Türme und Turbinen für Windräder neu gedacht
Neue Materialien und Konstruktionen können eine führende Quelle für erneuerbare Energie sowohl umweltfreundlicher als auch kostengünstiger machen.
Auf den ersten Blick sieht das Windrad, das in der grünen Landschaft in der schwedischen Gemeinde Skara aufragt, wie jedes andere aus. Es erreicht eine Höhe von 105 Metern und trägt an der Spitze das bekannte Trio großer Rotorblätter. Aber im Gegensatz zu den meisten Windturbinentürmen, die aus Stahl gefertigt sind, besteht dieser aus Holz. Es handelt sich um die erste kommerzielle Anlage des schwedischen Ingenieurbüros Modvion – und sie könnte die Zukunft der Windenergie bestimmen.
Mit Holz hoch hinaus
Im Bereich der erneuerbaren Energien kann Holz die Windenergie noch umweltfreundlicher machen, indem es als Material für die Türme dient. Darüber hinaus kann Holz dazu beitragen, Windturbinen kostengünstiger und leistungsstärker zu machen, was neben dem Umweltaspekt auch einen wirtschaftlichen Anreiz bietet, so Otto Lundman, Geschäftsführer von Modvion.
„Turbinentürme aus Holz sind leichter, modularer und können höher gebaut werden als Stahltürme“, so Lundman. Modvion erhielt EU-Fördermittel, um das Ziel von Windturbinen in großen Höhen mit Holz voranzutreiben. Das Projekt lief von Oktober 2020 bis September 2023.
Der Turm der Skara-Turbine ist ein Ergebnis dieses Projekts und besteht aus laminiertem Holz aus der Fabrik von Modvion in Göteborg, etwa 130 Kilometer südwestlich gelegen. Der Bau der Turbine dauerte etwa ein Jahr. Im Februar 2024 ging sie für den schwedischen Energieversorger Varberg Energi in Betrieb. Das dänische Unternehmen Vestas lieferte die Turbine. „Der Bau und die Gestaltung von Türmen wie diesem erfordern große Investitionen“, erklärt Lundman. „Die EU-Förderung war entscheidend, um uns die Entwicklung dieser Technologie zu ermöglichen.“
Auf Wachstumskurs
Die Windenergie hat in den letzten Jahren in ganz Europa stark zugenommen und deckte im Jahr 2022 16 % des Strombedarfs der EU. Im Jahr 2021 betrug der Anteil der Windenergie an der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen in der EU 37 %. Laut Branchenverband WindEurope wurde 2023 in Europa eine Rekordleistung von 17 Gigawatt an Windenergie errichtet.
Dennoch muss die Windkraft weiter ausgebaut werden, damit die EU ihre Ziele erreichen kann, die Treibhausgasemissionen bis 2030 um 55 % gegenüber dem Stand von 1990 zu senken und den Marktanteil erneuerbarer Energien bis Ende des Jahrzehnts von etwa 23 % auf 42,5 % zu steigern. Um diese Ziele zu erreichen, müssen bis 2030 jedes Jahr 30 Gigawatt an Windkraftanlagen gebaut werden.
In einigen Branchenkreisen wird davon ausgegangen, dass neue Konstruktionen erforderlich sind, die die Rentabilität steigern können, um die wissenschaftlichen Bemühungen voranzutreiben.
„Der Windenergiesektor hat in den letzten Jahrzehnten große Anstrengungen unternommen, um die Kosten für Energie schrittweise zu senken“, sagt Dr. James Carroll, Associate Professor an der University of Strathclyde in Großbritannien. „Aber die Kostenverbesserungen bei traditionellen Turbinen haben sich verlangsamt. Deshalb müssen wir nach radikaleren Verbesserungen suchen.“
Der Gewinn zählt
Deshalb bietet der hölzerne Windturbinenturm von Modvion aus drei bemerkenswerten Gründen vielversprechende Aussichten. Einer hat mit der Festigkeit zu tun. Das von Modvion verwendete Furnierschichtholz ist nach Angaben des Unternehmens im Verhältnis zum Gewicht 55 % stärker als der traditionell in Windkraftanlagen verwendete Stahl. Modvion bezeichnet sein technisch bearbeitetes Holz als „Natur-Kohlefaser“.
Ein weiterer Grund für Optimismus ist das Gewicht. Ein Holzturm ist um ein Drittel leichter als ein vergleichbarer Stahlturm und lässt sich daher einfacher transportieren.
Und dann ist da noch die Höhe. Angesichts der Vorteile von Holz in Bezug auf Festigkeit und Transport möchte Modvion höhere Türme bauen. „Je höher Sie gehen, desto mehr Wind können Sie bekommen“, sagt Lundman.
Breitere Basis
Um die technische Herausforderung bei Türmen zu verstehen, muss man bedenken, dass sie wie ein umgedrehter Kegel gebaut sind: unten breiter und oben schmaler. Je höher der Turm ist, desto breiter muss die Basis sein. Traditionell wird dies durch das Aufeinanderstapeln von Stahlzylindern erreicht. Aber ab einer bestimmten Turmhöhe wird es aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichts praktisch unmöglich, die Basiszylinder über Straßen zu transportieren.
Im Gegensatz dazu werden bei einer Holzkonstruktion C-förmige Paneele verwendet, die zu einem Zylinder zusammengeleimt werden. Das macht die Konstruktion modularer und den Transport der Teile viel einfacher – ein bisschen wie IKEA für Windturbinentürme. Die Verwendung ähnlicher, modularer Stahlkonstruktionen wäre ineffizient, weil sie zusammengeschraubt werden müssten, was die Kosten erheblich erhöhen würde, so Lundman.
