Sofort schwimmende Offshore-Windkraftanlage: Einfach den Turm entfernen

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Die schwimmende Windindustrie hat etwas vor. Anstatt sich auf die bekannten drei Rotorblätter zu verlassen, die auf einem hohen Turm sitzen, sind neue schwimmende Turbinen wie seltsame, seetüchtige Karussells konfiguriert, deren Rotorblätter um eine vertikale Achse kreisen. Die vertikale Achse ist der Schlüssel, der radikal neue Designstrategien ermöglicht, einschließlich – warten Sie mal – einer Windkraftanlage, die überhaupt keinen Turm hat.

Der Offshore-Floating-Wind-Vorteil

Bei der fraglichen turmlosen Windkraftanlage handelt es sich um ein Projekt der Sandia National Laboratories des US-Energieministeriums. Es ist nicht einfach aus dem Nichts aufgetaucht. Das Labor erforscht seit den 1970er Jahren die Vertikalachsentechnologie.

Im Jahr 2019 veröffentlichte das Energieministerium einen Aufruf für neue, kostensenkende schwimmende Windturbinenkonstruktionen mit dem Ziel, Kosten zu senken, und ein Team von Sandia war mit einem Projekt namens ARCUS bereit.

Das ARCUS-Projekt führte zu einer 22-Megawatt-Konzeptturbine, die eine Chance nutzt, die von schwimmenden Windturbinen der ersten Generation verpasst wurde. Die ersten schwimmenden Turbinen ähneln Onshore-Turbinen, nur dass sie schwimmen. Laut dem Sandia-Team kosten sie außerdem etwa drei- bis fünfmal mehr als Landturbinen.

Nach Durchsicht der Zahlen erkannte das Sandia-Team, dass schwimmende Windkraftanlagen tatsächlich einen interessanten Vorteil gegenüber Onshore-Turbinen haben. Die Turbine macht nur 20 % der Kosten eines schwimmenden Windparks aus. Der Rest entfällt auf die komplexen Systeme, die erforderlich sind, um eine schwimmende Plattform funktionsfähig zu machen. Es lohnt sich also, die 80 % der Kosten außer der Turbine zu untersuchen und an deren Reduzierung zu arbeiten.

Laut Sandia machen Turbinen fast die Hälfte der Kosten von Onshore-Windparks aus.

Die Lösung mit vertikaler Achse

Das führt zu der brennenden Frage, warum Sandia sich für eine Konfiguration mit vertikaler Achse entschieden hat. Das ist eine gute Frage.

Turbinen mit vertikaler Achse werden hauptsächlich in Nischenanwendungen im kleinen Maßstab eingesetzt. Die Technologie verbessert sich jedoch und die Anwendungen weiten sich auf den Offshore-Bereich aus. Eine Reihe neuer Offshore-Turbinen mit vertikaler Achse haben kürzlich die Grenze überquert CleanTechnica auch Radar.

Der leitende Forscher des ARCUS-Projekts, Dr. Brandon Ennis vom Wind Energy Computational Sciences Department in Sandia, sagte CleanTechnica dass die vertikale Achse aufgrund der Konvergenz zweier verschiedener Faktoren gut für schwimmende Windkraftanlagen geeignet ist.

Ein Faktor ist die Lage des Antriebsstrangs. Eine herkömmliche Windkraftanlage mit horizontaler Achse benötigt einen verhältnismäßig hohen Turm, um zu verhindern, dass die Spitzen ihrer Rotorblätter den Boden berühren. Die Rotorblätter drehen sich um eine horizontale Achse an der Spitze des Turms und dort findet die Energieumwandlung in einer Struktur statt, die Gondel genannt wird.

Im Gegensatz dazu fegen Turbinenschaufeln mit vertikaler Achse nicht über den Boden. Der Turbinenturm kann proportional kürzer sein, was bedeutet, dass er leichter als ein Standard-Turbinenturm sein kann. Darüber hinaus kann sich der Antriebsstrang am Boden der Struktur befinden, in diesem Fall der schwimmenden Plattform. Das sorgt für mehr Stabilität der auf den Wellen stehenden Turbinentürme und verbessert die Aerodynamik.

