Steife Brise für die Steckdose

Die Energiewende zu meistern, stellt eine der wichtigsten Herausforderungen unserer Zeit dar. Im Mix der Energieformen ist dabei die Windenergie ein entscheidender Baustein, um Probleme der Energieversorgung zu lösen. Immerhin rund ein Zehntel des Stromverbrauchs in Deutschland wird von Windenergieanlagen gedeckt. Besonderen Herausforderungen sehen sich Offshore-Anlagen ausgesetzt – aber sie bieten auch große Chancen.

Windpark Sheringham Shoal in der Nordsee vor England. (Foto: Harald Pettersen/Statoil via Wikimedi Commons CC BY 2.0 https://creativecommons.org/licenses/by/2.0)
Windpark Sheringham Shoal in der Nordsee vor England. (Foto: Harald Pettersen/Statoil via Wikimedi Commons CC BY 2.0 https://creativecommons.org/licenses/by/2.0)

Irgendwie typisch, dieser Tag. Die Wolken pressen, der Himmel hängt tief, das Wasser geht schwer. Und dann dieser Wind. Er scheint die Wellen nach Willkür hin und her zu werfen und zu schieben, als wollte er, wäre das möglich, jedem einzelnen Wassermolekül die Luft abdrücken. Zwischendrin besonders heftige Böen. Ein gewöhnlicher Tag eben, hier, im Spätherbst, an der Nordsee.

Enorme Windstöße, Tornados inzwischen auch in unseren Breiten, reichlich Regen und manchmal Blitzeinschläge: Wovor der Mensch fliehen kann, müssen Windenergieanlagen an vielen Tagen im Jahr aushalten – und jene auf hoher See oft umso heftiger und ungeschützter. Dort zerren zusätzlich Wellen, Salzwasser und ungebremste Stürme mit unglaublicher Kraft und Wucht an Material, Stabilität und Standfestigkeit von Stahlrohren und Rotorblättern. Sie müssen diesen Unbilden der Natur standhalten. Wie aber kann man wirklich gewiss sein, dass die Technik sicher und zuverlässig läuft und das Material hält?


Sucht weltweit seinesgleichen: Das neue Testzentrum für Tragstrukturen mit riesigen Prüfanlagen

Testzentrum für Gründungs- und Tragstrukturen von Windenergieanlagen an der Leibniz Universität Hannover (Foto: Mathias Schumacher/Leibniz Universität)
Testzentrum für Gründungs- und Tragstrukturen von Windenergieanlagen an der Leibniz Universität Hannover (Foto: Mathias Schumacher/Leibniz Universität)

In Niedersachsen, Deutschlands Windstromerzeugungsland Nummer eins, tut man einiges, solche Fragen zu beantworten und generell Forschung auf diesem Zukunftsfeld zu stärken. Ein enormer Sprung gelang im Herbst 2014: Damals nahm in der Landeshauptstadt eine der weltweit größten und modernsten Versuchs- und Erprobungsanlagen ihre Arbeit auf – das Testzentrum für Tragstrukturen Hannover (TTH). Die Anlage am Rande der Halbmillioneneinwohnerstadt ist eines der spektakulärsten wissenschaftlichen Neubauprojekte des Landes und wurde nach nur knapp zwei Jahren Bauzeit eröffnet. Dort können Forscher unter definierten Bedingungen ganze Windräder oder deren Komponenten gezielt auf den Prüfstand stellen. Zwei europaweit einzigartige Großversuchsanlagen stehen ihnen dafür in dem Prüfzentrum mit seiner rund zwanzig Meter hohen Versuchshalle neben Laboren und Werkstätten zur Verfügung.

In dem Testzentrum für Tragstrukturen erwartet die Forscher zum einen das 18,5 Meter lange und zehn Meter breite "Spannfeld". Es dient insbesondere der mehraxialen Prüfung von Strukturen und realen Komponenten. Hier traktieren die Experten etwa Turmsegmente oder Stützstrukturen mit enormen Kräften und stellen im Zeitraffer die Belastungen nach, denen die Anlagen unter Extrembedingungen – etwa durch Monsterwellen und brachialen Wind – ausgesetzt sind. Die "Zutaten" für solche Versuche: eine 200 Quadratmeter große Betonplatte, an zwei Seiten begrenzt von einer hohen rechtwinkligen Betonwand.