Entlastung des Klimas
Neben den wirtschaftlichen Vorteilen von Holz gibt es auch ökologische Vorteile. Holz ist besser für das Klima als Stahl. Die Stahlproduktion ist energieintensiv und erfordert die Verbrennung von fossilen Brennstoffen, die Treibhausgase freisetzen. „Durch den Wechsel von einem Stahl- zu einem Holzturm reduzieren Sie die Emissionen bei der Herstellung des Turms um 90 %“, so Lundman.
Da Wälder wichtige Kohlenstoffspeicher sind, bezieht Modvion sein Holz aus nachhaltig bewirtschafteten Wäldern in Skandinavien. Die Türme des Unternehmens können außerdem nach ihrer Stilllegung recycelt werden, was einen weiteren ökologischen Vorteil darstellt.
Nach der EU-Förderung ist Modvions Priorität, die Produktion auszuweiten. „Die Produktion von Holztürmen in diesem Umfang wurde noch nie zuvor in industriellem Maßstab durchgeführt“, sagt Lundman. „Wir mussten zum Beispiel die Laminiermaschinen selbst herstellen. Sie existierten einfach nicht in den für unseren Zweck erforderlichen Größen.“ Und fügt hinzu, dass Modvion plane, bis 2027 eine Fabrik mit größerem Volumen in Betrieb nehmen. Ziel ist es, innerhalb eines Jahrzehnts 10 % des globalen Windenergiemarktes zu beliefern.
Test einer Turbine
Die Arbeit an der nächsten Generation von Windenergieanlagen betrifft nicht nur die Türme, sondern auch die Turbinen. Ein weiteres von der EU finanziertes Projekt beschäftigt sich mit der Überlegung, wie eine neue Windturbine aussehen und funktionieren könnte.
Das Projekt namens XROTOR hat die Machbarkeit einer vertikalen Achsenturbine in Kombination mit Sekundärrotoren mit horizontaler Achse anstelle der konventionellen horizontalen Achse untersucht. Eine vertikale Achsenturbine dreht sich um ihren Turm.
„Die Idee reicht mehr als zehn Jahre zurück“, erklärt William Leithead, Professor für Systeme und Steuerung an der Universität Strathclyde. „Ich sah, dass vertikal ausgerichtete Windturbinen ohne Sekundärrotoren einfach nicht effizient arbeiten konnten und begann, über eine Lösung nachzudenken.“ Leithead und Carroll leiten XROTOR, das im April 2024 nach drei Jahren und vier Monaten enden soll.
Obwohl vertikale Achsenturbinen näher beieinander platziert werden können, haben sie einen großen Nachteil: ihre Blätter drehen sich langsamer. Das erhöht den Turbinenantrieb, die Größe des Getriebes und die Kosten für die erzeugte Energie, was den wirtschaftlichen Fall für ein solches Design schwächt. „Grundsätzlich sind sie zu teuer für die Energie, die sie erzeugen“, so Leithead.
X-förmiger Rotor
Als Antwort darauf haben die XROTOR-Forscher das Konzept angepasst. Sie entwarfen eine vertikal ausgerichtete Turbine mit einem X-förmigen Primärrotor, an dessen Spitzen kleinere, horizontal ausgerichtete Turbinen angebracht sind.
Die Sekundärrotoren drehen sich sehr schnell und erzeugen die Energie der Turbine. Dieses Design könnte die Vorteile sowohl von vertikal- als auch von horizontalachsigen Turbinen kombinieren.
„Sie können diese Turbinen näher beieinander an der Küste platzieren“, sagt Leithead „Herkömmliche Turbinen erzeugen eine Windströmung, was bedeutet, dass man sie nicht zu nahe beieinander aufstellen kann, da sonst ihre Leistung beeinträchtigt wird.“
Gegenwärtig werden die Windparks immer weiter aufs Meer hinaus gedrängt, um freie Flächen zu finden. Das erhöht die Kosten, da die Turbinen widerstandsfähiger gegen extreme Wetterbedingungen sein müssen und mehr Kabel verlegt werden müssen.
Wenn die Turbinen näher beieinander platziert werden könnten, ließe sich mehr Strom in Küstennähe erzeugen. „Die Auswirkungen könnten enorm sein“, erklärt Leithead. „Wir sprechen hier von einer Kostenersparnis von 20 % im Vergleich zu ähnlich großen, horizontal ausgerichteten Turbinen.“
Das neue Konzept hat zwar schon Simulationen durchlaufen, muss aber noch gebaut und in der Praxis getestet werden, so dass die potenziellen Vorteile erst noch bewiesen werden müssen.
Leithead und seine Kollegen bereiten sich darauf vor, die Ergebnisse von XROTOR zu veröffentlichen und Anschlussfinanzierungen von privaten und öffentlichen Investoren zu suchen. „Es wird mindestens vier Jahre und wahrscheinlich noch länger dauern, bis wir dieses Konzept in der realen Welt sehen werden“, fügt Leithead abschließend hinzu. „Es ist eine radikal neue Idee, aber genau das macht die Forschung so interessant.“
Die Forschung in diesem Artikel durch das Horizon-Programm der EU finanziert und im Fall von Modvion auch durch den Europäischen Innovationsrat (EIC). Die Ansichten der Befragten spiegeln nicht unbedingt die der Europäischen Kommission wider.
Weitere Informationen
Artikel von Tom Cassauwers
Dieser Artikel wurde ursprünglich in Horizon, dem EU-Magazin für Forschung und Innovation, veröffentlicht.