Nachhaltige Offshore-Windkraftanlagen entwickeln Stärkste schwimmende Windturbine der Welt setzt erfolgreich Segel

Am 13. August startete OceanX, die weltweit größte schwimmende Windkraftplattform, ihre Reise von Guangzhou zum Offshore-Windpark Yangjiang Mingyang Qingzhou IV in Guangdong, China. Nach einem 191 m langen und mehr als 50 Stunden dauernden Schleppvorgang markiert die Ankunft der Plattform den Beginn einer neuen Ära der grünen Energie, die einen neuen Standard für die Offshore-Windkrafttechnologie setzen wird.

Diese, von der Mingyang Group entwickelte, schwimmende Windturbinenplattform ist V-förmig angeordnet und trägt zwei 8,3-MW-Offshore-Windturbinen. Mit einer Gesamtleistung von 16,6 MW kann sie in einer Vielzahl von Seegebieten auf der ganzen Welt mit einer Wassertiefe von mehr als 35 m eingesetzt werden.

Das Laufrad von OceanX erreicht an seinem höchsten Punkt eine Höhe von 219 m und eine maximale Breite von etwa 369 m in der Luft. Die gesamte Windturbinenplattform hat eine Gesamtverdrängung von 15.000 t und einen Schlepptiefgang von 5,5 m. Sobald sie in Betrieb ist, soll sie jährlich 54 Millionen kWh produzieren, genug, um 30.000 Drei-Personen-Haushalte ein Jahr lang mit Strom zu versorgen.

OceanX schwimmt auf hochmodernen Materialien

OceanX verbessert die Kernkomponententechnologie und treibt sowohl ästhetische als auch funktionale Verfeinerungen in Design und Herstellung voran. Das schwimmende Fundament ist die Schlüsselkomponente für schwimmende Windturbinen im Meer. Im Gegensatz zu herkömmlichen Schwimmfundamenten aus Stahl besteht das Schwimmfundament von OceanX aus drei Schwimmkörpern, Betonarmen und Verbindungsstücken.

Mingyang verwendet ultrahochfesten Beton mit einer Druckfestigkeit von mehr als 115 MPa für den Bau von Schwimmfundamenten, ein Material, das viermal stärker ist als Standardbeton und die Tragfähigkeit erheblich verbessert. Das schwimmende Fundament verwendet außerdem eine vorgespannte Struktur aus hochfestem Beton, die eine modulare und diskontinuierliche Herstellung ermöglicht und so die Baukosten erheblich senkt.

Mingyang setzte bei der Betonfertigteilkonstruktion die Caisson-Vorspanntechnik ein und legte dabei den Schwerpunkt auf die Abdichtung der Schnittstellen und die Präzision des Vorspannprozesses. Mit 1.500 Stahllitzen, die durch den Arm des Schwimmkörpers gefädelt wurden, konnten die Spannkräfte sorgfältig kontrolliert und eine gleichmäßige Spannung über die gesamte Endfläche der Konstruktion sichergestellt werden.

Modernes Schwimmerdesign

OceanX führt auch ein modernes Schwimmerdesign ein, bei dem geschichtetes Material anstelle von herkömmlichem Stahl oder Hybridmaterialien verwendet wird. Der Schwimmer ist leichter und passt sich der gekrümmten Form der Schwimmer an. Die drei stromlinienförmigen, ellipsenförmigen Schwimmer bieten einen geringeren Wellenwiderstand und ermöglichen eine seitliche Drehung.

Tests bestätigen, dass die stromlinienförmige Form ein geeignetes Gleichgewicht zwischen Stabilität und Tragfähigkeit herstellt. Durch die Unterbringung von zwei Windturbinen auf einer einzigen schwimmenden Plattform können die Kosten/kW deutlich gesenkt, sowie die benötigte Meeresfläche und die betrieblichen Wartungskosten reduziert werden.

Neuartiger „V“-Turm

OceanX zeichnet sich durch die Integration von zwei Türmen in einer V-Konfiguration aus, was ein Novum für Offshore-Windplattformen darstellt. Der Turm von OceanX maximiert die Windexposition entlang seiner längeren Achse mit seinem länglichen, elliptischen Design und übertrifft die der kürzeren Achse deutlich.

Durch die Ausrichtung des Turms in einem passenden Winkel zur Windrichtung wird die Fläche der Windplattform effektiv vergrößert, was eine schnellere Ausrichtung auf den Wind ermöglicht und die Effizienz der Windenergiegewinnung erhöht. Außerdem sind die Türme mit einem doppelten Zugangssystem für Aufzüge und Leitern ausgestattet, was den Komfort und die Sicherheit des Personals beim Auf- und Abstieg gewährleistet.

Neues Schrägseilsystem

Neben der Weiterentwicklung der Windturbinenform erweitert Mingyang auch die Grenzen der Anwendung des Schrägseilsystems, indem es weltweit zum ersten Mal in einer Windturbine installiert wird. OceanX hat das räumliche Gerüst seines Turmsystems genutzt und das weltweit größte Schrägseilsystem für hohe Beanspruchung integriert. Ein robustes Netzwerk aus 13 Haupt- und 6 Hilfskabeln spannt den Hauptrahmen, den Turm und das schwimmende Fundament effizient ab und schafft einen stabilen Spannmechanismus für die Komponenten der Windturbine.

