Europa zieht aufs Wasser

Offshore Zum Klimaschutz sollen Windparks auf hoher See beitragen. Benötigt werden neben Turbinen auch interne Netze, Schaltanlagen oder Netzanbindungen. Siemens Energy bietet alle Komponenten aus einer Hand.

08. September 2008

Der Trend ist klar erkennbar: Europa zieht aufs Wasser. Besonders ehrgeizige Ziele verfolgt Großbritannien. Hier sollen bis zum Jahr 2020 sämtliche englischen Haushalte mit Strom aus Offshore-Windkraftanlagen versorgt werden können. Erforderlich dafür sind rund 7.000 Windturbinen mit einer Gesamtkapazität von 33 GW – sicherlich ein Jahrhundertprojekt. In Deutschland sind für 23 Offshore-Windparks in Nord- und Ostsee die ersten Anlagen bereits genehmigt. Fast 1.500 Windturbinen mit einer Gesamtleistung von rund 7.000 MW sollen dort in Betrieb gehen. Im Endausbau sollen es 5.400 Windkraftanlagen mit einer Gesamtleistung von über 25.500 MW sein.

Auch die Anlagengröße hat eine stürmische Entwicklung hinter sich. Aktuelle Offshore-Produkte haben eine Leistung von 5 MW und eine Rotorlänge von 126 m. Derartige Kraftpakete erreichen in der maximalen Höhe die Abmessungen des Kölner Doms. Größenordnungen dieser Art sind auf der anderen Seite die Voraussetzung dafür, dass sich Offshore-Installationen tatsächlich rechnen. Für Deutschland erwarten Experten eine Nutzungsdauer von 4.500 Betriebsstunden in der Nordsee und 3.500 in der Ostsee – also deutlich mehr als an Land.

Eine weitere wichtige Voraussetzung ist der Anschluss ans Netz. Siemens Energy ist in beiden Bereichen aktiv, sowohl im Bau von Windkraftanlagen als auch beim elektrischen Anschluss und der Einbindung in bestehende Stromnetze. Das Unternehmen bietet das gesamte Spektrum an Leistungen – von Netzstudien und Basisentwurf, über Bauleistungen und Beschaffung bis hin zu Erprobung und Installation, Inbetriebnahme und Wartung. Auf der technischen Seite stehen Systeme und Schaltanlagen für alle Spannungsebenen zur Verfügung.

Wirtschaftlichstes Netz im Windpark

Wichtige Schritte sind das wirtschaftlichste Netzwerk innerhalb eines Windparks ebenso festzulegen wie die beste Verbindung ins Netz, die benötigten Komponenten innerhalb der Netzverbindung zu definieren und zu konfigurieren sowie Studien über den Lastfluss und Kurzschlussberechnungen für das gesamte System zu erstellen. Zudem sind ein Erdungskonzept und die Isolationskoordination für den gesamten Netzanschluss zu definieren. Das statische und dynamische Verhalten ist zu überprüfen und die Blindleistungskompensation (statisch und dynamisch) festzulegen.

Eine weitere Aufgabe ist das Resonanzverhalten hinsichtlich sämtlicher Elemente, also Übertragungsnetz, Kabel, Transformatoren, Drosseln, Windturbinen und Kondensatorbänke, zu ermitteln. Die Übereinstimmung mit den Netzanschlussbedingungen muss sichergestellt, die Schutz- und Leittechnikanlage ausgelegt werden. Ein wichtiger Punkt ist auch das Ermitteln der Gesamtverluste bei verschiedenen Betriebsbedingungen und der elektromagnetischen Emission des Netzanschlusses. All diese Parameter zeigen deutlich, dass die Anbindung von Windparks größerer Leistung, wie bei den geplanten Offshore-Anlagen, eine anspruchsvolle Aufgabe darstellt.

Ein Beispiel ist der Windpark ›Inner Dowsing‹. Bei den Systemstudien von Siemens wurde unter anderem untersucht, welche Anbindung der 27 Windkraftanlagen die beste Lösung darstellt. Zu vergleichen waren mehrere Varianten, die unterschiedliche Kabelverluste zwischen 3.038 kW und 3.437 kW erzeugen. In Frage kamen eine vertikale und horizontale Zusammenfassung von jeweils neun Windkraftanlagen, wobei es wiederum zwei unterschiedliche Kabelführungen an Land gab.

