Neuer Studiengang in Kassel

Die Windenergie braucht Ingenieure

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Professor Dr. Detlef Kuhl

Die Universität Kassel und das Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik entwickeln einen internationalen Online-Master-Studiengang „Wind-Energy-Systems“. Offener Vortrag "Technologische Herausforderung der Windenergie" am 24. April von 18 bis 20 Uhr im Schlosshotel in Kassel.

Im harmonischen Gleichlauf, Runde um Runde, drehen sich die Rotorblätter der Windkraftanlage im Luftstrom. Doch so ausgewogen und ebenmäßig, wie sie dem Betrachter erscheint, ist diese Bewegung nicht. Professor Dr. Detlef Kuhl spricht von „signifikant dynamisch belasteten Anlagen“. Er ist Projektleiter für den Aufbau des internationalen Online-Master-Studiengangs „Wind Energy Systems“ an der Universität Kassel.

Die wechselnden Winde ermüden das Material

Die wechselnden Winde ermüden das Material und lassen im Extremfall Bauteile brechen, deren Lebenszeit eigentlich jene der Anlage überdauern sollte. Seit zwanzig Jahren forscht Kuhl an Methoden zur Prognose des dynamischen Verhaltens und der Lebensdauer von Tragstrukturen und Windenergieanlagen. Die mechanische Belastung der Windräder liegt in der Natur der Sache. Denn auf ihrem Weg rund um die Nabe durchlaufen die Rotorblätter verschiedene Zonen mit ganz unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten, die im ständigen Wechsel mal eine stärkere und mal eine schwächere Kraft auf die unterschiedlichen Abschnitte des Rotorblatts ausüben. Weit unten weht kein oder nur wenig Wind.

Ganz unten am Boden beträgt die Windgeschwindigkeit 0 Meter pro Sekunde. In einem Meter Höhe können es an einem ganz normalen Tag schon 3 Meter pro Sekunde sein und in 50 Meter Höhe durchaus 15 Meter Pro Sekunde. Vor allem an den Enden des Rotorblatts, die – je nach Windkraftanlage – 20 bis 50 Mal in der Minute die tiefen Zonen mit den geringen Windgeschwindigkeiten und die hohen Zonen mit den großen Windgeschwindigkeiten durchlaufen, wirken also ganz unterschiedliche Kräfte auf das Blatt.

Zwischen Windstille und Sturm

Hinzu kommt: Je länger das Blatt ist und je höher die Nabe über dem Grund liegt, desto größer ist wiederum der Unterschied zwischen dem Minimum und dem Maximum der einwirkenden Kräften im Verlauf jeder Umdrehung. Früher, vor etwa 20 Jahren, betrug die Nabenhöhe 50 Meter und die Rotorblätter waren 30 Meter lang. Unterdessen ist die Nabenhöhe auf 160 Meter gewachsen und die Länge der Rotorblätter auf 75 Meter. Am höchsten Punkt reicht die Spitze des Rotorblatts also 235 Meter in den Himmel. Dort oben wechselt die Windgeschwindigkeit zwischen 0 bei Windstille über 20 Meter je Sekunde bei normalem Wind und bis zu 50 Meter je Sekunde bei Sturm, während der Wind in 20 Meter Höhe durch die Rauhigkeit des Bodens, die Bäume, Wiesen, Zäune und die Bebauung auf rund die halbe Geschwindigkeit gebremst wird.

„Es gibt viele Fragen, die man erkunden sollte“

Zudem wird jedes Rotorblatt bei jedem Durchlauf beim Passieren des Turmes „dynamisch angeregt“. Denn im Vorstau des Turmes fällt die Anströmgeschwindigkeit des Windes stark ab. Und schließlich steht der Turm nicht still. Obwohl er starr und fest zu stehen scheint, neigt und wiegt er sich doch im Wind. Es kann zu Nick- und vom Rotor verursachten Kreiselbewegungen kommen. „Die unregelmäßigen Kräfte des Windes setzen die Windkraftanlagen einer zeitlich veränderlichen Belastung aus, die zu Schwingungen führen, die das Material der Anlage ermüden lassen“, weiß Kuhl aus langjähriger Erfahrung und zog daraus für sich den Schluss: „Es gibt viele Fragen, die man wissenschaftlich erkunden sollte.“

Mit diesen Fragen des Windes und der Strömung hat sich Kuhl schon im Studium in Stuttgart befasst, wo er sich der Luftund Raumfahrttechnik zuwandte. In den Regalen seines Kasseler Büro stehen mehrere Modelle flugtauglicher Helikopter, denn ob das Rotorblatt nun zum Fliegen oder zur Stromerzeugung dient: Die physikalischen Fragestellungen und der wissenschaftliche Instrumentensatz, zu den Lösungen zu gelangen, ähneln sich.

