Optimierung von Rotorblättern Leistung von Offshore-Windanlagen erhöhen

Die Energiewende in Deutschland ist in vollem Gange. Laut Statistischem Bundesamt (Destatis) machten erneuerbare Energien 2024 mehr als 59 % des hiesigen Strommixes aus. Den größten Anteil daran leistet die Windenergie mit 31,5 %. Besonders Offshore-Windanlagen sollen in Deutschland und Europa in den kommenden Jahren massiv ausgebaut werden. Um die Leistung der klimaschonenden Energieerzeugung zu erhöhen, hat die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) ein Projekt der Fachhochschule Kiel zur aerodynamischen Optimierung von Rotorblättern mit rund 235.000 Euro gefördert.

Der Wind über dem Meer weht stetiger und im Mittel stärker als an Land. Daher ist der Ausbau erneuerbarer Energien auf Meeresflächen besonders gefragt. In den deutschen Hoheitsgewässern der Nord- und Ostsee waren Ende 2024 laut Bundesverband Windenergie (BWE) insgesamt 1.639 Windanlagen mit einer Gesamtleistung von 9,2 GW installiert. Die Ausbauziele sind ehrgeizig: Das 2017 bundesweit in Kraft getretene Windenergie-auf-See-Gesetz sieht vor, dass bis 2030 mindestens 30 GW, bis 2035 wenigstens 40 GW und bis 2045 minimal 70 GW Energie aus dem Offshore-Bereich stammen sollen. 70 GW Offshore-Windenergie würden dann dem Bundesverband Windenergie Offshore (BWO) zufolge jährlich etwa 220 TWh Strom erzeugen. Zum Vergleich: 2024 wurden in Deutschland laut Destatis – aus allen Energiequellen kombiniert – 431,5 TWh ins Stromnetz eingespeist.

Windkraft ökologisch ausbauen und optimieren

DBU-Generalsekretär Alexander Bonde: "Diese Pläne zum Ausbau der Offshore-Windparks sind ein entscheidender Faktor in der Energiewende und können in Zukunft einen großen Teil des deutschen Strombedarfs decken." Relevant seien dabei ein "ökologisch verträglicher Ausbau der Windparks und die Optimierung der Windkraftanlagen durch innovative Technologien". Die Europäische Union zieht bei dem ambitionierten Ausbau mit: Zahlen des Bundesverbands der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW) zufolge ist in der EU bisher 35 GW Offshore-Windleistung installiert. Die Ausbauziele in der EU sind gleichfalls hochgesteckt: 163 GW bis 2030 und 300 GW bis 2050.

Kleine Änderungen ermöglichen große Leistungssteigerungen

Die Effektivitätssteigerung bestehender Technologien ist für die Umsetzung der Ausbauziele ein wichtiger Grundpfeiler. Dieser Aufgabe hat sich auch ein von der DBU mit rund 235.000 Euro gefördertes Projekt der FH Kiel verschrieben. Das Team um Projektleiter Prof. Dr. Alois Schaffarczyk arbeitete an einer aerodynamischen Optimierung der Rotorblätter von Mega-Windkraftanlagen. Schaffarczyk: "Moderne Windräder sind zwar schon nach aerodynamischen Gesichtspunkten designt – doch besonders für den inneren Teil der Rotorblätter an der Rotornabe gibt es Optimierungspotenzial."

In Kooperation mit den Unternehmen Deutsche Windguard Engineering aus Varel und Aerovide aus Rendsburg untersuchten die Forschenden ein Rotorblatt der 10-MW-Klasse. Diese Windkraftanlagen sind speziell für den Offshore-Einsatz konzipiert, was auch an ihren Abmessungen deutlich wird: Die Nabenhöhe beträgt über 140 m, der Durchmesser der Rotoren von der Laufbahn einer Spitze zur anderen umfasst rund 200 m, die Rotorblätter sind mehr als 90 m lang. Der vom Team untersuchte Bereich betrifft die inneren 15 m des Rotors, so der Projektleiter. Schaffarczyk: "Bei solchen Dimensionen können auch schon kleine Änderungen eine große Steigerung der effektiven Leistung ermöglichen."

Windanlagen mit speziell gefertigter Rotorhinterkante

Genau dies ist dem Team um Schaffarczyk während der Projektlautzeit gelungen: Dem Projektleiter zufolge reduziert eine speziell gefertigte Rotorhinterkante den Widerstand im inneren Teil des Blattes deutlich: "Alle Berechnungen und auch die Versuche im Windkanal haben belegt, dass wir so eine Leistungssteigerung der Anlage um bis zu 4 % erreichen." Außerdem habe das Team zusätzliche aerodynamische Hilfsmittel verwendet, die beispielsweise bei Wartungsarbeiten auch nachträglich installiert werden könnten und ebenfalls die Leistung steigerten. 

Projektleiter Schaffarczyk: "Wenn die Ausbauziele für erneuerbare Energien auch nur annähernd erreicht werden sollen, ist bereits die Steigerung der Stromerträge um 1 bis 4 % unverzichtbar. Allein dadurch können zahlreiche zusätzliche Haushalte mit klimafreundlichem Strom versorgt werden." Das sei ein "wichtiges Puzzleteil der Energiewende". Die Ergebnisse ihrer Untersuchungen haben die Forschenden frei zugänglich im Internet veröffentlicht. Zudem plant Aerovide die Anwendung des innovativen Designs. Im Rahmen einer kommerziellen Konzeptstudie wurde es laut Firmenangaben bereits in ein Rotorblatt integriert, um eine komplette Anlagensimulation durchzuführen.