Windkraft für ein paar Cent

Die neueste Windkraftanlage in Rocky Flats in Colorado, dem Testgelände des US-Energieministeriums für Windkrafttechnologien, sieht aus wie jede andere Apparatur zur Gewinnung von Energie aus Wind: Eine kastenförmige Turbine sitzt auf einem Stahlturm, aus dem zwei Propellerblätter sprießen, die sich 40 Meter zusammengenommen – fast die Hälfte der Länge eines Fußballfeldes. Wind rauscht vorbei, Rotorblätter drehen und Strom fließt. Aber es gibt einen entscheidenden Unterschied. Dieser Prototyp hat flexible, klappbare Klingen; bei starkem Wind biegen sie sich beim Spinnen leicht nach hinten. Die Biegung ist für einen zufälligen Beobachter kaum wahrnehmbar, aber sie ist eine radikale Abkehr von der Funktionsweise bestehender Windkraftanlagen – und kann das Schicksal der Windkraft verändern.

Tatsächlich kommt der Erfolg des Prototyps in Rocky Flats zu einem entscheidenden Zeitpunkt in der Entwicklung der Windkraft. Windbetriebene Generatoren sind immer noch eine Nischentechnologie und produzieren weniger als ein Prozent des US-Stroms. Aber letztes Jahr wurden in den Vereinigten Staaten 1.700 Megawatt neue Windkraftkapazität installiert – genug, um 500.000 Häuser mit Strom zu versorgen – was die Windkraftkapazität des Landes fast verdoppelt. Und mehr ist unterwegs. Die Hersteller haben die Kosten für Hochleistungs-Windturbinen seit 1980 vervierfacht, und diese gigantischen Maschinen sind heute zuverlässig und effizient genug, um auf See gebaut zu werden. Ein 80-Turbinen- und 245-Millionen-Dollar-Windpark im Bau vor der dänischen Küste wird der größte der Welt sein, und Entwickler beginnen auch, deutsche, niederländische und britische Gewässer zu kolonisieren. In Nordamerika stellen sich Spekulanten riesige Offshore-Windparks in der Nähe von British Columbia und Nantucket, MA, vor.

Warum Software so schlecht ist

Diese Geschichte war Teil unserer Juli-Ausgabe 2002



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Doch über diesem scheinbar sonnigen Szenario schwebt immer noch eine schwarze Wolke. Windkraftanlagen sind nach wie vor teuer – oft unerschwinglich. Im Durchschnitt kostet der Bau eines Windturbinenparks etwa 1 Million Dollar pro Megawatt, verglichen mit etwa 600.000 Dollar pro Megawatt für ein konventionelles Gaskraftwerk; In den wirtschaftlichen Berechnungen der Stromkonzerne schließt die Tatsache, dass Wind kostenlos ist, diese Lücke nicht. Kurz gesagt, der Preis für den Bau von Windenergie muss sinken, wenn sie jemals mehr als eine Nischentechnologie sein soll.

Und hier kommt der Prototyp von Rocky Flats ins Spiel. Die Flexibilität der Rotorblätter wird es ermöglichen, dass die Turbine 40 Prozent leichter ist als der heutige Industriestandard, aber genauso in der Lage ist, zerstörerische Stürme zu überstehen. Und dieses geringere Gewicht könnte Maschinen bedeuten, die 20 bis 25 Prozent billiger sind als heutige Großturbinen.

Frühere Bemühungen um leichtere Konstruktionen waren universelle Fehlschläge – zum Teil innerhalb von Wochen durch den Wind selbst behindert oder zerstört. Angesichts dieser Ausfälle sind Windexperten verständlicherweise vorsichtig, was den neuesten Versuch einer Leichtbaukonstruktion angeht. Aber die meisten sind sich einig, dass leichte Windturbinen, wenn sie funktionieren, die wirtschaftliche Gleichung verändern werden. Die Frage wäre: Wie schafft man es, die Übertragungskapazität schnell genug aufzubauen, um mit dem Wachstum Schritt zu halten? Energy Association, eine Handelsgruppe. Sie würden viele Leute haben, die bereit sind, sich anzumelden.

Und, sagen Experten, der Rocky Flats-Prototyp, entworfen von Wind Turbine in Bellevue, WA, ist die beste Hoffnung seit Jahren auf ein Leichtbaudesign, das endlich erfolgreich sein wird. Ich kann ziemlich eindeutig sagen, dass dies ein dramatischer Schritt in der Leichtbautechnologie [Windturbinen] ist, sagt Bob Thresher, Direktor des National Wind Technology Center in Rocky Flats. Niemand sonst hat eine Maschine gebaut, die so flexibel ist und funktioniert.