Zwischen beide, Boden und Wand, lässt sich ein "Prüfling" einspannen, zum Beispiel das Stützrohr eines Windrades. 14 Hydraulikzylinder ziehen dann quasi die Daumenschrauben an und drücken, zerren und pressen auf Knopfdruck – bis zu 200 Tonnen wirken so auf ein Testobjekt ein. Wem das nicht reicht, der kann sein Objekt in einer Klimakammer durch Temperaturwechsel im Zeitraffer künstlich altern lassen oder befördert vorzeitige Materialermüdung durch Besprühung oder Vernebelung mit Salzwasser. Die zerstörerischen Kräfte wirken so lange, bis der Prüfling – durch welche Kraft auch immer – kaputt ist: sich biegt, bricht oder birst. Feinste Messfühler zeichnen bis zum bitteren Ende alles auf; auch Ultraschall lässt sich versuchsbegleitend zum Durchleuchten einsetzen.

In Anlage Nummer zwei, einer zehn Meter tiefen "Grundbauversuchsgrube", erproben Forscher an Modellen im Maßstab 1:10 zum Beispiel – dazu später mehr – Ideen für anders geartete Verankerungen von Windrädern im Meeresboden. In dem überdimensionierten Sandkasten simulieren sie Vor- und Nachteile verschiedener Bauverfahrenstechniken – dabei stets das wichtigste Ziel vor Augen, eine Windenergieanlage so sicher und effizient wie irgend möglich im Meeresgrund zu verankern. Ebenso gut lässt sich hier das Tragverhalten zyklisch beanspruchter Strukturen untersuchen oder eine neue Installationstechnik ausprobieren.

Insgesamt kostete der Bau des Testzentrums für Tragstrukturen in Hannover-Marienwerder 26 Millionen Euro, rund zehn Prozent der Baukosten stammen aus dem "Niedersächsischen Vorab" von Land und Stiftung. Substanzielle Unterstützung steuerten auch der Bund und die Europäische Union bei – und die Leibniz Universität Hannover beteiligte sich mit 2,8 Millionen Euro. Die Errichtung der gesamten Anlage ist Teil einer umfassenderen Kooperationsvereinbarung zwischen der Hochschule und dem Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik Nordwest (IWES); beide unterzeichneten unlängst einen Kooperationsvertrag über gemeinsame Aktivitäten im Bereich der Windenergieforschung.


Forschen für Sicherheit, Funktionsfähigkeit, Kostenminimierung und sparsamen Verbrauch

Durch die im Zentrum für Tragstrukturen möglichen Tests unter realitätsnahen Bedingungen will das Fraunhofer IWES mit seinen Projekten die Zeit bis zur Anwendungsreife von Tragstrukturdesigns deutlich verkürzen. "Gerade für Offshore-Windkraftanlagen lassen sich im Testzentrum viele entscheidende Fragen rund um die Stabilität und Haltbarkeit der zahlreichen Komponenten bearbeiten", sagt Dr.-Ing. Maik Wefer. Der Leiter des Bereichs Strukturkomponenten beim Fraunhofer IWES hofft auf Auftraggeber aus der Industrie und von der öffentlichen Hand. Aktuell untersuchen Forscher im Laborversuch unter verschiedenen, künstlich induzierten Bedingungen im Zeitrafferverlauf insbesondere die Beanspruchung von Tragstrukturen aus den Materialien Stahl, Guss, Beton sowie aus Hybridmaterialien. Ziel ist es, Schäden verursachende Prozesse oder Gegebenheiten auch in der Realität frühzeitig zu erkennen und Tragstrukturen weiter zu optimieren.