Siemens hat ›Inner Dowsing‹ gemeinsam mit dem Windpark ›Lynn‹ im Nordosten Englands ans Netz gebracht. Mit je 27 Windenergieanlagen können die beiden Parks gemeinsam eine Leistung von 180MW erzeugen. Betreiber der beiden rund fünf Kilometer vor der Küste East Lincolnshires liegenden Anlagen ist der britische Energie- und Erdgasversorger Centrica Renewable Energy Limited.

Die von Siemens gelieferte schlüsselfertige Anlage zur Stromübertragung und Netzanbindung hat einen Auftragswert von rund 17 Mio. € und ist im Dezember 2007 planmäßig in Betrieb gegangen. Im Rahmen des Auftrags errichtete Siemens an der Küste von East Lincolnshire in der Nähe von Skegness ein 33/132-kV-Umspannwerk (UW Middlemarsh). Durch die schlüsselfertige Erstellung der Anlage reduzierte sich der Aufwand für die Projektabwicklung. So war es auch möglich, innerhalb kurzer Zeit die Anbindung der Windparks ans Netz zu realisieren.

Siemens war auch für das Verlegen der 33-kV-Kabel von der Küste bis zum Umspannwerk sowie für die Auslegung des 33-kV-Offshore-Kabelnetzes und die Mittelspannungsschaltanlagen verantwortlich. Dabei werden jeweils neun Windkraftanlagen an sechs Hauptstromverteilungsstränge angeschlossen, über die die Energie zum Umspannwerk transportiert wird. Die Kabelverlegung erfolgte bis März 2007. Der erste kommerzielle Strom wurde im Mai 2008 eingespeist.

Weltgrößter Offshore-Park

Unmittelbar daran beteiligt ist die SWT-3.6-107, die größte Windturbine von Siemens, mit einem Rotordurchmesser von 107 m und einer Leistung von 3,6 MW. Sie kommt in mehreren Großprojekten an Europas Küsten zum Einsatz. So bestehen die beiden Windparks ›Lynn‹ und ›Inner Dowsing‹ aus insgesamt 54 Maschinen dieses Typs. Der Doppelpark wird nach seiner endgültigen Fertigstellung Ende 2008 der größte Offshore-Windpark der Welt sein und saubere Energie für 130.000 Haushalte liefern. Für zunächst fünf Jahre übernimmt Siemens auch den Service und die Instandhaltung der Turbinen.

Zum Auftragsumfang gehörten auch die System- und Auslegungsstudien, um die Netzanbindung mit allen elektrischen, elektrostatischen, dynamischen und transienten Eigenschaften optimal und in der geforderten Netzqualität entsprechend verwirklichen zu können. Ähnliche Studien wie beim Windpark ›Inner Dowsing‹ sind bei vielen Projekten notwendig. Dabei geht es nicht nur um das optimale Konzept innerhalb der Anlagen, sondern auch um die Anzahl und die Lokalisierung der Unterwerke, die untergebracht werden können.

Gerade bei großen Parks mit vielen Anlagen geht es auch um die Modellentwicklung komplexer Strukturen, also um die Art, wie derartige Parks am besten aufzuteilen sind. Je nach Lage des Parks, der Turbinenanzahl und ihrer Anordnung ergibt sich eine unterschiedliche Wirtschaftlichkeit. Hier hat Siemens in diversen Projekten das Layout für Offshore-Plattformen als Träger der Infrastruktur (Transformatoren, Schaltanlagen, Schutzeinrichtungen) entwickelt.

Im Rahmen eines Turnkey-Auftrages übernimmt das Unternehmen danach auch die Beschaffung aller benötigten Teile und ihre Anlieferung. Im Falle von Unterwerken im Offshore-Bereich ist diese Anlieferung ebenso wenig trivial wie die Errichtung der Anlagen.

Das aufstrebende Offshore-Geschäft benötigt hierbei zumindest zum Teil neue Lösungen, die der unwirtlichen Umgebung und der großen Entfernung zu Küsten und Häfen Rechnung trägt. Die schlüsselfertigen Lösungen von Siemens umfassen zudem alle Testläufe und Inbetriebsetzungen von Anlagenteilen und kompletten Systemen.

Langfristig sollen sehr große Energiemengen von Windparks geliefert werden. In Deutschland sind derzeit Parkgrößen teilweise vergleichbar mit Kernkraftwerken in Planung. So gibt es mehrere Projekte mit mehreren hundert Anlagen, die in ihrer Gesamtleistung 1.000 MW deutlich überschreiten. Geht es nach den Plänen und Wünschen der Windparkplaner soll der Park ›Hochsee WP Nordsee‹, 75 km nördlich von Borkum 508 Turbinen umfassen, die insgesamt 2.286 MW

leisten. Eine ähnliche Größe soll der Park ›Nördlicher Grund‹, etwa 90 km westlich von Sylt, mit 2.195 MW erreichen.