Gedicht über den Verstand

Stetig wie sie bläst

Windturbinen sind wie riesige Ventilatoren, die rückwärts laufen. Anstelle von motorgetriebenen Blättern, die die Luft drücken, verwenden sie Schaufeln, die den Wind auffangen und einen Generator ankurbeln, der Strom abpumpt. Viele der heutigen Turbinen sind Mammutmaschinen mit dreiblättrigen Rotoren, die 80 Meter bis 20 Meter länger sind als die Spannweite einer Boeing 747. Und darin liegt die technologische Herausforderung. Die enorme Größe wird benötigt, wenn kommerzielle Windkraftanlagen wirtschaftlich konkurrieren sollen, da die Stromproduktion exponentiell mit der Blattlänge ansteigt. Aber diese riesigen Strukturen müssen robust genug sein, um Stürme und extreme Turbulenzen auszuhalten.

In den 1970er und 1980er Jahren unternahmen US-amerikanische Windenergiepioniere die ersten ernsthaften Anstrengungen, diese Kräfte mit leichten, flexiblen Maschinen zu bekämpfen. Mehrere Start-ups installierten Tausende solcher Windkraftanlagen; die meisten wurden von Böen buchstäblich auseinandergerissen oder behindert. General Electric und Boeing trieben Leichtbauexperimente auf die Spitze und bauten viel größere Prototypen – Giganten mit 80-, 90- und sogar 100-Meter-langen Blättern. Auch diese erwiesen sich als störanfällig; in einigen Fällen bogen sich ihre Klingen zurück und trafen tatsächlich auf die Türme.

Alles in allem gaben US-Unternehmen und das Energieministerium in den 1980er und frühen 1990er Jahren Hunderte Millionen Dollar für diese gescheiterten Experimente aus. Das amerikanische Modell hat sich schon immer zum Licht und zum Anspruchsvollen und zu Dingen hingezogen, die nicht funktionierten, sagt James Manwell, ein Maschinenbauingenieur, der das Forschungslabor für erneuerbare Energien der University of Massachusetts in Amherst, MA, leitet.

In diese technologische Flaute segelten Forscher des dänischen Ris National Laboratory und dänischer Unternehmen wie Vestas Wind Systems. In den letzten zwei Jahrzehnten perfektionierten sie eine Hochleistungsversion der Windkraftanlage – und sie wurde zum Microsoft Windows der Windkraftindustrie. Heute macht diese dänische Konstruktion praktisch den gesamten weltweit durch Wind erzeugten Strom aus. Diese robusten dänischen Konstruktionen spiegeln vielleicht nationale Neigungen wider und hatten wenig von dem aerodynamischen Blitz der früheren US-Windturbinen; Sie wurden einfach mit schwereren, dickeren Stahl- und Verbundmaterialien gegen den Wind abgestützt. Sie waren zäh, robust – und sie funktionierten.

Darüber hinaus wurde in den letzten Jahren durch Leistungselektronik – digitale Siliziumschalter, die den Stromfluss aus der Maschine massieren – die Grundkonstruktion weiter verbessert. Zuvor wurde der Rotor der Turbine auf einer konstanten Drehzahl gehalten, damit seine Wechselstromabgabe mit dem Stromnetz synchron war; Die neuen Geräte halten die Synchronisierung aufrecht, während der Rotor mit dem Wind frei beschleunigen und verlangsamen kann. Wenn es eine Böe gibt, kann der Rotor beschleunigen, anstatt nur zu sitzen und die brachiale Kraft des Windes aufzunehmen, sagt Manwell.

Die Beherrschung solcher Sorten ermöglichte es dem dänischen Design, immer größer zu werden. Während in den frühen 1980er Jahren eine typische kommerzielle Maschine eine Flügelspannweite von 12,5 Metern hatte und 50 Kilowatt produzieren konnte – genug für etwa ein Dutzend Haushalte – reichten heute die größten Flügel von 80 Metern und 2 Megawatt; eine einzige Maschine kann mehr als 500 Haushalte mit Strom versorgen.

Die neueste Herausforderung für das dänische Design besteht darin, Wege zu finden, die korrosive und belastende Offshore-Umgebung zu überstehen, in der Monate vergehen können, bis ein Mechaniker sicher an Bord gehen und eine Turbine reparieren kann. Vestas beispielsweise stattet seine Turbinen mit Sensoren an jeder ihrer Komponenten aus, um Verschleiß zu erkennen, und Backup-Systeme, die beispielsweise bei einem Ausfall der Leistungselektronik übernehmen.