Im Wesentlichen sind es drei große zentrale Herausforderungen, die es bei Offshore-Windkraft zu bewältigen gilt: die sichere und wirtschaftliche Verankerung der Anlage im Meeresboden, umweltschonende Installationstechniken sowie eine möglichst genaue Vorhersage der Lebensdauer. Wie wichtig die Suche nach richtigen Antworten ist, wird klar, wenn man sich vergegenwärtigt, dass Funktionsfähigkeit und Sicherheit der Anlagen nicht nur ein hoher Wert an sich sind, sondern eben auch jede einzelne Wartung und Reparatur einer solchen Großanlage auf hoher See äußerst kostspielig ist.

"Gerade der Einsatz von Anlagen in großer Wassertiefe erfordert für zahlreiche Fragen zuverlässige Lösungen auf aktuellem technischen Niveau", fasst Uwe Beckmeyer, der Parlamentarische Staatssekretär beim Bundesminister für Wirtschaft und Energie, zusammen. Sein Ministerium hat allein 17,8 Millionen Euro für die Errichtung des Testzentrums bereitgestellt. Dort hält man insbesondere die Erprobung alternativer Materialien und neuer Bauverfahrenstechniken für wegweisend. "Die neue Großeinrichtung kann mit ihren vielfältigen Möglichkeiten Herstellern, Projektierern und Betreibern wertvolle Hinweise liefern", sagt Beckmeyer. All das ermögliche es, die Kosten der Windenergienutzung zu senken und dabei zugleich umweltschonend und nachhaltig zu agieren als auch die Verfügbarkeit der Anlagen zu erhöhen, führt er weiter aus. Und das wiederum befördere eine erfolgreiche Energiewende. "Von einem raschen Forschung-Praxis-Transfer profitiert zudem der Wirtschaftsstandort Deutschland!"

Das neue Testzentrum für Tragstrukturen in Hannover-Marienwerder kann zweifelsohne einen wichtigen Beitrag leisten, die Windenergieforschung hierzulande noch weiter voranzubringen. Umso mehr, als es Teil des übergreifenden Verbunds "ForWind" ist. ForWind bündelt die Kompetenzen auf dem Gebiet der Windenergieforschung der Universitäten Hannover, Oldenburg und Bremen sowie des Fraunhofer IWES und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt. Gegründet wurde die vereinte Windenergieforschung im Jahr 2003. Da seinerzeit auch die Politik verstanden hatte, dass sich durch die längst anrollende Energiewende die ganze Prozesskette der Energieversorgung immer schneller neu justierte, gelang es, die unzweifelhaft vorhandene wissenschaftliche Expertise auch finanziell zu unterfüttern. Und so wurde ForWind seitdem – einschließlich erster vorbereitender Arbeiten – aus dem "Niedersächsischen Vorab" bis heute, also Ende 2015 mit rund 20 Millionen Euro gefördert.

Der Verbund ist als einziges Forschungszentrum in verschiedene wissenschaftliche Begleitvorhaben aller drei bisher installierten deutschen Offshore-Windparks eingebunden. "Wir untersuchen zum Beispiel, wie sich die Trägerstruktur der Windräder verbessern lässt", erklärt Stephan Barth, Geschäftsführer von ForWind. Dabei gehe es um deren sichere Verankerung im Boden, eine längere Lebensdauer der Rotoren oder um günstigere Produktionskosten. Die Forscher tüfteln unter anderem an einer neuen Generation von Rotorblättern. Ziel ist es, dass Windenergieanlagen möglichst effizient und geräuscharm arbeiten und letztlich ein optimales Zusammenspiel aller Windräder in einem Windpark erreicht wird.

Im Blick des Forschungsverbunds "ForWind": die gesamte Prozesskette der Energieversorgung

Die Forschungsallianz leiste zweifelsohne weit über die Grenzen des Landes hinaus einen herausragenden Beitrag zum Gelingen der Energiewende, freute sich Niedersachsens Wissenschaftsministerin Gabriele Heinen-Kljajic, als ForWind unlängst mit dem Norddeutschen Wissenschaftspreis 2014 ausgezeichnet wurde. Der Jubel war groß. Denn mit 50.000 Euro prämiert wurde eine stabile Zusammenarbeit von Energieforschern, die seit mehr als einem Jahrzehnt ausgezeichnet funktioniert und die reichlich Früchte getragen hat.

