Seit 2010 ist die Windenergie weltweit nachhaltig gewachsen, wobei die durch Offshore-Wind erzeugte Energiemenge um zugenommen hat fast 30% jedes Jahr. Länder auf der ganzen Welt müssen die Versorgung mit erneuerbaren Energien schnell ausbauen, um die wachsende Nachfrage zu befriedigen und die Emissionen rasch zu senken. Trotz dieser Dringlichkeit liefert Offshore-Wind derzeit weniger als 1% der weltweiten Stromversorgung.
Viele der besten Flachwasserstandorte für den Bau von Windparks werden entwickelt. Das Potenzial von Offshore-Windenergie ist jedoch nach dem nachstehenden Diagramm der weltweit installierten Kapazität noch weitgehend ungenutzt.
Onshore- und Offshore-Windkapazität
Schlüssel: Offshore-Wind = hellgrau und Onshore-Wind = dunkelgrau. IRENA, Autor zur Verfügung gestellt
Der Grund für dieses ungenutzte Potenzial ist der folgende 80% des Windes Schläge ununterbrochen weiter vor der Küste - in Wasser tiefer als 60 Meter, wo im Meeresboden eingebettete Turbinen schwierig zu bauen sind.
Die Lösung könnten schwimmende Offshore-Windparks sein. Was hält sie zurück?
Schwimmender Offshore-Wind
Alle bis auf eine Handvoll vorhandener Offshore-Windkraftanlagen sind durch ein festes Fundament am Meeresboden befestigt - meist ein großer Stahlrohrpfahl, der über dem Meeresboden zum Turbinenmast übergeht. Diese sogenannten Festbodenturbinen sind auf Wassertiefen von 50 oder 60 Metern begrenzt.
Aber aktuelle Projekte, einschließlich Hywind vor der Küste Schottlands und Windschwimmer Zeigen Sie vor Portugal, dass es möglich ist, schwimmende Windkraftanlagen zu bauen. Eine einzelne Sechs-Megawatt-Turbine - wie sie in der Hywind-Farm verwendet wird - kann genug Strom erzeugen, um 4,000 britische Haushalte mit Strom zu versorgen.
Aber um gleichwertigen Haushaltsstrom für eine Weltbevölkerung von 9 Milliarden von 2050 Dies würde etwa eine halbe Million Offshore-Windkraftanlagen erfordern - eine 100-fache Steigerung der derzeitigen Anzahl - sowie die zusätzliche Kapazität zur Stromversorgung für den künftigen Energiebedarf.
Schwimmende Windparks sind zwar technisch machbar, aber wirtschaftlich nicht rentabel. Offshore alles zu tun ist teuer. Für den Bau eines 15-Gigawatt-Windparks mit festem Boden liegen die Kosten für die Durchführung der erforderlichen Standortuntersuchung in der Größenordnung von 650 Mio. GBP. Die Installation und Inbetriebnahme der Farm würde etwa 75 Mio. GBP betragen, während die laufenden Kosten für Betrieb und Wartung etwa 25 Mio. GBP pro Jahr betragen würden. Am Ende seiner Lebensdauer, die etwa 300 Jahre betragen kann, sind weitere XNUMX Millionen Pfund für die Stilllegung erforderlich.
Schwimmende Windparks, die sich noch in den Anfängen ihres Designs und ihrer Technologie befinden, sind noch teurer. Während der Preis für die Lieferung von Offshore-Windenergie im Jahr 2019 zwischen 36 und 45 GBP pro MWh Strom lag, werden die aktuellen Auktionen für schwimmenden Wind zu Preisen angeboten mehr als doppelt so viel.
Offshore-Strukturen sind auch sehr groß. Die Hywind-Sechs-Megawatt-Turbinen haben einen Durchmesser von 154 Metern - jedes Blatt hat die gleiche Länge wie eine Flügelspannweite eines A380-Flugzeugs. Die 10-Megawatt-Turbine von Siemens Gamesa hat einen Rotordurchmesser von 193 Metern, während die 15-Megawatt-Referenzturbine des US National Renewable Energy Laboratory einen Durchmesser von 240 Metern hat. Der Bau, die Installation, der Betrieb, die Überwachung, die Wartung und die Stilllegung von Infrastrukturen dieser Größenordnung im Meer sind keine triviale Aufgabe.
Zwei der fünf Turbinen des ersten schwimmenden Windparks der Welt, Hywind Scotland. Terje Aase / Shutterstock
Während Energieunternehmen oft weit draußen auf See bauen, produziert eine einzelne schwimmende Windkraftanlage viel weniger Energie als eine einzelne Offshore-Öl- oder Gasbohrinsel. Je nach Größe beider Strukturen kann es über die Lebensdauer im Bereich von 1,000-mal weniger liegen. Für den gleichen Energieertrag aus erneuerbaren Energien wird also viel mehr Infrastruktur benötigt. Wenn eine Offshore-Windkraftanlage auf See aufgestellt und dort gehalten wird, muss sie viel billiger werden, um die Kosten für die Energieerzeugung aus Offshore-Öl oder -Gas zu decken.
Aus der traditionellen Offshore-Technik kann viel gelernt werden, um beim Übergang zu erneuerbaren Energien zu helfen. Die notwendigen Kostensenkungen können jedoch nicht erreicht werden, indem mehr davon getan oder die Effizienz bestehender Methoden und Technologien geschärft wird.
Technische Lösungen
Aus diesem Grund werden wahrscheinlich neue Technologien erforderlich sein, um schwimmende Windparks kostengünstig zu machen. Beispielsweise könnte der Einsatz von Robotern und anderen autonomen Technologien zur Steuerung von Offshore-Engineering-Aktivitäten - von der Untersuchung des Meeresbodens bis zum Betrieb, der Inspektion und Wartung einer schwimmenden Windkraftanlage - das Risiko für die Arbeitnehmer verringern und eine effizientere Steuerung dieser komplexen Systeme ermöglichen.
Routineinspektionen von Offshore-Windparks durch Menschen wären unpraktisch für die enormen Entwicklungen, die heute gebaut werden, und sicherlich für die in Zukunft geplanten. Intelligente Sensoren, die in alle Teile eines schwimmenden Windparks eingebaut sind, können kontinuierlich beurteilen, wie es der Struktur geht.
Maschinelles Lernen - der Daten verwendet, um Computern beizubringen, selbst Entscheidungen zu treffen - könnte verwendet werden, um uns den effizientesten Anker während des Entwurfs zu nennen, oder wenn eine Festmacherleine während des Betriebs einem Ausfallrisiko ausgesetzt sein könnte.
Beim maschinellen Lernen können bereits Wetterdaten verwendet werden, um die Positionen der Turbinenschaufeln zu steuern, um zu maximieren, wie viel Energie sie erzeugen, oder um Schäden bei starkem Wind oder Sturm zu verhindern. Neue Methoden Durch die Kombination von Physik mit maschinellem Lernen können zuverlässige Vorhersagen mit weniger Daten getroffen werden. Dies ist vor der Küste nützlich, wenn es schwierig sein kann, Daten zu sammeln.
Als die britische Regierung beginnt ein Anfrage Offshore-Wind ist die erste Anlaufstelle für technologische Innovationen, die den Klimawandel bekämpfen könnten. Mit Investitionen in die Technologie der Zukunft könnten schwimmende Windparks dazu beitragen, die Kapazität des Landes und der Welt für erneuerbare Energien zu erhöhen.
Susan Gourvenec, Lehrstuhl der Royal Academy of Engineering für aufstrebende Technologien - Intelligente und belastbare Meerestechnik, University of Southampton
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