ENERiO-Symposium »Energy 2050«, Oldenburg, 14. Mai 2011

Gibt es noch Innovationen in der Windenergie? Prof. Dr. Martin Kühn Institut für Physik Arbeitsgruppe Windenergiesysteme ForWind – Universität Oldenburg

1

Inhalt I. 

Innovation und Transition des Energiesystems

II. 

Innovationsbedarf in der Windenergie

III.  Innovationsprozesse in der Windenergie

Fazit

2

I. Innovation und Transition des Energiesystems

Innovation = Idee + Invention + Diffusion Phasen des Innovationsprozesses

Idee, Konzeption

3

Umsetzung in Produkte

Marktdiffusion

Greenpeace Energy [R]evolution Scenario Share of renewables at European electricity demand: 68% in 2030, 97% in 2050

376 GW

497 GW

Wind: 31.1 %

Wind 30.7 %

! Wind power plays a major role in the future power system!

[Quelle: Energynautics GmbH, E.Tröster, EWEA2011]

=> Windenergie spielt eine Hauptrolle im zukünftigen Energiemix. 4

Windenergie im SET-Plan der EU (Strategic Energy Technology Plan, Okt. 2009)

150GW 43%

40GW 17% 190 GW 83% 1,5 GW 2%

65 GW 98% 5

200 GW 57%

II. Innovationsbedarf in der Windenergie

•  Wo brauchen wir Innovation? •  Wo sind Innovationsfelder, Innovationen oder nur Ideen?

6

Innovationsbedarf:

1. Kostenreduktion

!/MWh

Offshore 3.300 !/KW 2.700 !/KW

200

150

CO2 Cost

100

CO2 Cost

Range Range Range [Source: Windpower Monthly 1/2011]

Annual average wind speed at hub height 7

Onshore 1.700 !/KW 1.400 !/KW [8% project interest rate,

50

20 years depreciation period]

6

7

8

0 9

10 m/s

Innovationsbedarf: Konventionelle thermische Kraftwerke

•  steuerbar •  flexible Standortwahl •  systemtragend

[Folie: B. Lange, IWES, Kassel] 8

2. Netzintegration Windparkcluster

•  wetterabhängig •  ressourcenabhängige Standortwahl => Bedarf an Systemdienstleistungen => Netzausbau/umbau

Innovationsbedarf: 3. Offshore Windenergietechnologie Installation

Windpark Energietechnik

Tragstruktur 9

Wirtschaftlichkeit, Risiko

Rotor-Gondel-Einheit

[Quelle: DOTI, DOTI, Dong, Multibrid]

Wartung

Erneuerbare Energiequellen sind im Wesen Energieflüsse.

Fossile und nukleare Energiequelle sind im Wesen Energieträger. Oil Gas

Hunderte Millionen Jahre

10

[Quelle: Wirtschaftsverb. Erdöl- & Erdgasgewinnung, Open University, T206]

Innovationsbedarf: 4. Speicher- & Transportfähigkeit

Verschiedene Wege der Technologieentwicklung REpower 5M 5MW, Ø 126m

5 MW

High-Tech, Forschungsgiganten

3 MW 1.5 MW 500 kW 250 kW 100 kW 10 kW

Evolutionäre, industrielle Entwicklung & Forschung 1970 11

1980

1990

2004

[Quelle. Enercon, Furhläner, K. van Kuik, TU Delft, Clipper Ltd.]

„Bigger“ - Die nächste Innovation?

Ø 154 m Ø 126 m

Ø 80 m Ø 65 m Ø 12 m

85

87 89 91 93 95 97 99 01 03 04 Anlagendurchmesser zum Zeitpunkt der Markteinführung 12

06

08

10

12

14

„Floating“ - Die nächste Innovation?

