Auf der kürzlich stattgefundenen Konferenz für Offshore-Windkrafttechnik in China hielt der Leiter der Produktlinie Offshore eine Keynote-Rede. Er betonte, dass die aktuellen Engpässe bei Chinas Offshore-Windkraftanlagen in den Rotorblättern und Hauptlagern liegen. Angesichts der hohen Nachfrage nach Offshore-Windkraftanlagen ist es für die Hersteller entscheidend, Lösungen anzubieten, die auf Basis bestehender Lieferketten eine Rendite der Investitionen gewährleisten und somit die nachhaltige Entwicklung der Offshore-Windkraft in China unterstützen.

Entwicklungsweg von Windkraftanlagenflügeln

Die Entwicklung von Windkraftanlagenflügeln in Europa und China wurde untersucht. Zwischen 1991 und 2015 lag China hinsichtlich Turbinenleistung und Flügelgröße hinterher. 2017 entwickelte China jedoch eine Windkraftanlage mit einem Durchmesser von 171 Metern und übertraf damit die europäische Anlage mit 164 Metern. Bis 2019 führten sowohl Europa als auch die USA noch größere Anlagen mit einem Durchmesser von 220 Metern ein. Diese Angleichung der Turbinengröße zeigt, dass China und Europa in der Entwicklung von Offshore-Windkraftanlagen nun ein ähnliches Niveau erreicht haben.

Herausforderungen und Innovationen in der Windenergie

Laut einem renommierten internationalen Wissenschaftsmagazin steht die Windenergiebranche angesichts der zunehmenden Größe von Offshore-Windkraftanlagen vor erheblichen Herausforderungen in den Bereichen Aerodynamik, Strukturdynamik und Hydrodynamik. Die Forschung in diesen grundlegenden Wissenschaftsbereichen konnte mit dem Wachstum der Turbinendurchmesser nicht Schritt halten. Im Gegensatz zur Luftfahrtindustrie, in der die Spannweite von Flugzeugflügeln selbst nach einem Jahrhundert 80 Meter nicht überschritten hat, hat die Windkraftbranche in weniger als vier Jahrzehnten Turbinendurchmesser von 200 Metern erreicht.

Die Bedeutung schrittweiser Fortschritte in der Ingenieurwissenschaft und den technologischen Entwicklungen wurde hervorgehoben. Die Verlängerung der Rotorblätter erfordert bahnbrechende Material- und Fertigungstechnologien. Sich allein auf bestehende Technologien zur Vergrößerung der Rotorblätter zu verlassen, reicht nicht aus, um die Weiterentwicklung der Offshore-Windkraft zu unterstützen.

Der Bedarf an Kohlefaser-Schleiermaterialien

Um längere Offshore-Rotorblätter zu realisieren, muss die Branche Neuland betreten und sich auf die Technologie von Kohlefaservliesen wagen. Dieser Übergang ähnelt der Situation vor zehn Jahren, als China Rotorblattdesigns von europäischen Unternehmen lizenzieren musste, während Kernmaterialien und Ausrüstung von deutschen oder japanischen Firmen bezogen wurden. Hohe Investitionen in Formen, lange Entwicklungszeiten und unausgereifte Prozesstechnologien erschweren die Entwicklung zusätzlich und führen dazu, dass die Verarbeitungseffizienz übergroßer Rotorblätter um das Drei- bis Vierfache geringer ist als die von Standardrotorblättern. Dies stellt ein erhebliches Hindernis für die Realisierbarkeit von Projekten im Rahmen der aktuellen großflächigen Offshore-Windparkplanung in China dar. Kohlefaservliese sind für die nächste Generation von Windkraftanlagen unerlässlich, da sie sowohl die Anforderungen an Festigkeit als auch an geringes Gewicht erfüllen.