Mit der Entscheidung würdigten die Wissenschaftsressorts der norddeutschen Länder die "vorbildliche institutionenübergreifende und interregionale Zusammenarbeit" der Beteiligten, hieß es anlässlich der Preisübergabe Ende November 2014 im Alten Rathaus Hannover. Immerhin vereinigt ForWind die Aktivitäten von dreißig in der Windenergieforschung engagierten Mitgliedsinstituten und Gruppen mit ihrer in Summe breit gespreizten Expertise aus den Ingenieur-, Naturund Wirtschaftswissenschaften sowie der Informatik – verteilt über die Standorte in Bremen, Hannover und Oldenburg. Das Netz verfügt über weltweit einmalige Forschungsinfrastrukturen.


Mitglieder im Forschungsverbund ForWind: Die Windenergieforscher Prof. Dr.-Ing. Raimund Rolfes und Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann von der Fakultät für Bauingenieurwesen und Geodäsie der Leibniz Universität Hannover. (Foto: Isabel Winarsch für Volkswa
Mitglieder im Forschungsverbund ForWind: Die Windenergieforscher Prof. Dr.-Ing. Raimund Rolfes und Prof. Dr.-Ing. Peter Schaumann von der Fakultät für Bauingenieurwesen und Geodäsie der Leibniz Universität Hannover. (Foto: Isabel Winarsch für VolkswagenStiftung)

Auch aktuell sind die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um ForWind erneut mit einem Förderantrag erfolgreich: Fünf Millionen Euro erhielt der Verbund in zwei Tranchen Ende 2014 und 2015 aus Mitteln des "Niedersächsischen Vorab" für das Forschungsvorhaben "ventus efficiens". Mit den Geldern wollen die Windenergieforscher über die eingebundenen Institutionen hinweg ihren Blick auf die gesamte Prozesskette richten und dabei alle wechselseitigen Abhängigkeiten und Wirkungen prüfen – von der Energieerzeugung und -wandlung in der Anlage über Tragstrukturen und Triebstränge bis zur Anbindung ans Stromnetz. Ihr besonderes Augenmerk gilt dabei der Frage, an welchen Stellen in der gesamten Prozesskette sich Kosten-Nutzen- oder Aufwand- Ertrag-Relationen verbessern lassen. Denn obwohl Windenergieanlagen heute bereits in hoher Qualität hergestellt, errichtet und betrieben werden, ist eine kontinuierliche Steigerung ihrer Effizienz möglich und unabdingbar. Nur so können die Stromentstehungskosten weiter sinken.
"Ziel ist es, mit der Windenergie eine wichtige Säule unserer künftigen regenerativen Energieversorgung zuverlässiger und kostengünstiger zu machen", sagt Professor Dr. Raimund Rolfes von der Universität Hannover, Sprecher des ForWind- Vorstands. Und Geschäftsführer Dr. Stephan Barth fügt hinzu, dass der Verbund dadurch Niedersachsen als führendes Land in Sachen Energiewende voranbringe. "Insbesondere indem es gelingt, über Erkenntnisse aus dem Projekt sowohl die Stromkosten zu senken, die Betriebsdauer zu verlängern als auch die Qualität der erzeugten und ins Netz abgegebenen Leistung zu steigern, wollen wir entscheidend zum erfolgreichen Umbau des europäischen Energiesystems beitragen", betonen beide.
Das Projekt "ventus efficiens", das federführend gemeinsam getragen wird von Wissenschaftlern der Universitäten Oldenburg und Hannover, unterstreicht erneut die Spitzenposition, die sich der Nordwesten mit all dem im Verbund ForWind zusammentreffenden Know-how in der Windenergieforschung inzwischen erarbeitet hat.

"Die vielen Forschungsanstrengungen bei der Windenergie im Allgemeinen und durch das Engagement von ForWind im Besonderen zeigen beispielhaft, wie Wissenschaft der Gesellschaft dienen kann", war als Jurystatement anlässlich der 2014er Preisverleihung an den Verbund zu hören. Doch während sich Politik und interessierte Öffentlichkeit noch an den Erfolgen der Gegenwart erfreuen, arbeiten die vielfach geförderten Forscher längst an der Zukunft. Etwa jene im Testzentrum für Tragstrukturen in Hannover-Marienwerder. Mit ihnen kehren wir zurück ans und ins Meer.

