Geplante US-Offshore-Windparks durch Hurrikans bedroht
Strom aus Windkraft ist eine viel beachtete Option für die Vereinigten Staaten, denn auch die USA wollen einen Schwenk hin zu erneuerbaren Energien. Besonderes Potenzial bieten dabei Anlagen am und im Meer. Doch vor allem für Offshore-Windparks sind Hurrikans eine reale Bedrohung. Mit einem neuen Rechenmodell der Harvard University lässt sie sich zuverlässiger einschätzen.
Der Wirbelsturm Katrina verwüstete 2005 den Südosten der USA, mindestens 1800 Menschen starben. Die Sachschäden beliefen sich auf hohe zweistellige Milliarden-Dollar-Beträge. Offshore-Windenergieanlagen standen nicht auf der Schadensliste – nicht etwa, weil sie so stabil gegründet waren, sondern weil es sie noch nicht gab. Das wird sich in den kommenden Jahrzehnten ändern.
Das DOE (US-Energieministerium) schätzt, dass bei einem Anteil der Windenergie von 20 % an der Stromerzeugung der USA rund 50 GW aus Offshore-Anlagen stammen könnten. Bisher wurde in den USA zwar noch kein Offshore-Windpark fertiggestellt 20 Parks mit einer Gesamtnennleistung von 2000 MW sind aber in der Planung, ein Teil davon in Hurrikangebieten.
Rechenmodell: Schäden in Offshore-Windparks durch Hurrikans einschätzbar
Verschiedene US-Regierungsstellen in Zusammenarbeit mit der Harvard University haben jetzt ein Modell vorgestellt, mit dem sich die Anzahl der durch einen Hurrikan zerstörten Windräder im Voraus abschätzen lässt. Die Projektierer bekommen damit ein geeignetes Instrument, um das Risiko innerhalb der 20 Jahre Lebensdauer eines Windparks zu ermitteln – und in die Kalkulation einzupreisen.
Grundsätzlich bieten sich in den USA die Atlantik- und die Pazifikküste für die Offshore-Windenergienutzung an. Die Windgeschwindigkeiten sind vergleichbar mit denen in der Nordsee. Einschränkungen gibt es allerdings durch große Wassertiefen jenseits der 60 m.
Nicht ganz so gute Windverhältnisse herrschen in den USA an der Küste des Golfes von Mexiko – die durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten liegen bei 4 m/s bis 6,5 m/s. Hier bieten aber das seichte Wasser und die küstennahen Verbrauchszentren gute Bedingungen für die Offshore-Windnutzung.
Beschränken sich die Projekte auf den Bereich bis 30 m Wassertiefe, beträgt das Potenzial im Golf 340 GW installierte Nennleistung, so das DOE.
Gerade an der Golfküste und darüber hinaus an den Küsten von North und South Carolina, Florida sowie Georgia ist das Hurrikanrisiko aber besonders hoch. Zwischen 1949 und 2006 trafen 93 Hurrikans das amerikanische Festland. Wirbelstürme der Kategorie 5 – Katrina war so einer – schlagen am ehesten an den Küsten von Florida und Texas auf.
Risiken durch Hurrikans über Offshore-Windparks hinaus breit gestreut
Aber wann und wo der nächste verheerende Sturm entsteht, weiß im Voraus niemand. „Die Risiken durch die Hurrikans sind breit gestreut“, schreibt William Clark von der Havard University in einem Aufsatz, der das entwickelte Risikomodell beschreibt.
Diese Stürme gefährden auch Plattformen der Öl- und Gasindustrie. Hurrikan Katrina setzte dabei den Offshore-Strukturen am meisten zu. 44 total zerstörte sowie 21 schwer beschädigte Plattformen gehen auf sein Konto. Das wirft auch Fragen nach der Sturmfestigkeit von Offshore-Windrädern auf.