Diese neuartige Schrägseilkonstruktion hat den Lastübertragungsweg herkömmlicher Windturbinen neu definiert. Anstatt dass der Turm die gesamten Laufrad- und Schwerkraftlasten trägt, verteilt das System die Schwerkraftlast des Turms auf die Spannseile, wobei der Turm nur noch einen Teil der Laufradlasten trägt. Diese strategische Umverteilung entlastet den Turm erheblich und ermöglicht eine schlanke und leichte Bauweise.

Um die 200 m langen Kabel mit einem Durchmesser von 18 cm nahtlos zwischen Windturbine, Turm und Schwimmern zu integrieren, setzt OceanX eine Kombination aus abgestufter Vorspannung, mehrdimensionaler Überwachung und synchronisierter Spannung ein. Dadurch wird sichergestellt, dass alle 13 Hauptkabel ihre individuellen Vorspannungsvorgaben erfüllen und bis zu einer maximalen Kraft von 350 t vorgespannt werden können, wodurch die strukturelle Integrität und Leistung des Windturbinensystems verbessert werden.

Windsammel-Design

Auf dem V-förmigen Turm sind zwei Hauptmotoren mit parallelen Laufrädern ausgestattet, die eine Fläche von mehr als 52.000 m² abdecken – das entspricht der Größe von sieben normalen Fußballfeldern. Da die Spitzen der Laufradschaufeln nur 5 m voneinander entfernt sind, optimiert dieses Design die Laufradneigung und die Windeffizienz und nutzt gleichzeitig die V-Form des Turms. Es gewährleistet die Sicherheit des Laufrads und verbessert sowohl die Winderfassung als auch die strukturelle Stabilität.

Beim Anfahren drehen sich die Laufräder in entgegengesetzte Richtungen, was die Windgeschwindigkeit im zentralen Bereich erhöht und die Stromerzeugung aus der kinetischen Energie der Luft um 4,29 Prozent im Vergleich zu einer einzelnen großen Turbine mit einer vergleichbaren Fläche steigert.

Im Kontext des gesamten Windparks können längere Blätter an einer einzelnen Turbine die nachgelagerte Turbine erheblich beeinträchtigen. OceanX setzt zwei kleine Windturbinen ein und nutzt den gekoppelten Wirbeleffekt der Gegenrotation, um die Effizienzverluste im gesamten Park zu verringern.

Ein-Punkt-Verankerungssystem

OceanX nutzt ein windabgewandtes Design, das den Blättern eine geringere Turmhöhe und eine größere Bewegungsfreiheit ermöglicht und durch die flexible und effiziente Nutzung der Windenergie die Effizienz der Anlage steigert. Angesichts extremer Taifunbedingungen müssen schwimmende Windturbinen von vornherein so konstruiert sein, dass sie 360-Grad-Taifunlasten standhalten, um Stabilität und Sicherheit zu gewährleisten. OceanX verwendet ein Ein-Punkt-Verankerungssystem, das es der Plattform ermöglicht, sich adaptiv der Taifunrichtung anzugleichen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Windturbine unabhängig von der Zugbahn des Taifuns stets dem einfallenden Wind ausgesetzt ist.

Damit das Verankerungssystem den Kräften eines Taifuns der Stärke 17 standhalten kann, müssen die hochpräzisen Großwälzlager des Turms eine außergewöhnliche Tragfähigkeit und eine hervorragende Unterwasserabdichtung bieten. Um den stabilen maritimen Betrieb von OceanX zu gewährleisten, hat Mingyang das Turmsystem unter Einhaltung strenger Normen und Präzisionsanforderungen sorgfältig montiert.

Die Daten zeigen, dass die Ein-Punkt-Verankerung die Belastung der Tragstruktur um 40 Prozent reduziert und damit die Sicherheit und Stabilität der Windturbine unter Taifunbedingungen erheblich verbessert. Die Implementierung dieser Technologie steigert die Standardisierung und Effizienz des Onshore-Betriebs von Schiffs- und Technikanlagen. OceanX ist auch in der Lage, den Gesamtzustand der Turbine zu verwalten, um die Effizienz der Stromerzeugung zu verbessern und die Wartungskosten zu senken, wodurch die Stromgestehungskosten unter verschiedenen Umweltbedingungen reduziert werden können.

Mingyangs Suche nach wirtschaftlicher Offshore-Windenergie

Im April 2020 wurde der Prototyp der schwimmenden Doppelrotor-Windturbinenplattform OceanX im Maßstab 1:10 im Steinbruchsee in Deutschland zu Wasser gelassen. Im Oktober hatte sie einen zweimonatigen Offshore-Einsatz in der Ostsee hinter sich, bei dem sie Windgeschwindigkeiten von 72 m/s und 30 m hohen Wellen ausgesetzt war, und erhielt ein Zertifikat von DNV.

Mingyang hat die Grenzen der Offshore-Windkrafttechnologie erweitert, von der taifunsicheren Windkraft über große Offshore-Megawatt-Anlagen bis hin zur Navigation von schwimmenden Tiefseeturbinen. Die jüngsten Fortschritte bei der schwimmenden Tiefseewindkraft setzen neue Maßstäbe für die Erforschung des Ozeans durch den Menschen und senken gleichzeitig die Kosten pro kWh, um die Offshore-Windkraft erschwinglicher zu machen.

Als Unternehmen in der globalen Neuheiten im Bereich der sauberen Energie ist Mingyang bestrebt, Durchbrüche in der Meeresenergietechnik zu erzielen. Mingyang ist bestrebt, Neuerungen in der Branche voranzutreiben, die Entwicklung nachhaltiger Offshore-Windkraftanlagen zu beschleunigen und die umweltfreundliche Übertragung weltweit zu erleichtern.