13

„High Altitude“ - Die nächste Innovation?

www.skywindpower.com

www.magenn.com 14

»Laddermill« Wubbo Ockels, TU Delft

www.kitegen.eu

„Smaller“ - Die nächste Innovation?

http://inhabitat.com/files/november-2006-installation.jpg

http://www.quietrevolution.com/de 15

www.mywindpowersystem.com/

„Jenseits der Märkte“ - Die nächste Innovation?

http://williamkamkwamba.typepad.com/

Energieressourcen plus Energiebedarf bedeutet nicht automatisch Energiemarkt !

16

•  Energieverbrauch im Transportsektor •  e-mobility, grid 2 vehicle (G2V) vehicle 2 grid (V2G)

17

[Quelle: SWE – Uni Stuttgart, SkySails.de, www.dlr.de/blogs, EWE AG]

Transportantrieb - Die nächste Innovation?

III. Innovationsbeispiele in der Windenergie

•  Turbulenz – Wandel der Bedeutung •  Beitrag der Windenergie •  Von Windenergieanlagen zu Windenergiesystemen

18

1. Turbulenz – Wandel der Bedeutung »tolerierbare« Störung

Betriebszustand

Turbulenzkompensation

Stall-Anlage Dänemark 1957

Dynamische Leistungskurve

[E. Hau]

[ForWind Oldenburg] 19

Energiequelle?

LiDAR-Böenkompensation [SWE Stuttgart]

Turbulenzforschung: Neue Methoden in Labor und Freifeld

Reproduktion von Turbulenz im Labor [Quelle: ForWind – Universität Oldenburg] 20

LIDAR Windscanner

Laser-optische Nachlaufmessungen (LiDAR) •  Messung des nahen Nachlauf [Quelle: SWE – Universität Stuttgart]

•  Messung des fernen Nachlauf [Quelle: ForWind – Universität Oldenburg]

© SWE – Stuttgart

21

LidarScanner

Turbulenzkompensierende Regelungskonzepte

LiDAR-Böenkompensation

Lokale Regelung am Blatt

Grenzschichtkontrolle

[SWE Stuttgart]

[TU Delft]

[TU Delft]

Passive Regelung z.B. Biege-Torsionskopplung 2-Blattrotor, Leeläufer, „Advanced Controls“ [2-B Energy]

22

2. Beitrag der Windenergie im Netz

»Dem Wind und dem Narren lass seinen Lauf.«

Windstrom als »Störung« des Netzbetriebs

Den Kraftstoff Wind effizient nutzen.

Nutzung der OffshoreWindressource

Windstrom planbar einsetzen

Regeneratives Kombikraftwerk [Quelle: ISET, dena, ISET]

23

Meso-skalige Strömungssimulation von Offshore Windpark-Clustern •  Fernwirkungen von Nachläufen •  Interaktion mit atmosphärischer Grenzschicht •  starke Einflüsse von Turbulenz und thermischer Schichtung => an »Brennstoffqualität« angepasster Konverterbetrieb Windpark 28 x 28 km, Leistung 6,5 GW ca. 1.300 Anlagen

[Quelle: E. Stütz, ForWind – Universität Oldenburg] 24

3. Von Windenergieanlagen zu Windenergiesystemen Windturbine

Windenergiesysteme

Quelle: www-eev.uni-paderborn.de]

Windpark

Windturbine im Park

E-System – Kraftwerksverbund – Windpark – Windenergieanlage 25

Zukunftsfähige Windenergiesysteme •  nutzen den »Kraftstoff Wind« mit maximaler Effizienz •  kompensieren Turbulenzeffekte •  speisen im Voraus planbar ins Energiesystem ein. •  gleichen »Wetter« durch Kombination der Erneuerbaren aus. Marktdiffusion erfordert sozio-ökonomische Transformation 26

[Quelle: DOTI]

Fazit & Vision »Windenergie 2030«

Weitere Informationen: Prof. Dr. Dipl.-Ing. Martin Kühn Arbeitsgruppe Windenergiesysteme ForWind – Zentrum für Windenergieforschung Institut für Physik, Universität Oldenburg Ammerländer Heerstr. 136, 26129 Oldenburg T: +49 441 798 5061 E: martin.kuehn[at]forwind.de W: www.forwind.de

27