Ein historisches Foto der experimentellen, vertikalachsigen Windturbine mit 34 m Durchmesser, die in den 1980er Jahren in Texas gebaut wurde, von den Sandia National Laboratories.

Bild: Sandia National Laboratories

Neue schwimmende Turbinen Komplette Neuerfindung von Offshore-Windturbinen

29.08.2022

Windenergie-Anlagen sind ein Eckpfeiler in der Energiewende, jedoch bringt das aktuelle Design viele Probleme mit sich. Forscher der Sandia National Laboratories entwickeln nun ein völlig neue Art der Offshore-Windturbinen.

Brandon Ennis, technischer Leiter der Sandia National Laboratories für Offshore-Windkraftanlagen, hatte eine radikal neue Idee für Offshore-Windturbinen: Anstelle eines hohen, unhandlichen Turms mit Flügeln an der Spitze stellte er sich eine turmlose Turbine vor, deren Flügel wie ein Bogen gespannt sind.

Diese Konstruktion würde es ermöglichen, den massiven Generator, der aus den sich drehenden Schaufeln Strom erzeugt, näher am Wasser zu platzieren, anstatt auf der Spitze eines Turms in 150 m Höhe. Dadurch wird die Turbine weniger kopflastig und die Größe und die Kosten der schwimmenden Plattform, die benötigt wird, um sie über Wasser zu halten, werden reduziert. Sandia reichte 2020 einen Patentantrag für das Design ein.

Keine geeignete Software vorhanden

Bevor er seine Idee jedoch in die Tat umsetzen konnte, musste das Team eine Software entwickeln, mit der die Reaktion der Turbine und der schwimmenden Plattform auf unterschiedliche Wind- und Meeresbedingungen modelliert werden konnte, um das optimale Design des gesamten Systems zu ermitteln.

Jetzt verfügt das Sandia-Team über ein funktionales Design-Tool, das so genannte „Reißbrett“, und kann mit dem Entwurf und der Optimierung seines leichteren schwimmenden Windturbinensystems beginnen.

„Um unser schwimmendes Windturbinensystem zu entwerfen, brauchten wir ein Design-Tool, das Wind, Wellen, die Elastizität der Flügel, die Bewegung der Plattform und die Steuerungen simulieren kann“, so Ennis. „Es gibt ein paar Tools, die einiges von dem abbilden können, was wir brauchen, aber nicht die ganze relevante, in beide Richtungen gekoppelte Dynamik für den Entwurf und die Optimierung dieser Art von Windkraftanlage. Es war ein großes Unterfangen, aber es war unerlässlich. Ohne ein zuverlässiges Tool wie dieses kann es keine schwimmende, vertikalachsige Windturbinenindustrie geben.“

Leichtere, billigere Turbinen für Offshore-Windkraftanlagen

Ein Großteil der Offshore-Windkraft in den USA weht durch Wasser, das mehr als 60 m tief ist. In diesen Tiefen wäre es sehr teuer, die starren Stützstrukturen zu bauen, die normalerweise für Windturbinen verwendet werden. Windturbinen, die über dem Meeresboden schwimmen können, könnten jedoch eine wichtige Rolle bei der Diversifizierung unserer erneuerbaren Energiequellen spielen und die Stabilität des Stromnetzes verbessern, wenn Städte und Staaten ihren Netto-Null-Emissionszielen näher kommen, so Ryan Coe, Maschinenbauingenieur in der Wasserkraftgruppe von Sandia.

„Die hohe Stromnachfrage an den Küsten ist ein Grund für die Attraktivität von Offshore-Windkraftanlagen. Die Menschen leben in der Regel nicht dort, wo der Wind an Land am stärksten weht, und in den Städten gibt es nicht genug Platz für Solaranlagen“, so Coe. „Außerdem liefert Offshore-Wind Strom zu anderen Tageszeiten als Solar- und Onshore-Wind.“

Die schwimmende Offshore-Windkraft hat jedoch ihre eigenen Herausforderungen, fügte Ennis hinzu. Vor allem ist es sehr teuer, die Windturbinen zu stützen und zu warten, wenn sie auf See sind. Das Ziel eines Programms der Advanced Research Project Agency-Energy des Energieministeriums ist es, das Design von schwimmenden Windturbinen, Plattformen und Kontrollsystemen zu optimieren, um die Leistung zu maximieren und gleichzeitig die Kosten zu minimieren, sagte er.

„Für uns stellt sich die Frage, wie wir die Masse und die Kosten des Systems reduzieren und gleichzeitig die Energiegewinnung maximieren können, daher haben wir unser innovatives, turmloses Design mit vertikaler Achse entwickelt“, so Ennis.

Unterschiedliche Bauweisen

Die meisten Windturbinen basieren heute auf einem hohen Turm mit drei Flügeln, die eine horizontale Welle drehen, die einen Generator hinter den Flügeln in der Turbinengondel antreibt, dem Kasten oben auf der Turbine, der den Rotor und andere wichtige Komponenten enthält. Aber das ist nicht die einzige Möglichkeit, eine Windkraftanlage zu konstruieren, so Ennis.

Einige Turbinen haben zwei oder mehr Flügel, die von einer vertikalen Welle getragen werden, und einen Generator unter den Flügeln. Diese Konstruktion, eine sogenannte Darrieus-Windturbine mit vertikaler Achse, hat einen niedrigeren Schwerpunkt und kann weniger wiegen als eine herkömmliche Windturbine, sagte Ennis, aber eine der größten Herausforderungen ist, dass es schwierig ist, die Turbine vor extremen Winden zu schützen.