Clark stellt fest: „Windturbinen können durch Hurrikans beschädigt werden, weil die Windgeschwindigkeiten in diesen Stürmen die zulässigen Auslegungswerte überschreiten könnten.“
Das ist mehr als zurückhaltend formuliert, wie ein Vergleich der Windgeschwindigkeiten zeigt. Die Spitzengeschwindigkeit eines Kategorie-5-Sturmes wurde bei Katrina mit 95 m/s gemessen – das entspricht 340 km/h, Formel-1-Tempo.
„Unsere Windturbinen sind auf eine Windgeschwindigkeit von 50 m/s ausgelegt, mit Böen bis 70 m/s“, sagt Felix Losada, Unternehmenssprecher des Hamburger Windkraft-Anlagenbauers Nordex. Das sei die Überlebenswindgeschwindigkeit.
Die Werte, die Nordex-Sprecher Losada nennt, sind Standard nach der IEC IA-Spezifikation in der Windindustrie. In der Regel würden die Turbinen aber noch „einen Tick stärker“ dimensioniert. Losada verweist auf einen Taifun in Südostasien mit ähnlich hohen Windgeschwindigkeiten wie an der amerikanischen Golfküste: „Unsere Maschinen sind dort stehen geblieben.“
Auch Siemens, Weltmarktführer im Offshore-Segment, sieht keinen Anlass zur Besorgnis. Technologievorstand Henrik Stiesdal gesteht zwar zu, dass die genannten Werte aus der IEC IA-Spezifikation „nur“ einem Hurrikan der Kategorie 3 entsprechen würden, betont aber: „Offshore-Windpower kann auch in Hurrikangebieten sinnvoll sein, wenn die Turbinen mit Einrichtungen versehen sind, die die Windlast mindern können.“
Nach Meinung von Siemens-Manager Stiesdal bedarf es signifikant höherer Windgeschwindigkeiten als die in der Spezifikation genannten Grenzwerte, um strukturelle Schäden hervorzurufen.
Windlastmindernde Einrichtungen begrenzen Schäden in Offshore-Windparks
Lastmindernde Einrichtungen sind in modernen Windturbinen die Regel. Gefährdet sind die Rotoren und der Turm. Die Windlasten, besonders die Böen, könnten die Rotorblätter abreißen und den Turm knicken.
Die Rotorblätter werden schon bei einer Windgeschwindigkeit von 30 m/s durch entsprechende Motoren in eine lastneutrale Position gedreht.
Ein Abknicken des Turmes würde den größeren Schaden bedeuten: Während die Rotorblätter relativ schnell zu ersetzen wären, erklärt Clark, sei das Abknicken des Turmes gleichbedeutend mit einem kompletten Wiederaufbau der Anlage.
Kann nicht passieren? Die Projektgruppe, die das Risikomodell entwickelte, rechnete verschiedene Konstellationen mit einem fiktiven 50-Anlagen-Windpark durch. Variiert haben die Wissenschaftler dabei Lage und Stärke des Hurrikans sowie die Stellung der Gondel zum Wind.
Schlimmstenfalls steht die Gondel nicht mit der Schmalseite zum Wind. Diese Gefahr wird häufig unterschätzt, meint Clark: „Die Windrichtung in einem Hurrikan wechselt oft schneller, als die Gondel sich drehen kann.“
Simuliert haben die Wissenschaftler die einmaligen Auswirkungen eines Hurrikans ebenso wie auch die über 20 Jahre kumulierten Schäden. Dabei stellte sich heraus, dass die beschriebene Fähigkeit, die Gondel schnell der Windrichtung anzupassen, entscheidend für die Schadenshöhe im Windpark ist (s. Kasten).
Berechnungen nach dem Modell zeigen: Die Gefahr eines Totalschadens wird von Herstellern und Projektierern entweder unterschätzt oder in Kauf genommen. Richtungsweisend könnten die Untersuchungen auch für Offshore-Projekte in Südostasien sein – die Taifune sind dort genauso gewalttätig wie ihre Verwandten in der Karibik.
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