Abbildung 7: Die „Aeolus“ (ganz links) erreichte am 18.2.2014 die Lloyd Werft, bei der die Hubbeine und hydraulischen Hubeinrichtungen installiert wurden (Foto Dr. Hochhaus).

Das Foto zeigt am 18.2.2014 zwei Errichterschiffe bei der Lloyd Werft. Die „Aeolus“  (ganz links) kommt von der Sietas Werft, bei der Lloyd Werft sollen die Hubbeine und hydraulischen Hubeinrichtungen installiert werden. Die Bold Tern liegt an der Reparatur Kaje der Werft.  Ganz rechts ist die Hubinsel  Thor auf den Beinen stehend zu erkennen, die mit dem eigenen Kran an der Offshore Pier beladen wird. (Foto Dr. Hochhaus).

 

 

 

Offshore Windkraft im Klimaschutzplan für Deutschland bis  2050

 von Karl-Heinz Hochhaus

 

Der folgende Text wurde in dem Organ des Flensburger Schiffsingenieurvereins

"Schiffsbetriebstechnik Flensburg" 3/2016 (Nr. 235) veröffentlicht

 

 

1  Einführung, Klimaschutzplan für Deutschland bis 2050

 Im Dezember 2015 erfolgte in Paris der seit langem überfällige Durchbruch in der internationalen Klimapolitik. 195 Staaten, die zuvor ihre CO2-Bilanz und zukünftigen Klimaschutzbeiträge einreichen mussten, beschlossen das „Pariser Abkommen“, um den Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur auf 2 °C zu begrenzen (Abb. 1). Es sollen Anstrengungen unternommen werden, den Temperaturanstieg bereits bei 1,5 Grad zu stoppen. Bis 2050 soll ein Gleichgewicht zwischen den von Menschen verursachten CO2-Ausstoß  und den von Pflanzen, Wälder und Meeren aufgenommenen CO2 erreicht werden Damit würde die Netto-CO2-Emissionen auf Null gesenkt.

 

Das „Pariser Abkommen“ tritt in Kraft, wenn mehr als 55 Staaten mit mindestens 55 % der weltweiten CO2-Emissionen es ratifiziert haben. Im April 2016 haben 175 Staaten, darunter auch Deutschland, das Abkommen in New-York unterschrieben.

  

Die wichtigsten Punkte in dem Klimaschutzplan für Deutschland sind [1]:

 

– bis 2022 völliger Ausstieg aus der Atomenergie

 – Ausbau der erneuerbaren Energien zum Hauptenergieträger.

 – Vorgaben zur Emissionsminderung gegenüber 1990 (1.050 Mio. t CO2)

 – bis 2030:  55% Prozent weniger Treibhausgase

 – bis 2040:  70% Prozent weniger Treibhausgase

 – bis 2050:  80 bis 95 Prozent weniger Treibhausgase.

 

Um die Ziele bis 2050 und den Ausbau der erneuerbaren Energien zum Hauptenergieträger zu erreichen, spielt der Ausbau der Offshore-Windkraft eine wichtige Rolle.

 

2. Stromerzeugung

 Die Windkraft gehört neben Feuer und Wasser zu den ältesten von Menschen genutzten Energieformen. Ende der 1970ger Jahre bestand sie in Europa die  Bewährungsprobe, als in Dänemark und Deutschland über den Einsatz der Kernenergie entschieden wurde. Engagierte dänische Umweltgruppen errichteten 1975 bei Ulfborg eine 1.000 kW-Windkraftanlage, die heute noch Strom liefert (Abb. 2). Der Bau und Funktion  dieser Anlage war ein wesentlicher Grund, für das dänische „Nein“ zur Kernkraft. In Deutschland erteilte die 1980 gegründete Growian GmbH an die deutsche Industrie den Auftrag zum Bau eines 1.300 kW Windkraftwerkes, das 1983 mit dem Probebetrieb begann. 1987 wurde der Betrieb eingestellt und der Growian abgerissen. Der deutschen Bevölkerung wurde gezeigt, dass Windkraft keine Lösung ist und weitere Kernkraftwerke (KKW) wurden gebaut.