Herausforderungen in der Hauptlager-Lieferkette

Das Hauptlager stellt einen weiteren Engpass dar, der auf Konstruktionsherausforderungen, Probleme in der Lieferkette und Installationskomplexität zurückzuführen ist. Konkret steht die Lieferkette für Hauptlager großer Offshore-Turbinen vor drei zentralen Herausforderungen:

1. Der Durchmesser des Hauptlagerrings beträgt oft mehr als 2 Meter und übersteigt damit die Kapazität der meisten verfügbaren Werkzeugmaschinen.

2. Es gibt nur zwei etablierte Anbieter, die eine Kapazitätsreservierung mindestens ein Jahr im Voraus verlangen.

3. Inländische Anbieter verfügen derzeit nicht über die Konstruktions- und Verarbeitungskapazitäten für solch große Lager.

   
   

Lösungen und Innovationen in der Lagertechnologie

Der Einsatz der Dual-SRB-Technologie für Hauptlagerkonfigurationen gewährleistet die Unterstützung von 5-6-MW-Turbinen mit einem Durchmesser von bis zu 1,5 Metern. Diese Lösung, gestützt durch eine robuste globale Lieferkette, ermöglicht die Einbindung lokaler Zulieferer in Konstruktion und Produktion. Technologien, die größere Durchmesser erfordern, wie Dual-TRB und DRTRB, stehen hingegen vor erheblichen Herausforderungen hinsichtlich Kapazität und Effizienz.

Optimierung der Leistung von Offshore-Windkraftanlagen

Trotz der Herausforderungen ist das Unternehmen weiterhin zuversichtlich, Offshore-Windlösungen mit positiver Rendite anzubieten. Es wurde eine umfassende Karte der Stromgestehungskosten (LCOE) für Chinas Offshore-Windparks erstellt, die als Grundlage für die Turbinenauslegung dient und Projektentwicklern hilft, profitable Projekte zu identifizieren. Der Fokus liegt dabei nicht auf der Turbinenleistung, sondern auf den LCOE, wobei die Stromerzeugung der entscheidende Faktor ist.

Regionale Anpassungen und Sensitivitätsanalyse der Stromgestehungskosten

Unterschiedliche Regionen erfordern verschiedene Kombinationen aus Turbinenleistung und Rotordurchmesser zur Optimierung der Stromgestehungskosten (LCOE). Das Unternehmen führte LCOE-Sensitivitätsanalysen für windreiche Gebiete wie Fujian, windschwache Gebiete wie Guangxi und Gebiete mit mittleren bis niedrigen Windgeschwindigkeiten wie Zhejiang durch. Die Ergebnisse zeigen, dass 6-8-MW-Turbinen für windreiche Gebiete optimal sind, während 4-6-MW-Turbinen für Gebiete mit niedrigen bis mittleren Windgeschwindigkeiten am besten geeignet sind. Geringere Windgeschwindigkeiten erfordern größere Rotordurchmesser und umgekehrt. Der Einsatz von Kohlefaser-Schleiern in diesen Turbinen ist entscheidend für die Erzielung der gewünschten Leistung und Effizienz.

Bekämpfung von Nachlaufverlusten in Offshore-Windparks

Chinas Offshore-Windparks weisen aufgrund dichterer Anordnung, geringerer Windgeschwindigkeiten und stabilerer Atmosphäre höhere Nachlaufverluste auf als ihre europäischen Pendants. Eine Bewertung von fast 1,5 GW installierter Offshore-Turbinenkapazität ergab, dass die anfänglichen Schätzungen der Nachlaufverluste um etwa 2 % zu niedrig angesetzt waren. Bemühungen zur Reduzierung der Nachlaufverluste durch Gruppen-Nachlaufsteuerungstechnologie führten zu einer Steigerung der Stromerzeugung um 3–4 %. Mit zunehmender Dichte der Offshore-Windparks gewinnt die Gruppen-Nachlaufsteuerungstechnologie immer mehr an Bedeutung. Der Einsatz von Kohlefaservlies im Rotorblattdesign verbessert nicht nur die Leistung, sondern mindert auch die Auswirkungen der Nachlaufverluste.