Bei herkömmlichen, horizontal ausgerichteten Windturbinen können sich die Flügel bei starkem, schädlichem Wind wegdrehen, aber das Darrieus-Design fängt den Wind aus jeder Richtung ein. Bei der Sandia-Konstruktion wird der zentrale vertikale Turm durch gespannte Abspannseile ersetzt, so Ennis. Diese Drähte können verkürzt oder verlängert werden, um sich den wechselnden Windbedingungen anzupassen und so die Energiegewinnung zu maximieren und gleichzeitig die Belastung zu kontrollieren.

Außerdem wird durch den Ersatz der Welle durch Drähte das Gewicht der Turbine weiter reduziert, so dass die schwimmende Plattform noch kleiner und kostengünstiger werden kann.

Entwicklung und Validierung eines Entwurfswerkzeugs

Kevin Moore, Maschinenbauingenieur in Sandias Windenergiegruppe, und der Rest des Teams bauten auf früheren Arbeiten des Sandia-Ingenieurs Brian Owens auf, um das Design-Tool für vertikal ausgerichtete Windturbinen zu entwickeln. Coe und Michael Devin, ein weiterer Maschinenbauingenieur in der Windenergiegruppe, arbeiteten ebenfalls daran. Das Team arbeitete an der Integration von physikalischen Algorithmen und verbesserte gleichzeitig die Genauigkeit und Geschwindigkeit der Algorithmen.

Moore leitete auch die Bemühungen zur Validierung des Design-Tools anhand von Daten einer landgestützten, vertikalachsigen Windturbine mit einem Durchmesser von 34 m, die in den 80er Jahren von Sandia gebaut wurde. „Während der Arbeit an der Validierung war es erstaunlich, die Designqualität und Innovation der alten Konstrukteure zu sehen“, sagte Moore. „Es ist ein Privileg, auf den Schultern von Giganten zu stehen und gleichzeitig moderne Berechnungsressourcen zu nutzen.“

Einer der Gründe, warum das Sandia-Team das Design-Tool validiert, ist, dass es letztendlich dazu verwendet werden kann, die Entwürfe für vertikalachsige Windturbinen gemäß den einschlägigen Design-Standards zu zertifizieren, so Ennis.

„Wenn ein Unternehmen eine vertikalachsige Windturbine zertifizieren will, gibt es derzeit kein zuverlässiges Design-Tool, so dass dieser Prozess mit großer Unsicherheit behaftet ist“, so Ennis. „Wenn wir in der Lage sind, ein zuverlässiges Design-Tool bereitzustellen, sind die Zertifizierungsstellen eher bereit, die Entwürfe für vertikalachsige Windturbinen zu genehmigen, was für die Finanzierung und den letztendlichen Einsatz der Anlagen notwendig ist.

Entwicklung eines verbesserten Turbinenentwurfs

Nun kann das Team mit dem Entwurf der schwimmenden, vertikalachsigen Windkraftanlage beginnen. Das Design-Tool kann zur Modellierung und Verbesserung jeder vertikal ausgerichteten Windturbine verwendet werden, unabhängig davon, ob sie einen traditionellen Turm oder gespannte Abspannseile hat, so Ennis. Das Team verwendet einen Prozess, der als Co-Design der Steuerung bezeichnet wird, um das kosteneffektivste Systemdesign und die Steuerung für schwimmende Vertikalachsen-Windturbinen zu finden.

„Wir entwerfen das gesamte System, also die Turbine, die Plattform und deren Steuerung, gleichzeitig, um die Energiekosten zu senken, nicht nur die Kosten der Turbine selbst“, so Ennis. „Normalerweise entwirft ein Unternehmen die Turbine, ein anderes die schwimmende Plattform für diese feste Turbine, und ein drittes Unternehmen installiert sie zusammen mit anderen Systemen, um eine Offshore-Windkraftanlage zu errichten, und am Ende erhält man das, was man in Bezug auf die Kosten erhält.

Das Team hofft, bis Ende des Jahres einen verbesserten Entwurf für eine schwimmende, vertikalachsige Windturbine vorlegen zu können, so Ennis. „Das ist ein tolles Werkzeug, weil es all diese verschiedenen Fähigkeiten integriert“, sagte Coe. „Wir waren in der Lage, Werkzeuge, die für die Modellierung der Aerodynamik und der Strukturdynamik von Windkraftanlagen mit vertikaler Achse entwickelt wurden – Bereiche, in denen Sandia schon immer führend war – mit der Hydrodynamik zu kombinieren und sie für die Designoptimierung besser geeignet zu machen.“

Die Entwicklung der Software für den Entwurf von Offshore-Windturbinen und künftige Arbeiten zur Optimierung des Designs des gesamten Systems werden vom Atlantis-Programm der Advanced Research Project Agency-Energy des Energieministeriums unterstützt. Das Sandia-Team arbeitet bei diesem Projekt mit den Projektpartnern FPS Engineering & Technology und dem American Bureau of Shipping zusammen.

Bildergalerie

  • Das neue Design der Sandia National Laboratories für Offshore-Windkraftanlagen: kein schwerer Turm, stattdessen mit Abspannseilen gespannte Windflügel

    Bild: Sandia National Laboratories, Brent Haglund

  • Ein Bild einer Analyse der neuen schwimmenden Vertikalachsen-Windturbine der Sandia National Laboratories mit dem neuen Design-Tool des Teams.

    Bild: Sandia National Laboratories, Kevin Moore

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