Ozeanriesen: Die Offshore-Ära

"Cold Hawaii“, kaltes Hawaii, so nennen Windsurfer die 55 Kilometer lange norddänische Küste zwischen Hanstholm im Norden und Agger im Süden. Hier im Nationalpark Thy herrscht ein beständiger, kräftiger Westwind, den die Wassersportler lieben. 30 Kilometer östlich liegt ein Hot­spot für Windfans der anderen Art: Im Testzentrum in Østerild stehen sieben gewaltige Windkraftanlagen, die hier für ihren Offshore-Einsatz erprobt werden. Die größte davon, ein Modell von Siemens Gamesa, misst exakt 271,40 Meter und hat die 254 Meter hohe Storebælt-Brücke als höchstes Bauwerk Dänemarks abgelöst. Seit November wird sie für ihren kommerziellen Einsatz ab 2024 vorbereitet.

Solche Ansprüche lassen sich nur mit fundierter Forschungsarbeit bewältigen. „Nehmen Sie nur die Rotorblätter, sie werden immer größer“, sagt Christian Schmidt, der bei Evonik die Business Line Crosslinkers leitet. „Das bringt nicht erst bei Transport und Aufbau neue Herausforderungen mit sich, sondern schon in der Herstellung. Dafür haben wir maßgeschneiderte Produkte entwickelt.“

Rotorblätter sind inzwischen technische Hochleistungsprodukte aus verschiedenen Materialien. Die meisten von ihnen werden in zwei Halbschalen gefertigt. Die Blatt­hälften bestehen aus mit Vestamin IPD getränkten Glasfasermatten. Dieses Harz sorgt für die erforderliche mechanische Stabilität der Rotorblätter und für eine lange Lebensdauer im fertigen Flügel. Die Lebensdauer dieser Composite-Konstruktion lässt sich erhöhen, indem Siliziumdioxid-­Partikel direkt auf die Matten aufgebracht oder dem Infusionsharz beigemischt werden. Legt man 2.500 dieser von Evonik entwickelten winzigen Teilchen namens Nanopox übereinander, sind sie so dick wie ein menschliches Haar. So verstärkt, werden die Rotorhälften mit Stegen aus Carbonfasern verbunden. Dabei entstehen Hohlräume, die ausgeschäumt werden. Entscheidend ist hier vor allem das Gewicht. Evonik hat den Strukturschaum ­Rohacryl entwickelt, der mit minimaler Harzaufnahme und geringer Dichte maßgeschneidert für die Anforderungen der Windindustrie ist und so Designs ermöglicht, die Gewicht einsparen.

Fehlt noch der Lack. Stürme, Hagel, Sand und Salz in der Luft – vor all diesen extremen Einflüssen sollen die Rotoren gut  geschützt sein. Hier setzen viele Hersteller auf Lackierungen, in denen pyrogene Kieselsäuren von Evonik enthalten sind. Sie sorgen dafür, dass die schützende Farbe gleichmäßig dick aufgetragen werden kann. Zudem kommen dort spezielle Vernetzer zum Einsatz, die die Trocknung der Lacke beschleunigen und sie unempfindlicher gegen Wettereinflüsse machen.

Vor allem Ecken und Kanten der Blätter sind kritische Zonen. Die in Drehrichtung vorn liegende Kante, die sogenannte Leading Edge, schneidet an der Spitze mit bis zu 400 Kilometern pro Stunde durch die Luft. Daher wird dort ein schaumstoffartiger Schutz aus Polyurethanpolstern aufgetragen. Additive aus dem Baukasten von Evonik sorgen für die richtige Struktur. Ohne die Schutzpolster wären die Rotorblätter in kürzester Zeit beschädigt.

Nicht nur dort müssen die Offshore-Riesen funktionieren. Rund um den Globus entstehen zurzeit Windparks auf dem Meer. Allein 2021 stieg die weltweit produzierte Menge an Offshore-Windkraftstrom um mehr als 25 auf insgesamt 130,6 Terawattstunden. Die Siemens-Gamesa-Anlage, die derzeit in Dänemark getestet wird, soll im Windpark Sofia auf der Doggerbank vor der Nordostküste Großbritanniens zum Einsatz kommen. Von 2024 an werden hier insgesamt 100 Exemplare installiert mit einer Gesamtnennleistung von 1,4 Gigawatt – das entspricht der Leistung eines Atomkraftwerks. In unmittelbarer Nachbarschaft sollen auf dieser Untiefe, die Großbritannien mit dem europäischen Kontinent verbindet, weitere Projekte umgesetzt werden.

Schwimmende Windräder? Eine Vorstellung, die angesichts der Höhe und des Gewichts der Giganten abstrus erscheint. Verschiedene Konzepte werden jedoch bereits erprobt: zum einen solche, bei denen jedes Windrad auf einer Art riesiger Boje unter Wasser steht. Diese ist im oberen Teil mit Luft gefüllt, um Auftrieb zu haben, und hat im unteren ein Gegengewicht zum Windrad. Solche Konstruktionen kommen seit gut vier Jahren in einem Windpark rund 25 Kilometer vor der schottischen Küste zum Einsatz. Aufgrund ihrer Größe lassen sie sich nur auf hoher See zusammenbauen.