Ökonomisch dank HGÜ

Noch deutlich größer ist das Vorhaben ›Sandbank 24‹, ebenfalls 100 km westlich von Sylt, das insgesamt 980 Anlagen mit maximal 4.720 MW Leistung erhalten soll. Mit ›Arkona-Becken Südost‹, 32 km nordöstlich von Rügen, und ›Pommersche Bucht‹ (ebenfalls nordöstlich von Rügen) sind auch für die Ostsee Windparks mit 200 Anlagen und Leistungen um die 1.000 MW geplant. Die Übertragung derartiger Leistungen ist nur durch den Ausbau des Höchstspannungsnetzes zu bewältigen.

Eine Lösung, die Siemens ebenfalls anbietet, ist die Hochspannungs-Gleichstromübertragungstechnik (HGÜ), mit der sich selbst große Energiemengen über Entfernungen von mehr als 1.000 km ökonomisch übertragen lassen. Derartige Verbindungen könnten zukünftig die Nord- und Ostsee mit den großen Industriezentren in Deutschland verbinden.

Die neueste HGÜ-Entwicklung von Siemens ist die ›HVDC-Plus‹-Technik, die auf selbstgeführten Stromrichtern (Voltage Sourced Converter) basiert. Der Vorteil von ›HVDC Plus‹ liegt im geringen Platzbedarf für die Stromrichterstationen. Das System ermöglicht den verlustarmen Transport elektrischer Energie.

Die schlüsselfertigen Lösungen haben nach Unternehmensangaben für Investoren und Eigentümer von Windparks große Vorteile, weil man einen großen Teil des Risikos übernimmt. So trägt Siemens beispielsweise die Verantwortung für die Netzverträglichkeit, die Systemauslegung, die Errichtung und die Inbetriebnahme aller Anlagen.

Besonders wichtig auf hoher See und unter schwierigen Witterungsbedingungen sind umfassende und effektive Kontroll- und Monitoringsysteme bis hin zur einzelnen Turbine. Auch hier bietet Siemens nach eigenen Angaben modernste Technik mit verringertem Ausfall- und Kostenrisiko. Ebenso übernimmt das Unternehmen auch die Verantwortung für die zeitgerechte Lieferung und den kommerziellen Einsatz der Anlagen sowie eine Garantie für die vereinbarten Leistungen.

Durch den Zuschlag für die Errichtung des Windparks ›Lillgrund‹ erhielt Siemens erstmalig den Auftrag, neben den Windenergieanlagen auch den Netzanschluss einer Offshore-Anlage schlüsselfertig zu errichten. Mit einer installierten Leistung von 110 MW ist ›Lillgrund‹ der größte Windpark in Schweden und der drittgrößte der Welt.

Weitere Großprojekte, bei denen Siemens den Netzanschluss realisiert, sind neben den beiden Offshore-Windparks ›Lynn‹ und ›Inner Dowsing‹ die Parks ›Greater Gabbard‹ (500 MW, 139 Windturbinen mit je 3,6 MW-, Nordsee, westlich Harwich) und ›Bard Offshore I‹ (400 MW, 80 Windturbinen mit je 5 MW-, nordwestlich von Norderney).

Neben den genannten Netzanschlussprojekten hat Siemens alleine seit 2003 Windturbinen mit einer Leistung von über 3.300 MW installiert. Verglichen mit der Stromproduktion in fossil befeuerten Kraftwerken helfen diese pro Jahr rund 8 Mio. t Kohlendioxid einzusparen. Weitere Projekte gerade im aufstrebenden Offshore-Geschäft rund um den Globus werden zusätzliche Beiträge zum Klimaschutz leisten.

Windmühlen auf See

Stark wachsender Markt

Von den 180.000 MW Windenergie im Jahr 2020 sollen bereits 35.000 MW offshore erbracht werden. Für 2030 prognostizieren Experten sogar einen Anteil von 120.000 MW auf See (Gesamt dann 300.000 MW für die EU-27). Ende 2007 waren innerhalb der EU 1.080 MW offshore installiert, davon 409 MW in Dänemark und 404 MW in Großbritannien. In den kommenden Jahren wird der Offshore-Zubau von 1.200 MW im Jahr 2011 auf 6.800 MW im Jahr 2020 kontinuierlich ansteigen. 2020 soll der Anteil an der jährlich installierten Leistung dann europaweit bereits bei 40 % auf See liegen.

Erschienen in Ausgabe: 09/2008