Wie sieht die Zukunft der Windenergie aus? Höher, stabiler, leichter: Forscherin setzt auf Anlagen im Maßstab XXL
Hannover: Wissenschaftspark Marienweder | Immer höher in den Himmel ragen sollen die Windkraftanlagen der nächsten Generation, denn dort könnten sie wegen des stärkeren Winds dauerhaft mehr Energie erzeugen: Die technischen Herausforderungen dieser Aufgabe werden derzeit in einem Institut erforscht, das auf der Grenze zwischen Hannover und Garbsen angesiedelt ist.
Am Institut für Integrierte Produktion Hannover, kurz IPH im Wissenschaftspark Marienwerder, forscht die junge Maschinenbauingenieurin Mona Goudarzi (29), wie mit neuen Materialien die Türme der Windräder bis circa 200 Meter hoch gebaut werden können. Zu kämpfen haben die Forscher mit den Kräften der Natur: Denn Wind und Schwerkraft würden im konventionellen Stil gebaute Türme wegen des immensen Eigengewichts zum Einstürzen bringen.
Rund acht Monate nach der Nuklearkatastrophe von Fukushima und der deutschen Kehrtwende in der Energiepolitik ruhen viele Hoffnungen auf der Windkraft. Das sogenannte Repowering ist in aller Munde. Alte Standorte mit neuer Technik effizienter zu gestalten verspricht ein großes Leistungspotenzial. Erste Prototypen der leistungsstärkeren Generation von Windrädern – die Multi-Megawatt-Generation mit sechs Megawatt Nennleistung – werden derzeit in Niedersachen gebaut. Doch die hannoversche Wissenschaftlerin Mona Goudarzis vom Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) in Marienwerder hält noch mehr Leistung für realistisch. „Wir wollen das heute Machbare übertreffen“, sagt die 29-jährige Diplom-Ingenieurin. Sie ist sich sicher: „Bis zu zehn Megawatt Leistung sind möglich.“
Der Weg dorthin klingt in der Theorie denkbar simpel: In größeren Höhen weht ein stärkerer und vor allem konstanterer Wind. Die Anlagen müssen also einfach höher gebaut werden. Doch das ist leichter gesagt als getan. Heutige Windenergieanlagen übertreffen selten die Marke von 140 Metern. Grund ist, dass sich Anlagenhersteller mit den Kräften der Natur messen müssen. Das größte Problem bei höheren Turmbauten ist das zunehmende Gewicht der Stahlrohrsegmente oder Betonteile. Türme mit einer Höhe von 120 Metern wiegen zusammen mit Gondel und Rotor bereits heute zwischen 1000 und 3500 Tonnen, je nach Material. Wind und Schwerkraft würden konventionell gebaute 200-Meter-Türme deshalb aufgrund des immensen Eigengewichts zum Einsturz bringen. Hinzu kommen Probleme beim Transport und Aufbau der XXL-Masten.
Die Lösung liegt für Goudarzi in der Kombination von neuen Strukturen und Werkstoffen aus dem Bereich Leichtbau. In ihrem Forschungsprojekt geht es darum, mithilfe aufwendiger Berechnungen und Computersimulationen neue Turmkonstruktionen zu entwickeln. Dank innovativer Leichtbaukonzepte soll die Masse der Türme reduziert werden, ohne dass sie dabei an Stabilität verlieren. „Hochfeste Spezialstähle sind steifer als klassische Stahlwerkstoffe und können dünner verarbeitet werden. Dadurch bleiben sie leichter“, verrät die ehrgeizige Projektingenieurin. Hoffnung setzt sie auch auf sogenannte Sandwichstrukturen, die bereits im Automobilbau für leichtere Bauformen sorgen. Dabei werden die Turmsegmente aus einem innen und einem außen liegenden Stahlband gebildet; in den Zwischenraum kommt ein anderes Material. In jüngster Zeit wurde hier vor allem zu Polymeren geforscht. Am IPH wird auch daran gedacht, das Material für den Zwischenraum in Bienenwabenstruktur zu bringen. Die sechseckige Form ist äußerst stabil und leicht. Ähnlich sieht es mit porösem Aluminiumschaum aus. „Deshalb kommt als Kern auch Metallschaum in Frage“, erläutert die 29-Jährige.