Die neuen Möglichkeiten bei Offshore-Anlagen machen die Nutzung der Windkraft auch für Staaten attraktiv, die bislang keinen Zugang zu erneuerbaren Energiequellen haben. Die Internationale Energieagentur (IEA) und die Internationale Agentur für erneuerbare Energien (IRENA) rechnen mit einer enormen Steigerungsrate bei der Stromerzeugung mittels Offshore-Windanlagen. Bis 2050 könnte die Kapazität weltweit auf 2000 Gigawatt anwachsen. Ende 2020 waren es nur etwas mehr als 35 Gigawatt.

Die Ziele gelten als ambitioniert. „In der westlichen Hemisphäre hat es bei Offshore-Windkraft noch nie etwas Derartiges gegeben“, sagte Mike Jacobs, Energieanalyst bei der Union of Concerned Scientists. Bis heute gibt es in Amerika ganze sieben Offshore-Windturbinen – fünf in einem Windpark vor Rhode Island und zwei weitere, die als Testanlagen in Virginia errichtet wurden. Bonnie Tully, die die Geschäfte von Evonik in den USA leitet, rechnet jetzt mit einem deutlichen Impuls für die größte Volkswirtschaft der Welt: „Die Windenergie wird ziemlich dynamische Auswirkungen haben. Sie hilft, die Kosten bei Lieferketten, Produktion und Bau niedrig zu halten.“

Die zweitgrößte Wirtschaftsmacht China setzt schon länger auf Windkraft, die installierte Leistung ist doppelt so hoch wie in den USA. Jahr für Jahr bricht die Volksrepublik neue Ausbaurekorde. Nach Berechnungen der Nachrichtenagentur Bloomberg baute China allein im Jahr 2020 rund 58 Gigawatt zusätzliche Windkraftleistung auf, das war mehr als die Hälfte aller weltweit neu in Betrieb gegangenen Anlagen. Entsprechend bedeutsam ist die heimische Windkraftbranche. Sieben der größten zehn Windradbauer kommen aus dem Reich der Mitte.

Evonik reagierte früh auf das Wachstum und eröffnete 2014 eine Isophorondiamin-Anlage in Schanghai. Mit der Isophoron-Chemie hat das Unternehmen aber schon viel Erfahrung. Sie ist bereits seit 60 Jahren im Einsatz und die wesentliche technologische Grundlage dafür, dass die Materialien in den Windrädern nicht brüchig oder spröde werden. Heute stellt Evonik Isophoron-Produkte auf drei Kontinenten her: Außer in der Anlage in Schanghai werden sie an den deutschen Standorten Marl und Herne, im belgischen Antwerpen und am größten US-Standort in Mobile, Alabama, produziert – seit Kurzem erstmals auch auf Basis nachwachsender Rohstoffe: Evonik hat ein Verfahren entwickelt, bei dem daraus das Vorprodukt Aceton hergestellt werden kann. Dies gehört zu den „eliminate CO₂“-Massenbilanzverfahren, mit denen bei Evonik fossile Kohlenstoffe durch regenerative oder recycelte ersetzt werden sollen 

Iris Zhen, die für Evonik von Schanghai aus die Crosslinkers-Geschäfte für China und Südostasien leitet, erwartet weiteres Wachstum: „China will bis 2060 kohlenstoffneutral werden. Der erste Schritt dazu ist, den Großteil des Stroms aus emissionsfreien und erneuerbaren Quellen zu erzeugen und so den Übergang zu nachhaltigen und sauberen Energiequellen und zu einer CO₂-freien Wirtschaft zu schaffen.“ Auch sie rechnet damit, dass die Windenergie in einer sauberen Energiezukunft eine entscheidende Rolle spielt, und erwartet, „dass Asien, vor allem China, die weltweite Windenergiebranche weiterhin dominieren wird“.

Dass CO₂-frei erzeugter Strom aus Windkraft der Umwelt dient, steht außer Frage. Doch wie ist es um die Haltbarkeit der Windräder bestellt und um ihre Entsorgung? „Unsere Windturbinen werden für eine Lebensdauer von mindestens 25 Jahren ausgelegt“, sagt Siemens-Gamesa-Manager Gerhardt. Vor allem die Rotorblätter bestimmen, wie langlebig eine Anlage ist. „Hier haben wir mit neuen Konzepten und Werkstoffen Fortschritte gemacht, die die Haltbarkeit unter den harschen Offshore-Bedingungen erheblich verbessert haben.“

Das Recycling sei bei Stahl, Beton und Metallen schon heute kein Problem, so der Windexperte. Schwieriger gestaltet sich die Wiederverwertung beim Rotorblatt. Der Flügel besteht aus einem Materialmix aus Kunststoff- und Carbonfasern sowie Balsaholz, die sich schwer voneinander trennen lassen. „Vor Kurzem ist es uns jedoch gelungen, mit dem RecycableBlade erstmals ein wirklich grünes Rotorblatt für den Offshore-Bereich auf den Markt zu bringen“, sagt Gerhardt.

Die Creavis, die strategische Innovationseinheit von Evonik, arbeitet in dieselbe Richtung und bündelt jetzt die Expertise aus verschiedenen Geschäftsbereichen, um die Windkraft zum Teil der Kreislaufwirtschaft zu machen. Schon jetzt ist etwa der Strukturschaum Rohacryl wiederverwendbar. Martin Gerhardts Zukunftspläne könnten somit Realität werden: „Unser Ziel ist es, 2040 nur noch Turbinen zu bauen, die vollständig recycelbar sind.“ Dann würden sich nicht nur die riesigen Rotoren möglichst lange im Kreis drehen, sondern auch die Materialien, aus denen sie gemacht sind.