 

2.1 Kernkraft - Ausstieg, Wiedereinstieg und Wiederausstieg

 Im Jahr 2000 wurde von der grünroten Bundesregierung (Kabinett Schröder) der Ausstieg aus der Kernkraft beschlossen. 2010 wurde dieser Beschluss vom Kabinett Merkel II rückgängig gemacht und eine Laufzeitverlängerung für 7 KKW beschlossen. Nach der Fukushima Katastrophe erfolgte vom gleichen Kabinett 2011 die „Rolle Rückwärts“ mit Abschaltung vieler deutschen KKW und Beschluss, alle KKW bis 2022 endgültig abzuschalten.

 

2.2 Dänemark ist Pionier

 Dänemark hat sich inzwischen zum bedeutenden Standort der Windenergie und besonders der Offshore Windenergie entwickelt. Der weltweit erste Offshore Windpark entstand 1991 mit dem Vindeby Windpark (11 Bonus-Turbinen mit je 450 kW Nennleistung (Abb. 3)).  Der spezifische Preis lag zwischen 6 – 7 $/W. 2006 wurden in Dänemark bereits rund 20% des Stromes aus der Windkraft erzeugt.

 

2.3 Stromeinspeisegesetz in Deutschland

 Erst mit dem 1991 verabschiedeten Stromeinspeisegesetz, Vorläufer des Erneuerbaren Energie-Gesetzes (EEG), wurde in Deutschland die verbindliche Abnahme von Strom aus regenerativen Quellen geregelt [2]. Für Kleinstanbieter mit Anlagen bis 5 MW hatten die Elektrizitätsversorgungsunternehmen (EVU) für Ökostrom 75 %, für Wind- und Solarstrom mindestens 90 % des Durchschnittserlöses je Kilowattstunde aus der Stromabgabe von EVU`s an alle Endverbraucher  zu zahlen.

 

2.4 Windstromerzeugung an Land und auf See

 Daraufhin begann auch in Deutschland der Durchbruch der regenerativen Stromerzeugung. 2000 wurden in Deutschland aus Wind etwa 8 TWh, 2010 bereits 40 TWh und 2015 fast 60 TWh (rund 10% des gesamten Stromverbrauchs) erzeugt.

 

Der weltweite Wind-Offshoremarkt verfügte Ende 2015 über eine Kapazität von rund 12 GW (2014 = 8,8 GW) und wird von Großbritannien mit 5,1 GW angeführt, gefolgt von Deutschland mit 3,2 GW (Abb. 4)  und Dänemark mit 1,3 GW. 

 

3. Offshore Windpark

 Das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) entscheidet über die Zulassung von Offshore Windparks und Windenergieanlagen in der deutschen Nord- und Ostsee. Ein Offshore Windpark besteht aus den Offshore-Windenergieanlagen (OWEA), den inneren und äußeren Kabeln, den Trafoplattformen und den HGÜ-Plattformen. Die HGÜ-Plattformen werden in den deutschen Offshore Windparks notwendig, da die Entfernung bis zum landseitigen Einspeisepunkt (aufgrund baurechtlicher Bestimmungen) in der Regel mehr als 80 km beträgt.

 

Der erste deutsche Offshore Windpark Alpha Ventus wurde 2010 mit 12 OWEA und insgesamt 60 MW Nennleistung in der Nordsee in Betrieb genommen.  Er befindet sich rund 45 Kilometer vor der Insel Borkum ohne HGÜ mit Wassertiefen von rund 30 Meter. Das Umweltministerium  fördert mehrere Forschungsprojekte, die in der RAVE-Initiative (Research at Alpha VEntus) Erfahrungen für den Bau und Messungen zum Betrieb von Offshore-Windparks dokumentieren. Das  BSH koordiniert die ökologische Begleitforschung und verantwortet die Messsungen im Windpark. Eines der Ergebnisse ist, dass die Stromausbeute mit 250 GWh im Mittel rund 50% der Nennleistung beträgt.

