Schwimmende Windkraft: Multi

Aug 02, 2023

Die Mehrfachnutzung des Meeresraums ist ein großer Trend in der blauen Wirtschaft. Bei schwimmenden Offshore-Windkraftanlagen würde die Möglichkeit, den Raum mit anderen Aktivitäten zu teilen, das Wachstum beschleunigen. Die meisten Technologien sind jedoch nicht mit der Mehrfachnutzung kompatibel. In diesem dritten Artikel einer Reihe erklären wir, wie W2Power durch seine überlegenen Mehrzweckfähigkeiten wirtschaftliches und ökologisches Aufwärtspotenzial bietet.

In zwei früheren Artikeln1,2 wurden die wichtigsten Vorteile der schwimmenden Windkraftlösung W2Power von Enerocean zusammengefasst und erläutert, wie sie einen attraktiven Weg für kostengünstige Offshore-Windkraftentwicklungen darstellt. In einem aktuellen Übersichtsartikel3 wird der Status aller auf See getesteten schwimmenden Windtechnologien verglichen. W2Power qualifizierte sich 2019 durch unseren TRL 6-Prototyp, und heute baut Enerocean einen Demonstrator in Originalgröße in einem Hafen, der TRL 7 markieren wird.

Die Autoren der Rezension konzentrierten sich auf zwei Designfaktoren für schwebenden Wind: Stabilität und Kosteneffizienz. Im vorliegenden Artikel stellen wir fest, dass W2Power seine Designziele in beiden wesentlichen Aspekten erreicht hat, und heben sein wirtschaftliches Aufwärtspotenzial durch Mehrfachnutzung hervor.

Wir schlagen Multi-Use als zusätzliche Klasse von Designtreibern vor. Dies könnte einen Mehrwert für Entwickler, Investoren und alle Interessengruppen schaffen und gleichzeitig das Meeresökosystem schützen. Mit der zunehmenden Rolle der maritimen Raumplanung (MSP) werden Mehrfachnutzungsmöglichkeiten immer wichtiger. Die Fähigkeit, sich an andere Nutzungen des Meeresraums anzupassen oder diese sogar zu erleichtern, könnte somit zu einem Unterscheidungsmerkmal erfolgreicher Technologien werden. Abb. 1 fasst einige der Mehrzweckanwendungen für W2Power zusammen, die von Anfang an mit Blick auf die Mehrfachnutzung entwickelt wurden.

Die Erzeugung von Strom aus einer zusätzlichen erneuerbaren Quelle kann zu einem höheren Kapazitätsfaktor und kürzeren Perioden geringer Produktion führen. Solarressourcen auf See stehen in keinem Zusammenhang mit Wind, und das Interesse an schwimmender Solarenergie wird durch die Kosteneffizienz der Photovoltaik angetrieben. Designstudien zeigen, dass mit dem heutigen W2Power 350–375 kW PV-Strom erzeugt werden können.

Durch die Unterstützung der PV-Module, der Verkabelung und der Elektronik auf dem Floater werden die Investitionsausgaben (CapEx) gesenkt, während weniger Meerwasserkorrosion die Betriebsausgaben (OpEx) im Vergleich zu separaten schwimmenden Solaranlagen senkt. Der PV-Strom kann über das gleiche Kabel, den gleichen Netzanschlusspunkt und die gleiche Umspannstation exportiert werden, oder es könnten dedizierte PV-Wechselrichter für die Nutzung an Bord behalten werden.

Die Wellenressourcen in den meisten Tiefseegebieten werden von Meereswellen dominiert, die nur schwach mit lokalen Winden korrelieren. Daher könnte Wellenenergie aus einer hybriden Wind-/Wellenplattform einen höheren Marktwert haben. Darüber hinaus war die Nutzung der Wellenenergie ein ursprüngliches Designziel für W2Power4 und war ein Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung (F&E) unter Verwendung unserer proprietären Wellenenergiekonverter. Die Größe der Plattform ermöglicht die erforderliche Einfanglänge für Wellen, während die nahezu symmetrische Konfiguration der WEC-Arrays die Wellenenergiegewinnung weitgehend omnidirektional ermöglicht.

Technische Studien für verschiedene Standorte zeigen, dass W2Power bei besten Wellenbedingungen bis zu 3 MW aus Wellen erzeugen könnte, zusätzlich zu seiner aktuellen branchenführenden Nennleistung von 20 MW aus Wind. Wenn es realisiert würde, wäre es das leistungsstärkste Wellenenergiegerät, das jemals gebaut wurde. Es wäre auch ein äußerst wirtschaftliches Wellenenergiegerät, da die Unterstützung und Stationierung der WECs sowie die Steuerung und der Stromexport von der Plattform übernommen werden (siehe Abb. 2).

Mit W2Power erstrecken sich die Mehrzweckvorteile auch auf die Stromaufbereitung und den Export. Eine attraktive Option ist der Einbau einer Bordnetzstation. Herkömmliche Offshore-Umspannwerke erfordern eine spezielle feste Unterstützung, und anderen Halbtauch- oder Holm-basierten Schwimmern fehlt der Platz oder die Tragfähigkeit. Enerocean-Designstudien zu einem leichten, flexiblen modularen Umspannwerkstyp, der kommerzialisiert wird5, zeigen, dass es ohne massive Verstärkung des Schwimmkörpers auf der Bugsäule angebracht werden könnte. Dies würde insbesondere eine kontinuierliche Windenergieproduktion aus der W2Power/Umspannwerk-Einheit ermöglichen.