Für den technischen Laien klingen diese Überlegungen kompliziert. Die Forscherin Goudarzi hingegen ist ganz in ihrem Element. Bereits als Kind interessierte sie sich für technische Zusammenhänge. Geboren wurde sie 1982 im Iran. Dank ihrer beiden älteren Brüder, die sich ebenfalls brennend für Technik begeistern und auch Ingenieure sind, blieb sie ihrem Hobby treu. Auch ihre Lehrer erkannten früh ihr naturwissenschaftliches Potenzial, als sie mit 16 Jahren mit ihren Eltern nach Deutschland kam. Sie rieten der jungen Frau, einen Beruf in diesem Bereich zu ergreifen. So war der Schritt zum Ingenieurstudium schon vorgezeichnet.
Ihre Vita jedoch ist nicht alltäglich. Noch immer sind Frauen in naturwissenschaftlichen und technischen Berufen in der Unterzahl. Auch ihre Herkunft aus dem Iran ist eine Besonderheit. Dies fanden auch die Macher einer deutschlandweiten Schulbuchpublikation für Grundschüler. In dem vergangene Woche vor Pädagogen in Berlin vorgestellten Arbeitsheft „Laternenmond und heiße Ohren“ zur Sprachförderung in Grundschulen erzählen Forscherinnen und Forscher unter anderem, wie sie zu ihrem Beruf kamen und welche kuriosen Erlebnisse damit verbunden waren. Unter den Vorgestellten ist auch Mona Goudarzi vom IPH. „Ich finde es toll, dass ich mit dieser Publikation die Möglichkeit erhalte, Kinder zu ermutigen ihren Weg zu finden und zu gehen“, sagte die Wissenschaftlerin nach der Veröffentlichung. Unter anderem lernen die Grundschüler bei der Lektüre von „Laternenmond und heißen Ohren“, wie ein Windrad funktioniert und weshalb die hannoversche Ingenieurin daran arbeitet, die Anlagen noch höher bauen zu können. Der Text über Goudarzi endet mit dem Satz: „Bis so ein neues Windrad gebaut werden kann, müssen Mona Goudarzi und ihr Team noch viel forschen und tüfteln.“
Doch damit allein ist es außerhalb der Welt des Schulbuches nicht getan. Das vom IPH initiierte Projekt läuft bis Mitte 2012. Ob es am Ende ein Erfolg wird oder nicht, hängt auch davon ab, ob sich Partner in der Industrie und Wirtschaft finden. „Es ist wichtig für uns, unserer Ergebnisse auf bestehende Anlagen zu übertragen“, sagt Goudarzi. Erste Interessenten haben sich bereits bei ihr gemeldet. Die Antwort darauf, wie es weitergeht und wie die Zukunft der Windenergie aussieht weiß, frei nach Bob Dylan, wohl nur der Wind allein.
Stichwort Gewicht und Leistung der Anlagen:
Giganten im Wind nach heute möglichen Konstruktionsformen sind Windenergieanlagen (WEA) wie die von Enercon gebaute E-126 mit einem Turm aus Betonringen und einer Nabenhöhe von 135 Metern. Um den schweren Turm überhaupt tragen zu können, an dem sich die Gondel mit den Rotorblättern befindet, ist ein Fundament mit einem Gewicht von 3500 Tonnen erforderlich. Der Betonturm der Anlage wiegt circa 2800 Tonnen. Maschinenhaus, Rotor und Nabe sowie Generator bringen dann nochmals 650 Tonnen auf die Waage. Die sogenannte Nabenhöhe, der Punkt, an dem die Rotorblätter mit der Gondel befestigt sind, beträgt 126 Meter. Der Preis: circa 11 Millionen Euro.
Eine Nordex N-100 Windkraftanlage bringt es hingegen mit einem 100 Meter Turm aus Stahlrohr auf ein Gesamtgewicht von nur 465 Tonnen. Der Preis beläuft sich auf 2,8 Millionen Euro. Eine 1,5 Megawatt-Anlage kann circa 1000 Haushalte versorgen. Eine fünf Megawatt-Anlage circa 5000 Haushalte. Es gibt eine Art Faustregel, mit je 1000 Kilowatt Strom können rund 1000 Haushalte versorgt werden.