 

Bis Ende 2015 wurden in der Nordsee 690 OWEA mit einer Nennleistung von insgesamt 2.956 MW (Ostsee 80 mit 288 MW) installiert und an das Netz angeschlossen. Weitere 41 OWEA mit 246 MW Nennleistung sind fertig errichtet, es fehlt nur noch der Netzanschluss. Damit ergeben sich Ende 2015 rund 3.200 MW Nennleistung an Offshore-Windkraft, wie auch in Abb. 4 dargestellt.

 

4. Offshore-Windenergieanlagen (OWEA)

 Sechs der im Offshore Windpark Alpha Ventus eingesetzten OWKA mit je 6 MW Nennleistung haben eine Nabenhöhe von rund 90 m und einen Rotordurchmesser von 116 m. Der stählerner Turm steht auf einem dreibeinigen Fundament (Tripod Abb. 5), das mit stählernen Pfählen im Untergrund „vernagelt“ wurde. Die anderen sechs OWEA haben eine Nabenhöhe von 92 m und einen Rotordurchmesser von 126 Metern. Die stählernen Türme stehen auf vierbeinigen Jacket-Fundamenten.

 

Ab Windstärke 3 (rund 3,5 m/s) liefern diese Anlagen Strom mit 30.000 Volt, die Nennleistung wird ab Windstärke 6 (rund 12,5 m/s) erreicht und ab Windstärke 10 (rund 25 m/s) werden sie abgeschaltet. Die Gondel mit dem Rotorstern wiegt rund 300 t, das Fundament und der Turm  rund 1000 t. Heutige Anlagen mit 6 bis 8 MW Nennleistung, weiterer Küstenentfernung und größeren Wassertiefen haben größere Abmessungen und noch höhere Gewichte. Diese riesigen Abmessungen und Gewichte sind der Grund, dass für den Bau spezielle Schiffe, sogenannte Errichterschiffe benötigt werden.

 

5. Errichterschiffe

 Errichterschiffe sind Arbeitsschiffe für die Gründung und den Aufbau von Offshore-Windenergieanlagen mit Schwerlastkran, eigenem Antrieb, dynamischer Positionierung und Hubbeinen, um den Einfluss vom Seegang bei den sensiblen Hubarbeiten auszuschalten.

 

 Es wird unterschieden in

 – 1. Generation, Hubinseln (kein bzw. schwacher Antrieb, schwacher Kran 200 – 300 t)

 – 2. Generation, umgebaute Frachtschiffe (wenig Deckfläche, Kran 300 – 800 t) und

 – 3. Generation, starker Antrieb, starker Kran (800 – 1500 t) Abb. 6 und Abb. 7

 

5.1 Errichterschiff der 3. Generation „Aeolus“

 Das von der Sietas Werft bisher einzige in Deutschland gebaute Errichterschiff der 3. Generation „Aeolus“ wurde 2014 an den niederländischen Wasserbaukonzern „Van Oord Dredging and Marine Contractors“ abgeliefert [3]. Allerdings ohne die hydraulisch betätigten Hubbeine, welche bei der Lloyd Werft in Bremerhaven eingesetzt wurden (Abb. 7). Mit einer Länge von 132 m, Breite von 39m und  Tiefgang von 5,7 m wurde es mit der Bruttoraumzahl von 16.700 BRZ vermessen, die Krantragkraft beträgt 900 t.

 

Die „Aeolus“ verfügt im Gegensatz zu den meisten anderen Errichterschiffen über eine konventionelle dieselelektrische Schiffsantriebsanlage. Vier mittelschnell laufende MAK Viertakt-Dieselmotoren (4 x 4500 kW) treiben in zwei getrennten Kraftwerken Drehstrom-Generatoren mit 6.600 Volt und einer Frequenz von 60 Hz an. Sie versorgen neben den Hilfsmaschinen und der Hotellast 4 elektrische Fahrmotoren, die über Getriebe auf zwei Wellen mit Verstellpropeller wirken und eine Geschwindigkeit von 12 kn ermöglichen. Zwei Hochleistungsruder und je zwei Bug- und Heckstrahler sorgen für gute Manövriereigenschaften und ermöglicht die dynamische Positionierung (DP 2).