Neben der Stromerzeugung kann die Mehrfachnutzung auch andere Aktivitäten auf See umfassen, um den Geschäftsvorteil weiter zu verbessern. Dazu gehören Energiespeicherung und Meerwasserentsalzung. In den letzten Jahren stieß auch die Herstellung von „grünem“ Wasserstoff durch Elektrolyse auf großes Interesse. Der Nutzen der Offshore-Implementierung von „Power-to-X“-Technologien hängt von den zusätzlichen Kosten und Risiken des Betriebs auf See ab. Die Herausforderung ist umso größer, je komplexer der Offshore-Prozess ist.

Enerocean hat einen auf Druckluft basierenden Energiespeicherprozess entwickelt, der sich gut für Offshore-Anwendungen eignet. Darüber hinaus haben wir festgestellt, dass die Verwendung von W2Power als Basis für die Offshore-Marikultur besonders attraktiv ist, da unser Schwimmerdesign sehr große kommerzielle Fischkäfige tragen kann.

Marikultur ist die Zucht von Fischen, Schalentieren, Weichtieren und Algen für den menschlichen Verzehr. Der globale Aquakulturmarkt (einschließlich Süßwasser) belief sich im Jahr 2022 auf 289,6 Milliarden US-Dollar, was dem Achtfachen des Marktes für Offshore-Windenergie entspricht, und soll bis 2030 420 Milliarden US-Dollar überschreiten.6 Die Branche sucht nach neuen Technologien, um die Produktion zu verbessern und die Umweltauswirkungen zu reduzieren. Ein Trend geht dahin, ins Ausland zu gehen, um eine höhere Produktion ohne mehr Umweltverschmutzung zu ermöglichen.7 Bisher fehlte jedoch das fehlende Glied in einem Mangel an Technologien, um den härteren Bedingungen standzuhalten.

Enerocean hat eine proprietäre Technologie zur Verankerung sehr großer Fischkäfige am Schwimmer erfunden, die erhebliche Kosteneinsparungen ermöglicht. Im Rahmen der von der EU geförderten Forschung und Entwicklung, an der Enerocean beteiligt war, wurden verschiedene Mehrfachanwendungsfälle systematisch untersucht.8 W2Power mit einem Fischkäfig wurde in Tanktests auf TRL 4 und kürzlich durch Tests im offenen Meer auf TRL 6 entwickelt (Abb. 3). Dies ist weltweit der erste Fall einer schwimmenden Windplattform mit integriertem, voll funktionsfähigem Fischkäfig, der erfolgreich auf See getestet wurde.

Die Tests auf See haben alle zugrunde liegenden physikalischen und technischen Prinzipien für die innovativen Systeme zur Steuerung des Fischkäfigs, des Internal Cage Mooring (ICM) und des Cage Insertion & Removal (CIR) nachgewiesen. Diese sind in Abb. 3 nicht dargestellt, da sie unter IP-Schutz stehen. Die sechs Wochen auf See beinhalteten lange Perioden mit Wellen mit gleichwertiger Belastung, die weit über die Konstruktionsspezifikationen eines frei schwimmenden Fischkäfigs hinausgingen. Durch den Einsatz hochmoderner Lastüberwachungszellen für Festmacherleinen am ICM konnten Lasten erzielt werden, die weit innerhalb des Systemdesignrahmens lagen.

Im vollen Maßstab sind die Einflüsse des Fischkäfigs auf die Stabilität des Schwimmkörpers wahrscheinlich gering. Diese Ergebnisse zeigen, dass die W2Power-Plattform dem Fischkäfig hervorragende Stabilität und Halt bietet. Die Kosten und Risiken für Marikulturbetreiber bei der Verlagerung in Offshore-Gewässer können drastisch reduziert werden.

Zuvor wurde eine Methodik zur Bewertung schwimmender Mehrzweck-Windenergietechnologien auf See entwickelt, die eine „Synergiegleichung“ zur Darstellung der zusätzlichen Kosten integrierter im Vergleich zu separaten Installationen auf See verwendet.9 Basierend auf verfeinerten Versionen davon wurden spezifische Geschäftsfälle entwickelt und analysiert Detail für ein früheres W2Power-Design (12 MW) mit einem kommerziellen, sehr großen Fischkäfig.

Die Stapeldichte, die Fischzuchtzyklen und die Wachstumsraten aus Industriequellen wurden konservativ angepasst. Die Ergebnisse für eine wichtige kommerzielle und eine aufstrebende Art deuten darauf hin, dass die Bruttoeinnahmen aus dem Fischverkauf in der gleichen Größenordnung oder sogar höher sein könnten als die aus dem Stromverkauf, während die zusätzlichen Investitionsausgaben für die Unterbringung des Fischkäfigs auf W2Power innerhalb der Fehlergrenze lagen von 5-10 %.

Zwei offensichtliche zukünftige Herausforderungen bestehen darin, den Bedürfnissen von Investoren sowohl im Energie- als auch im Marikultursektor gerecht zu werden und den sicheren Betrieb von Fischfarmen mit der „normalerweise nicht bemannten“ Natur der Offshore-Windenergie in Einklang zu bringen. Der wirtschaftliche Aufschwung ist jedoch so groß, dass diese Probleme wahrscheinlich gelöst werden.

Zusammenfassend zeigt dieser Artikel, dass die überlegene Kosteneffizienz von W2Power durch die Realisierung einer attraktiven Mehrfachnutzung noch wettbewerbsfähiger werden kann, und bietet zusätzliche Einblicke, wie der Einsatz eines skalierten Prototyps auf See als reale Innovationsplattform nützlich sein kann.

Bitte beachten Sie, dass dieser Artikel auch in der fünfzehnten Ausgabe unserer vierteljährlichen Publikation erscheinen wird.

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