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16. Jun. 15

Tausende von Tonnen Stahl werden bei der Errichtung eines kompletten Offshore-Windparks verbaut.

Stahlkolosse im Wellenbad

Stahl ist ein seit langem vertrauter, zuverlässiger Werkstoff. Man kann sich auf ihn verlassen. Für die Anlagen, die Windenergie zuverlässig in Strom umwandeln, ist es der weitaus wichtigste Werkstoff.

Tausende von Tonnen Stahl werden bei der Errichtung eines kompletten Offshore-Windparks verbaut.

Wenn man eine Windkraftanlage in ihre Bestandteile zerlegt, dann stellt sich heraus, dass sie zu über 90 Prozent aus Stahl besteht. Noch größer ist der Stahlanteil einer Offshore-Windkraftanlage, weil die Gründungsstruktur ebenfalls aus diesem bewährten Werkstoff besteht. In der Ostsee sind wegen der geringen Wassertiefe auch Betonfundamente möglich, aber das sind Ausnahmen.

Ein Stahlfundament wiegt je nach Wassertiefe zwischen 500 und 1.000 Tonnen. In Wassertiefen bis 30 Meter kommen überwiegend Monopiles zum Einsatz und bis 50 Meter Wassertiefe meist Jackets, deren Masse nicht nur von der Wassertiefe, sondern auch von der Konstruktion abhängt und daher sehr unterschiedlich ausfällt.

Wenn wir uns auf die einfachste und bei weitem häufigste Gründung beschränken, dann haben wir ein Monopile vor Augen, also ein Stahlrohr, das bis zu 40 Meter tief in den Meeresboden gerammt wird und zwischen 500 und 950 Tonnen wiegt.

Auf den Monopile wird wird ein rund 150 Tonnen schweres Übergangsstück (Transition Piece) geschoben, damit der Turm der Windkraftanlage auf eine völlig waagerechte Plattform gestellt werden kann.

Bevor die eigentliche Installation der Windkraftanlage beginnt, sind also schon zwischen 650 und 1.100 Tonnen Stahl verbaut worden. Auch im folgenden Bauabschnitt bleibt Stahl der vorherrschende Werkstoff.

Der Turm (250 bis 350 Tonnen) besteht aus Stahl, die Gondel (150 bis 300 Tonnen) überwiegend aus Stahl und der Rotor etwa zur Hälfte, weil die Nabe allein 50 bis 70 Tonnen wiegt. Aus Stahl bestehen auch die rund 500 Schrauben, die Monopile, Turmsegmente, Gondel und Rotor zu einem Ganzen verbinden.

Mehr als tausend Tonnen Stahl

Die komplette Offshore-Anlage – vom unteren Ende des tief im Meeresboden steckenden Monopiles bis zur Rotorblattspitze – besteht zu 98 Prozent aus Stahl, die Windkraftanlage allein zu etwa 90 Prozent.

Der Werkstoff mit dem zweitgrößten Gewichtsanteil ist glasfaserverstärkter Kunststoff (GfK), der im Wesentlichen aus zwei Komponenten besteht: Polyamid als Fasermaterial und Epoxydharz als Klebstoff.

Extrem lange Rotorblätter werden durch kohlefaserverstärkten Kunststoff (CfK) verstärkt. Als Füllstoff kommt häufig Balsaholz zum Einsatz. Daraus werden die Rotorblätter gefertigt, die möglichst leicht sein sollen und daher trotz ihrer beeindruckenden Abmessungen nur einen Gewichtsanteil von 6 bis 7 Prozent haben.

Eine Oberflächenbeschichtung aus Polyesterharz schützt als Gelcoat das empfindliche Rotorblatt vor allen Wettereinflüssen. 

Der eigentliche Zweck der Windkraftanlage ist die Stromerzeugung, und dafür braucht man Kupfer, das sich im Generator und in den Stellmotoren verbirgt, die die Gondel mit Rotor in den Wind drehen.

Außerdem steckt Kupfer in den drei Motoren, die die drei Rotorblätter in ihrer Längsachse drehen und dadurch die Leistung entsprechend der Windgeschwindigkeit regeln. Relativ viel Kupfer braucht die Wicklung des Transformators, der die Windkraftanlage mit dem Mittelspannungsnetz des Windparks verbindet.

Mit anderen Worten: Der gesamte „Blutkreislauf“ und das „Nervensystem“ einer Windkraftanlage besteht aus Kupfer, also auch die stromabführenden Kabel und die feinen Leitungen, die alle wichtigen Signale übertragen. Es sind Hunderte Kabel, doch in der Summe sind es immerhin fünf Tonnen Kupfer.

Die Summe der Massenanteile der drei häufigsten Werkstoffe (Stahl, GfK und Kupfer) ergibt bereits rund 98 Prozent. Von den 2 Prozent, die noch übrig bleiben, beansprucht Aluminium den größten Anteil, und zwar als Bestandteil des Transformators und spezieller Kabel sowie im Turm (Kabelführungen und Aufstiegshilfe), im Getriebe und in den Rotorblättern – jeweils in relativ kleinen Mengen.