 

Die Schiffshilfsanlagen wurden in [6] beschrieben, hier soll auf die Besonderheiten des Kühlwassersystems eingegangen werden. Das Kühlwassersystem ist unterteilt in Seewasser- und Frischkühlwassersystem. Für beide Systeme werden elektrisch angetriebene Kreiselpumpen verwendet. Die Seewasser führenden Rohrleitungen bestehen weitgehend aus GFK Das Frischkühlwasser dient zur Kühlung der Hauptmaschinen und Hilfsmaschinen. Über Plattenkühler gibt das Frischkühlwasser die aufgenommene Wärme an das Seekühlwasser ab. In der Abb. 8 ist das Seewasserrohr mit zwei Zahnstangen und der Grobfiltereinrichtung zu sehen, das auf der Backbordseite hinter dem Deckhaus angeordnet wurde. Das in der Höhe verfahrbare Rohr stellt die Seewasserversorgung beim Betrieb als Hubinsel sicher. Im unteren Saugrohr befinden sich drei Tauchpumpen zur Versorgung des Kühlwasser-, des Feuerlösch- und des Spülsystems. Sollte diese Seewasserversorgung versagen, steht ein Notsystem zur Redundanz auf der Steuerbordseite im hinteren Bereich des Schiffes zur Verfügung.

 

6. Trafo- Wohn- und HGÜ-Plattformen

 Trafoplattformen (Abb. 9)  bündeln den Strom der OWKA`s der jeweiligen Windparks, erhöhen die Spannung von rund 30.000 Volt auf etwa 100.000 – 220.000 Volt und leiten ihn an die HGÜ-Plattformen (Abb. 10). Hier erfolgt eine weitere Spannungserhöhung auf bis zu  320.000 Volt und anschließende Wandlung in Gleichstrom. Mit einem zweiadrigen gut isolierten Kabel wird der Gleichstrom durch den Meeresgrund an die landseitige Anlage übertragen, in Drehstrom gewandelt und in das Landnetz eingespeist. Je nach Windparkbetreiber werden bei dem Aufbau und Betrieb des Offshore-Windparks Wohnschiffe oder Wohninseln eingesetzt. Auch die Wartung und der Service der OWKA`s, Trafo- und  HGÜ-Plattformen kann von mit Werkstätten ausgestatteten Wohnplattformen aus erfolgen.

 

7. Deutschland,  Alternative Stromerzeugung bis 2050 (s. a. Abb 12)

 2014 wurde in Deutschland rund 520 Mio. t Steinkohleeinheiten (SKE), bzw. 15.000 Petajoule (PJ) bzw. 4.240 Terrawattstunden (TWh) Primärenergie verbraucht oder besser gesagt, mit Verlusten in andere Energieformen gewandelt. Im eigenen Land wurden davon rund 136 Mrd. t SKE Primärenergie gewonnen, 2 Mio. t SKE aus dem Bestand entnommen und 383 Mio. t SKE importiert. Die Exporte, Bunkerung von Schiffen und der nichtenergetische Verbrauch betrugen rund 106 Mio. t. SKE. Die Umwandlungsverluste (101,2 Mio. t SKE) und Eigenverbrauch (17,5 Mio. t SKE) in den Energiesektoren betrugen in Summe 118,5 Mio t SKE. Als Endenergieverbrauch verblieben 295 Mio. t SKE bzw. 2.400 TWh. Der Anteil des Stromverbrauchs betrug daran rund 25% oder 600 TWh. Zur Reduzierung der Abgasemissionen bis 2050 (210 Mio. t CO2) auf unter 20 % von 1990 (1050 Mio. t CO2) wird sich eine angebotsorientierte Stromverbrauchskultur durchsetzen. Damit lassen sich auch die Umwandlungsverluste von rund 35 % bezogen auf die Endenergie drastisch reduzieren.