„Der langfristige Vorteil ist, dass sie [vertical axis turbines] „Verbessern Sie die Masseneigenschaften relativ zur horizontalen Achse, insbesondere im schwimmenden Offshore-Bereich“, erklärte Ennis.

Der andere Faktor ist das Aufkommen einer neuen Art von Plattform in der Öl- und Gasindustrie, der sogenannten Tension-Leg-Plattform. Ennis erklärte, dass Spannbeinplattformen häufig in der Offshore-Windindustrie eingesetzt werden, da sie für herkömmliche Windkraftanlagen mit hohen Türmen nicht gut geeignet seien. Allerdings haben sie eine geringere Masse als andere Arten von Plattformen, die in der Öl- und Gasindustrie eingesetzt werden, was mit dem Ziel des ARCUS-Projekts übereinstimmt.

„Viele Innovationen in diesem Plattformtyp aus der Öl- und Gasindustrie können auf die Offshore-Windenergie übertragen werden“, sagte Ennis.

Wo ist der Turm?

Der Turbinenturm verschwand aus dem ARCUS-Projekt, als das Sandia-Team seine bevorzugte Turbine mit vertikaler Achse, die nach ihrem Erfinder Darrieus-Turbine genannt wurde, genauer unter die Lupe nahm. Eine Darrieus-Turbine, auch „Eierschläger“ genannt, verfügt über zwei gebogene, vertikale Flügel, die wie die Flügel eines Schneebesens um die Achse kreisen.

„Wir haben herausgefunden, dass der Turm selbst einen großen Teil der Masse ausmacht, aber keine Energie einfängt“, sagte Ennis. „Das Ziel besteht darin, die Masse zu reduzieren und so viel Masse wie möglich zu eliminieren, die nicht direkt mit der Energieerzeugung zusammenhängt.“

Aus dieser Perspektive ist die Entfernung des Turms eine Selbstverständlichkeit.

„Bei einer turmlosen Windkraftanlage mit vertikaler Achse sind die Rotorblätter gebogen und werden durch Spannung in Position gehalten. Dies führt zu einer Massenreduzierung von 50 % und ermöglicht die Steuerung des Rotorbereichs durch Spannungszentren, wie bei Pfeil und Bogen“, erklärte Ennis und fügte hinzu, dass „Arcus“ lateinisch für „Bogen“ ist.

Nächste Schritte für die neue turmlose Offshore-Windkraftanlage

Sandia hat gerade eine Webseite voller technischer Details veröffentlicht das ARCUS-Windkraftanlagenprojekt zusammen mit einer wirtschaftlichen Analyse. Sie können es auch unter dem US-Patent 11.421.650 B2 nachschlagen.

„ARCUS ist ein turmloser VAWT [vertical axis wind turbine) that replaces the traditional rigid tower with pre-stressed blades and tensioned center supports, Sandia explains. The lab lists the following advantages:

• Enables a structurally efficient usage of turbine material
• Enables rotor area control for high wind speed load reduction
• Effectively enables tension-leg platforms (TLP) which have the lowest hull mass compared to alternative architectures
• Produces an estimated $55/MWh LCOE for the optimized system

Overall, the ARCUS team’s primary emphasis is on the time it takes for a new industry to reach mass-market maturity. If all goes according to plan, the ARCUS system will enable the floating offshore wind industry jump into maturity sooner rather than later.

“There is a wide range of estimates for this emerging industry based on site conditions,” the Sandia team explains, “But it is apparent that the ARCUS system enables a shifted cost timeline relative to existing technologies. The ARCUS system enables the LCOE of a mature floating offshore wind industry to be realized in the near-term, progressing the cost curve by 10 or more years.”

The impact on offshore wind costs would be significant. In a 2022 report on wind energy, the Energy Department’s National Renewable Energy Laboratory estimated the cost of conventional, fixed-bottom offshore wind turbines at $78 per megawatt, with floating wind turbines coming in at $133.

The ARCUS estimate of $55 beats both, and the Sandia team anticipates that will help attract private sector partners to take the concept to the next level.

The lab points out that the ARCUS system was developed with the industry partner FPS Engineering & Technology , which specializes in floating offshore platforms. They also partnered with the American Bureau of Shipping, which counts the marine certification, classification, and innovation among in its mission.

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Image: New design for vertical axis floating offshore wind turbine, without a tower (courtesy of Sandia National Laboratories).