Die Materialwelt einer Offshore-Windkraftanlage ist aber noch vielfältiger. Gummi wird für Dichtungen und Schwingungsdämpfer benötigt, Kunststoff vor allem für die Ummantelung der Kabel und als Bestandteil der Farbe, mit der alle Stahlteile und die Rotorblätter beschichtet sind.

Mit einem winzigen Anteil, aber mit herausragender Bedeutung, kommen Schmiermittel zum Einsatz. Vor allem Getriebeöl und Fette sorgen für einen reibungslosen Betrieb. Hydrauliköl wird für die Scheibenbremse gebraucht.

Übrigens ist nur eine kleine Menge Beton erforderlich. Dieser Werkstoff wird nur noch benötigt, um den Zwischenraum zwischen Monopile und Transition Piece zu verfüllen. Eine verschwindend geringe Menge im Vergleich mit dem Fundament, das eine Windkraftanlage an Land benötigt.

Die vielfältige Materialwelt einer Windkraftanlage verbirgt sich in Turm und Gondel. Ganz unten stehen die Schaltschränke, der Umrichter und der Trafo, daneben die Feuerlöscher.

Für den Ernstfall stehen eine Schlafkoje und eine Notration bereit. Eine Leiter führt zur ersten Plattform hinauf, und von dort geht es mit dem Fahrstuhl nach oben, immer an den drei Kabeln entlang, die den vom Generator erzeugten Strom nach unten ableiten.

Nach dem Durchstieg vom Turm in die Gondel steht man vor dem Triebstrang, der aus Hauptwelle, Getriebe und Generator besteht. Um diese mächtige Konstruktion herum gruppieren sich das Hydrauliksystem, kleine Schaltschränke und die Gasflaschen der Feuerlöscheinrichtung.

Eine kurze Leiter führt hinauf auf das Gondeldach. Der phantastische Ausblick aufs Meer wird nur durch wenige Installationen eingeschränkt: Der große Kühler am Heck der Gondel wird von Wasser durchströmt, das die Wärme aus dem Generator abführt.

Auf relativ zierlichen Gestellen stehen die beiden Windmessgeräte und die Windfahnen, und außerdem sind dort oben auf der Gondel auch die roten LED-Blitzlampen installiert, die nachts als Hindernisbefeuerung dienen und Schiffe und Flugzeuge warnen. Diese vielen kleinen Installationen haben einen Gewichtsanteil von deutlich unter einem Promille, aber sie sind für den Betrieb unverzichtbar.

Fast alles kommt aus Europa

Die Offshore-Windenergie soll uns unabhängiger machen vom Import fossiler Rohstoffe. Aber die bisher noch große Abhängigkeit soll nicht eingetauscht werden durch neue Abhängigkeiten, und deshalb ist es wichtig, die Materialwelt auch in dieser Hinsicht zu durchleuchten.

Stahl ist das geringste Problem, denn die europäische Stahlerzeugung ist nicht ausgelastet und die Rohstoffversorgung wird ist auf lange Zeit gesichert, denn Stahlschrott ist in Europa reichlich vorhanden. Stahl ist ein gutes Beispiel für einen geschlossenen Materialkreislauf und gilt daher als idealer Rohstoff für nachhaltige Stromversorgungssysteme.

Kupfer wird in Europa nur in geringen Mengen gefördert und muss deshalb aus Nord- und Südamerika und Australien importiert werden. In diesem Fall ist die Abhängigkeit von Importen sehr groß, und deshalb ist das Recycling von Kupfer von großer Bedeutung.

Eine Energieversorgung ist nur dann nachhaltig, wenn die Ökobilanz stimmt. Die Betrachtung des gesamten Prozesses „von der Wiege bis zur Bahre“ schließt die Herstellung der Werkstoffe, die Fertigung der Komponenten und ihr Transport zur Baustelle im Meer, die Betriebsphase und schließlich den Abbau ein. Dadurch entsteht direkt oder indirekt Kohlendioxid, das auf der Habenseite ausgeglichen werden muss; also dadurch, dass der Windpark 20 Jahre lang Strom produziert und Kohlendioxid aus Kohlekraftwerken einspart.

Der Windpark „Alpha Ventus“, der seit 2010 nördlich von Borkum Strom produziert, wurde bisher am genauesten untersucht; mit dem Ergebnis, dass die „Energierücklaufzeit“ weniger als ein Jahr dauert. Das bedeutet, dass dieser Offshore-Windpark nicht einmal zwölf Monate braucht, um den gesamten Kohlendioxidausstoß, der während der Errichtungsphase verursacht wurde, wieder einzusparen.

Vorteilhaft ist der geringe Beton-Anteil der Offshore-Windparks, denn die Herstellung von Beton verursacht besonders viel Kohlendioxid. Außerdem macht es sich positiv bemerkbar, wenn für die Herstellung der Komponenten Stahl- und Kupferschrott verwendet wird, denn dann wird die aufwendige Verhüttung eingespart.

Iris Franco Fratini
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