks jedoch »neue Herausforderungen«, sagt Professor Friedrich Wilhelm Fuchs vom Lehrstuhl für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe. Fuchs und seine Mitarbeiter befassen sich mit typischen Problemen, die Energieerzeugung mit einer naturgemäß schwankungsanfälligen Antriebsquelle wie dem Wind mit sich bringt. Egal, ob sich die Generatoren windbedingt schneller oder langsamer drehen, der Strom soll stets so verlustarm wie möglich auf die passende Frequenz gewandelt und den Netzbedingungen angepasst werden.

Wesentlich größer sind die Herausforderungen nach seiner Einschätzung vor allem wegen der völlig anderen Anforderungen bei der Stromerzeugung zur See gerade für die elektrotechnischen Komponenten. Während die herkömmlich auf dem Trockenen fußenden Windparks im Durchschnitt gerade mal gut 5 bis 40 Megawatt leisten, ist bei einzelnen Offshore-Windparks von satten 400 Megawatt die Rede. Eine Kapazität, die sogar noch leicht über der des Kohlekraftwerks auf dem Kieler Ostufer liegt.

Wie erheblich der damit zusammenhängende Wissensbedarf ist, zeigt sich allein schon daran, dass gegenwärtig sechs der elf Mitarbeiter seines Lehrstuhls unmittelbar am Thema Windenergie forschen. Eine wichtige Frage dabei ist, wie sich elektrischer Strom über Distanzen von etwa 100 Kilometern transportieren lässt, ohne dass dabei unvertretbar hohe Verluste entstehen.

Vom ersten deutschen Offshore-Windpark, der demnächst vor Borkum ans Netz gehen soll, sind es etwa 65 Kilometer bis an Land. Mit derartigen Strecken gibt es weltweit noch zu wenig Erfahrung. Herkömmlichen Wechselstrom über so weite Strecken fließen zu lassen, wäre zu unwirtschaftlich und würde einen hohen Energieverlust bedeuten. Also muss der Strom unmittelbar auf See in Gleichstrom umgewandelt werden, um dann nach der Ankunft an Land wieder so bearbeitet zu werden, dass er als haushalts- und industrieverträglicher Wechselstrom aus der Steckdose kommt.

Die Umwandlungen an sich sind dabei laut Fuchs »relativ problemlos« zu bewerkstelligen. Schwieriger wird es jedoch, den Anlagen beizubringen, so genannte »Regeln für den Netzanschluss« verlässlich einzuhalten. Sinkt etwa die Netzspannung vorübergehend auf Null und steigt dann wieder an, so muss die Anlage diesen kurzfristigen Ausfall einfach wegstecken und normal weiterlaufen. Damit das gelingt, arbeiten die Kieler Wissenschaftler an schnell reagierenden Reglern für die Leistungselektronik in Windkraftanlagen und auch an speziellen Geräten, die im entgegengesetzten Fall arbeiten und Überspannung kappen, um Materialschäden zu vermeiden.

Ein »äußerst spannendes Feld« ist all das für Professor Fuchs, weil es einerseits zwar "nur" darum geht, bekannte Methoden für den Offshore- Einsatz zu optimieren, die Forschungen und Versuche aber andererseits unmittelbar zum praktischen Einsatz führen, den noch niemand bis in alle Einzelheiten ermessen kann. Akribische numerische Simulationen am Computer und auch die Experimente an den vier im Windeinsatz genutzten Generatortypen im Labor der Technischen Fakultät können nach Einschätzung von Fuchs Überraschungen im realen Betrieb zwar erheblich verringern, aber nicht völlig ausschließen. Untersuchungen zu den anderen, auch maschinenbaulichen Komponenten der Windenergieanlage nehmen die Partnerhochschulen im "CEwind – Kompetenzzentrum Windenergie Schleswig-Holstein" vor, dem auch der Lehrstuhl von Fuchs angehört. So waren die Experten der Technischen Fakultät bei den Voruntersuchungen für den zweiten deutschen Offshore-Windpark "NordEON2", der vor Bremen aufgebaut werden soll, unmittelbar beteiligt.

Martin Geist

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