Der Ansatz von Vestas wird diesen Sommer auf die Probe gestellt, da Dänemarks Stromversorger damit beginnt, 80 Vestas-Maschinen in seichtem Wasser 14 bis 20 Kilometer vor der dänischen Küste zu installieren. Es wird der größte Offshore-Windpark der Welt sein und bis zu 150.000 dänische Haushalte mit Strom versorgen.

Windschatten

Brille, die Farbenblindheit korrigiert

Diese Upgrades werden große, schwere Turbinen zuverlässiger machen, aber sie tragen nicht zu einer grundlegenden Veränderung der Wirtschaftlichkeit der Windkraft bei. Nationen wie Dänemark und Deutschland sind bereit, für Windkraft zu zahlen, auch weil fossile Brennstoffe in Europa so viel teurer sind, wo höhere Steuern die Umwelt- und Gesundheitskosten decken, die mit ihrer Verbrennung verbunden sind. (Etwa 20 Prozent des dänischen Stroms stammt aus Windkraft.) Aber damit Windkraft in den Vereinigten Staaten wirklich wettbewerbsfähig gegenüber fossilen Brennstoffen sein kann, muss sich die Technologie ändern.

Was das Rocky Flats-Design von Wind Turbine zu einem solchen Aufbruch macht, sind nicht nur die aufklappbaren Rotorblätter, sondern auch ihre Ausrichtung in Windrichtung. Das dänische Design richtet die Blätter in den Wind und macht die Blätter schwer, damit sie sich nicht zurückbiegen und in den Turm schlagen. Das Design der Windkraftanlage kann dem Wind nicht standhalten – die angelenkten Rotorblätter würden den Turm treffen – daher ist der Rotor in Windrichtung positioniert. Schließlich verwendet es zwei Klingen anstelle der drei im traditionellen Design, um das Gewicht weiter zu reduzieren.

Fortschritte bei der Computermodellierung gefährlicher Kräfte wie Vibrationen halfen bei der Entwicklung des Designs. Flexible Klingen verleihen der Bewegung der Maschine eine zusätzliche Dimension; ebenso die Tatsache, dass sich die gesamte Maschine frei mit dem Wind drehen kann. (Traditionelle Konstruktionen werden gegen den Wind gefahren und dann an Ort und Stelle arretiert.) Das Vorhersagen, Erkennen und Verhindern von Katastrophen – wie sich schnell drehende Winde, die einen Rotor gegen den Wind schwenken und seine flexiblen Rotorblätter in den Turm schicken – sind selbst mit dem besten Design Herausforderungen bei der Steuerung. Wenn man das nicht richtig macht, kann sich die Maschine buchstäblich totschlagen, sagt Ken Deering, Vice President of Engineering bei Wind Turbine.

Als vor zwei Jahren der Prototyp der Windturbine in Rocky Flats errichtet wurde, gab es Befürchtungen, dass sich auch diese Maschine selbst zu Tode schlagen würde. Thresher sagt, einige seiner Mitarbeiter hätten befürchtet, dass die Maschine wie ihre Vorgänger aus den 1980er Jahren dem Schrottplatz nicht lange entkommen würde. Heute schwinden diese Zweifel trotz einiger kleinerer Rückschläge.

Durch seinen frühen Erfolg ermutigt, hat Wind Turbine in der Nähe von Lancaster, CA, einen zweiten Prototyp mit einer größeren Blattspanne von 48 Metern installiert. Bis Ende dieses Jahres erwartet das Unternehmen, die Blattlänge dieser Maschine auf 60 Meter voller kommerzieller Größe zu erhöhen. Darüber hinaus hat dieser neue Prototyp einen dünneren Turm, der darauf abzielt, das laute Schlagen – bekannt als Windschatten – zu reduzieren, das jedes Mal auftreten kann, wenn ein Flügel durch den Bereich der turbulenten Luft hinter dem Turm peitscht. Und mit ihrem geringeren Gewicht konnte die Turbine auf höheren Türmen montiert werden und erreichte schnellere Winde.

Beruhigt

Unabhängig von den technologischen Fortschritten steht die Windkraftindustrie jedoch immer noch vor erheblichen Hürden, beginnend mit der unsicheren politischen Unterstützung in den Vereinigten Staaten. In Europa ist Windkraft bereits relativ einfach zu verkaufen. Aber in den Vereinigten Staaten sind Windentwickler auf Steuergutschriften des Bundes angewiesen, um Gewinne zu erzielen. Diese lebenswichtigen Kredite stoßen auf chronischen Widerstand mächtiger Öl- und Kohle-Lobbys und verfallen oft. Die Windkraftindustrie eilte darum, ihre Turbinen anzuschließen, bevor diese Kredite Ende letzten Jahres ausliefen, und schlief dann für die drei Monate, die der US-Kongress brauchte, um sie zu erneuern. Der Kongress verlängerte die Kredite bis Ende nächsten Jahres und leitete damit einen wahrscheinlich weiteren Start-und-Stopp-Entwicklungszyklus ein.