Aktuell forschen die Ingenieurinnen und Ingenieure dort vor allem an schallarmen Konstruktionskonzepten, insbesondere an entsprechend verbesserten Gründungssystemen für Offshore- Windparks. Ziel ist es, den beim Bau solcher Anlagen unausweichlichen Krach möglichst zu minimieren – bei 160 Dezibel liegt der Grenzwert des unter Wasser maximal zulässigen Lärmpegels. Besonders für Meeressäuger wie Wale oder Robben stellt die Lärmbelästigung ein großes Problem dar.

Geräuschquellen gibt es viele: Schiffspropeller wummern durch die Wellen, Ölbohrinseln drehen kreischend ihre Fördertechnik in die Erdkruste; allerorten werden für Gasförderung, Kies- oder Sandabbau Gerätschaften in den Boden geschoben und gerammt. Anderswo graben Radbagger Rinnen für Kabelkanäle in den Tiefseeboden – und unter dem Meeresgrund wird nach neuen Rohstoffquellen gesucht, auch das nicht still und leise. Allein das metallische Krachen und die Vibrationen in der Nähe von Bohrinseln erreichen einen Schalldruck bis zu 180 Dezibel.


Lärm reduzieren zum Schutz der Meerestiere: neue Offshore-Konstruktionskonzepte sind überfällig

Und unsere Windparks? Beim Rammen der Pfähle oder Stützpfeiler für ein Windrad lässt sich noch in 750 Metern Entfernung eine Lärmbelastung von 170 Dezibel messen. Und pro Fundament braucht es immerhin 2000 bis 3000 Schläge mit der Ramme, bevor ein Stahlpfahl vierzig Meter tief im Boden verankert ist. Der Geräuschpegel bei der Errichtung von Offshore-Windparks überschreitet den Hörtoleranzbereich eines Wals weit. Ihm droht ein Gehörschaden, ein zeitweiliger oder vollkommener Hörverlust. Das kann schnell tödlich enden, denn ohne Gehör können Wale weder kommunizieren noch sich orientieren oder jagen. Oft wird der vom Wal ausgesendete Ton durch andere Lärmquellen im selben Frequenzbereich derart gestört, dass er nahezu ohne seinen wichtigsten Orientierungssinn auskommen muss. Zudem bildet sich manches durch menschliche Technik bedingte Hintergrundgeräusch unter Wasser in einem Frequenzbereich von 20 bis 300 Hertz ab; ein Spektrum, das auch viele Wale nutzen.

Versucht eines der Tiere zum Beispiel, in diesen Tonlagen seine Gruppe zu rufen, hört es als Antwort vielleicht ein Murmeln der Schiffe ringsherum, eine Ölbohrinsel oder einen Offshore- Windpark – jedoch oft nicht mehr sein eigenes Biosonar. Allein die schiere Lautstärke der "Nebengeräusche" reicht oft aus, sein Rufen ungehört verhallen zu lassen. Mal ganz abgesehen davon, dass der zunehmende Lärm Stress bei den sich akustisch orientierenden Tieren auslöst. Durch die Dauerbelastung der Hörorgane mit Lärm wird das Biosonar derart geschwächt, dass die Wale nicht nur weniger Nahrung finden, sondern sich ohne exakte Orientierung auch immer wieder verirren und stranden. Da verwundert es nicht, dass auch die von Walen aufgesuchten Rückzugsgebiete schwinden, in denen sie Ruhephasen einlegen und verharren oder ihre Kälber aufziehen können.