 

 Als alternatives Szenario für 2050 ist die regenerative Stromerzeugung mit einer Leistung von

 

 198 GW Windkraft an Land möglich (ergibt ca. 390 TWh)

 54 GW Offshore Windkraft möglich [4] (ergibt ca. 258 TWh )

 275  GW  E-Leistung aus Photovoltaikanlagen möglich (ergibt ca. 248 TWh)

 64 TWh ermöglichen Wasserkraft und Biomasse; als Summe sind insgesamt rund

 960 TWh bzw. 117  Mio. t SKE oder 3434 PJ bei entsprechendem Ausbau erzielbar

 

Dieser Wandel setzt allerdings voraus, dass sich eine angebotsorientierte Stromverbrauchskultur durchsetzt, Wasserstoff und Methan zeitweise aus überschüssigem Strom erzeugt wird (Abb. 11)  und deutlich mehr Energiespeicher aufgebaut werden. Besonders im Bereich der Mobilität werden sich die Geschwindigkeiten reduzieren und bei der Schifffahrt erhält die Windantriebskraft wieder eine starke Bedeutung. Auch die Solarstromnutzung wird eine wichtige Rolle spielen. Erste Ansätze bei kleinen und mittelgroßen Fährschiffen sind bereits erkennbar.

 

7. Zusammenfassung

 195 Staaten haben in Paris Ende 2015 das Abkommen zum globalen Klimaschutz geschlossen. Darin hat sich Deutschland verpflichtet, die Abgasemissionen bis 2050 auf unter 20 % von 1990 zu senken. Das ist nur möglich, wenn die alternative Stromerzeugung aus Wind, Sonne, Wasser und Biomasse drastisch ausgebaut wird. Dabei übernimmt die Offshore Windkraft mit etwa 25 % eine wichtige Rolle. Die Luftfahrt und Schifffahrt über größere Strecken ist auf flüssige Brennstoffe angewiesen, die sich jedoch auch als Speicherenergie nachts aus Stromüberangeboten der Windkraft gewinnen lässt.

Abb. 12: : 2014,  das vereinfachte Energieflußbild für Deutschland zeigt  521 Mio. t  SKE Energieaufkommen  (QuelleAGEB)

 

2014 wurde in Deutschland rund 520 Mio. t Steinkohleeinheiten (SKE), bzw. 15.000 Petajoule (PJ) bzw. 4.240 Terrawattstunden (TWh) Primärenergie verbraucht oder besser gesagt, mit Verlusten in andere Energieformen gewandelt. Im eigenen Land wurden davon rund 136 Mrd. t SKE Primärenergie gewonnen, 2 Mio. t SKE aus dem Bestand entnommen und 383 Mio. t SKE importiert. Die Exporte, Bunkerung von Schiffen und der nichtenergetische Verbrauch betrugen rund 106 Mio. t. SKE. Die Umwandlungsverluste (101,2 Mio. t SKE) und Eigenverbrauch (17,5 Mio. t SKE) in den Energiesektoren betrugen in Summe 118,5 Mio t SKE. Als Endenergieverbrauch verblieben 295 Mio. t SKE bzw. 2.400 TWh. Der Anteil des Stromverbrauchs betrug daran rund 25% oder 600 TWh.

Literatur

[1] http://www.klimaschutzplan2050.de/

[2] https://de.wikipedia.org/wiki/Stromeinspeisungsgesetz

[3] Hochhaus, Karl-Heinz: „Aeolus“, ein Errichterschiff für Offshore-Windanlagen von der Sietas Werft; Hansa Nr. 4/2013, Sonderteil Wind & Maritim 2013

[4] Fraunhofer-Institut für Windenergie Und Energiesystemtechnik: Energiewirtschaftliche Bedeutung  der Offshore-Windenergie für die Energiewende, Berlin 2014

[5] Jansen, Daniel: Anforderungen an eine Power-to-Gas Anlage für den Offshore-Einsatz mit einer Anschlußleistung von 240 MW, STG Sprechtag 2014 in Leer