Ein zweites Hindernis für eine breite Akzeptanz ist der Wind selbst. Es mag kostenlos und allgemein zugänglich sein, aber es ist auch frustrierend inkonsistent. Frag einfach irgendeinen Seemann. Und diese Wankelmütigkeit führt zu einer zeitweiligen Stromproduktion. Je mehr Turbinen gebaut werden, desto komplizierter wird ihre Unterbrechung die Planung und Verwaltung großer Stromflüsse über regionale und nationale Stromnetze. Tatsächlich belastet in West-Texas ein neuer Boom beim Bau von Windkraftanlagen die Übertragungsleitungen der Region – und produziert auch Strom, der nicht mit dem lokalen Bedarf übereinstimmt: Wind bläst in kühlen Nächten und steht an heißen Tagen, wenn die Menschen am meisten Strom benötigen.

Die texanischen Versorgungsunternehmen beheben das Problem, indem sie Übertragungsleitungen erweitern. Um den Wert der Windkraft jedoch im großen Stil wirklich zu erfassen, sind neue Ansätze erforderlich, um Windstrom bei der Erzeugung zu speichern und bei Bedarf wieder abzugeben. Das Electric Power Research Institute, ein von Energieversorgern finanziertes F&E-Konsortium in Palo Alto, Kalifornien, forscht daran, wie man bessere Windvorhersagen für einen Tag im Voraus machen kann. Noch wichtiger ist, dass nach Möglichkeiten gesucht wird, Energie zu speichern, wenn der Wind weht. Wir müssen über den Betrieb einer elektrischen Anlage nachdenken und uns nicht nur auf die Windkraftanlagen konzentrieren, sagt Chuck McGowin, Leiter Windkrafttechnik am Institut. Lagermöglichkeiten würden es uns ermöglichen, das, was wir haben, effizienter zu nutzen und seinen Wert zu verbessern.

Im Nordwesten der Vereinigten Staaten bietet eine Speicheroption, die von der Bonneville Power Administration mit Sitz in Portland, OR, entwickelt wird, einen Ausgleich zwischen Windkraft und Wasserkraft. Die Idee ist einfach: Wenn der Wind weht, lassen Sie das Wasser nicht durch die Wasserturbinen; öffne an ruhigen Tagen die Tore. Und die Tennessee Valley Authority experimentiert sogar mit der Speicherung von Energie in riesigen Brennstoffzellen; in Mississippi ist eine Pilotanlage im Bau.

Der Windkraft stehen viele Hindernisse entgegen, aber es gibt mehr denn je Grund zu der Annahme, dass diese Hindernisse überwunden werden. Sorgen über die Umweltauswirkungen der Verbrennung fossiler Brennstoffe und politische Bedenken hinsichtlich einer übermäßigen Abhängigkeit vom Erdöl beflügeln einen Boom beim Bau von Windkraftanlagen. Aber es sind Fortschritte in der Technologie selbst, die durch anhaltend starke Forschungsanstrengungen geschaffen wurden, die den entscheidenden Impuls für eine verstärkte Nutzung der Windkraft geben könnten.

In Rocky Flats teilen sich vier Reihen von Forschungsturbinen – insgesamt ein Dutzend Maschinen, die von 400-Watt-Batterieladegeräten bis hin zu netzbereiten 600-Kilowatt-Maschinen reichen – eine mit Felsbrocken übersäte 115 Hektar große Ebene. Mit den Rocky Mountains im Hintergrund schlagen ihre Klingen gegen die Brise, die vom El Dorado Canyon im Westen weht. Zumindest tun sie es die meiste Zeit. Wir haben viele ruhige Tage, insbesondere im Sommer, und für ein Testgelände ist es gut, eine Mischung zu haben, sagt Thresher.

Ruhige Tage mögen gut für die Windturbinenforschung sein, aber sie gehören immer noch zu den größten Sorgen, die die Kommerzialisierung von Windturbinen verfolgen. Zwar kann keine Technologie den Wind wehen lassen, aber kostengünstigere, zuverlässige Technologien scheinen bereit zu sein, sich seiner Unbeständigkeit zu stellen. Und das könnte bedeuten, dass auf einem luftigen Hügel in Ihrer Nähe bald eine Windkraftanlage sprießen wird.

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