Besonders fatal sind Seesprengungen, wenn etwa Minen entschärft werden. Mindestens ebenso arg: der Einsatz von Airguns. Die Unterwasserschallkanonen werden genutzt bei seismographischen Untersuchungen des Meeresbodens, wenn Öl- und Gasvorkommen lokalisiert werden. Ihr Schall hat einen Frequenzbereich von 100 bis 500 Hertz, bei einem Schalldruck von bis zu 260 Dezibel. Zum Vergleich: Ein Düsenjet, der dreißig Meter entfernt startet, produziert einen Schalldruck von 120 bis 140 Dezibel, die menschliche Schmerzgrenze liegt bei etwa 130 Dezibel. Da überrascht es nicht, dass der Einsatz von Airguns wiederholt zu Walstrandungen geführt hat. Untersuchungen an toten Tieren zeigten massive Verletzungen an der Lunge sowie Blutungen im Innenohr und im Gehirn.


Seit Langem gefordert, nun endlich auf dem Weg: Lösungen zur Geräuschminimierung

Beispiel für einen geräuschabsorbierenden Blasenschleier (Foto: Hydrotechnik Lübeck GmbH - http://www.hydrotechnik-luebeck.de/schallschutz, CC BY-SA 3.0 de, http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)
Beispiel für einen geräuschabsorbierenden Blasenschleier (Foto: Hydrotechnik Lübeck GmbH - http://www.hydrotechnik-luebeck.de/schallschutz, CC BY-SA 3.0 de, http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Geeignete Technologien, mit deren Hilfe sich der überbordende Unterwasserlärm eindämmen lässt, gibt es durchaus schon einige. Am meisten erprobt sind sogenannte Blasenschleier, die – wie eine Art "Schallmauer" – in einem Kreis um die Stützpfeiler gezogen werden. Mit einem Kompressor wird Luft durch einen perforierten Schlauch geleitet. Entweicht diese Luft ins Wasser, steigen Luftblasen auf, und die Schallwellen, die beim Rammen der Stützpfeiler in den Meeresgrund entstehen, werden an ihnen gebrochen. So wird der Geräuschpegel erheblich gesenkt – sofern sichergestellt ist, dass stets ein durchgehender Schleier aus Luftblasen entsteht. Denkbar sind aber auch große Rohre, die während des Rammens die Pfähle ummanteln. Auch lässt sich der Ort, an dem etwas in den Meeresgrund gerammt wird, vom umgebenden Wasser akustisch abschirmen durch einen leer gepumpten, "trockenen Kofferdamm", der gut isoliert. Doch trotz all dieser Möglichkeiten werden die Meeressäuger nach wie vor ganz "klassisch" vergrämt aus einem Gebiet, in dem beispielsweise Rammungen anstehen – mithin also einfach aus ihrem angestammten Lebensraum vertrieben.

All das fordert die Forscher im Testzentrum für Tragstrukturen heraus. Ihre Idee: Statt die Fundamente lautstark in den Boden zu rammen und den entstehenden Lärm etwa durch Blasenschleier allenfalls zu mildern, könnte sich ein Windrad auch mittels sogenannter Suction Buckets verankern lassen. Das muss man sich vorstellen wie überdimensionierte, umgedrehte Eimer im Sandkasten, die durch Saugprozesse fest am Boden installiert werden. Die spannende Frage ist nun, ob solch eine Verankerung ausreichend stabil ist, also keine Verschlechterung gegenüber den gängigen Systemen darstellt. Auf die Wissenschaftler warten also reichlich Detailfragen sowie Experimente, die es passgenau auszutüfteln und zu justieren gilt: Wie groß beispielsweise müssen die Suction Buckets sein, um maximale Standsicherheit zu gewährleisten – bei zugleich noch akzeptablen Aufwendungen für Material, Logistik und natürlich Kosten?

Hunderte Kilometer Küste, viel Wind, offenes Wasser: Deutschland scheint wie geschaffen für das Erzeugen von Windenergie, vor allem offshore. Schon jetzt haben die Energiekonzerne reichlich Windräder ins Meer gestellt. Zahlreiche Jobs sind entstanden, die Menschen freuen sich. Und doch – für einen echten, gelungenen, nachhaltigen Übergang von schwarzer zu grüner Energieversorgung bleibt noch eine Menge zu tun, hier ist nicht zuletzt auch die Politik gefordert. Die Forscherinnen und Forscher jedenfalls sind dran. Und international ganz vorn mit dabei jene in Niedersachsen.


Text: Christian Jung