Von der Luft- und Raumfahrttechnik zum Windrad

Kuhls Interesse an der Windenergie reifte schon während des Studiums. In seiner Diplomarbeit untersuchte der Ingenieur für Luft- und Raumfahrttechnik eine Windkraftanlage auf Helgoland und ging als Konstrukteur zu einem großen Hersteller von Windkraftanlagen, um sich dann wieder der Wissenschaft zuzuwenden. Über viele Jahre betrieb Kuhl Grundlagenforschung, entwickelte Berechnungsverfahren für die Dynamik von Strukturen an den Universitäten von Stuttgart und Bochum, am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt sowie am Imperial College London.

In Kassel schätzt Kuhl den interdisziplinären „Kollegenverbund“ an der Universität sowie zwischen der Universität und dem Fraunhoferinstitut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES). Gemeinsam entwickelten die Universität und das IWES auch den Studiengang „Wind Energy Systems“, den die Hochschule über die UNIKIMS, die Kassel International Management School, in Zukunft anbieten will. Online sollen sich die Studenten in einem Masterstudiengang berufsbegleitend über vier bis sieben Semester zum Master of Science für Wind Energy Systems qualifizieren können. Voraussetzung ist ein Bachelorabschluss in Ingenieurwissenschaften, Mathematik, Physik oder einem anderen technisch orientierten Fach.

Online-Studium soll 30 Studierende aus aller Welt anziehen

Der Bedarf der Industrie an Fachleuten auf dem Gebiet der Windenergie sei groß, sagt Kuhl. Bisher beschäftige diese Industrie vor allem Ingenieure für Maschinenbau, Elektrotechnik oder Bauingenieure. Eine spezielle Ausrichtung der Ausbildung der Ingenieure auf die Windenergie und die Erneuerbaren Energien gebe es noch nicht, wie sie im Automobil- oder Flugzeugbau selbstverständlich sei. Kuhl setzt auf 30 Studierende aus aller Welt, die sich in Kassel einschreiben werden. Erste Gespräche über eine Kooperation führte er schon mit ägyptischen Hochschulen, denn die Bedingungen für einen Einsatz der Windkraft sind in der flachen Landschaft des afrikanischen Landes entlang der Mittelmeerküste ideal.

Nicht jede Windkraftanlage ist ökologisch

Für Kuhl ist die Windkraft eine ökologische Form der Energiegewinnung. Sie sei attraktiv in Regionen mit einem entsprechenden Windangebot wie an den Küsten, draußen auf dem Meer oder an Orten mit einer entsprechenden Geländetopologie, wie zum Beispiel einem Hügel, der einsam herausragt. Doch selbst wenn alle Gebiete, die für Windkraftanlagen geeignet seien, ausgeschöpft seien, sagt Kuhl, wäre der Bedarf an elektrischer Energie nicht zu 100 Prozent aus der Windkraft zu decken. Kuhl fordert zu überlegen, wo es wirklich lohne, eine Windkraftanlage zu errichten.

Es sei eben ein Unterschied, ob eine Anlage mit Hilfe von Subventionen ihre Investitionskosten einspiele, oder ob sie ökologisch rentabel sei. Ökologisch vertretbar sei eine Anlage erst, wenn sie innerhalb einer überschaubaren Zeit die Energie erzeuge, die ihre Errichtung gekostet habe. Manche Anlagen-Standort-Kombinationen erreichten dieses Ziel nach fünf, zehn oder zwanzig Jahren, andere aber nie.

Entscheidend sind die steten Winde

Entscheidend für die Rentabilität seien nicht die extrem starken Winde. Bei diesen schalteten sich die Anlagen ab, um nicht zerstört zu werden. Wichtig sei, dass der Wind möglichst stetig wehe. Kuhl zieht den Raum in seiner ganzen Weite in Betracht, denkt nicht kleinräumigen Strukturen: „Auf dem Kontinent weht der Wind immer irgendwo, und es ist offensichtlich, dass die Kapazitäten in den Netzen nicht ausreichen.“ Zugleich gibt er zu bedenken, dass die Leitungsverluste derzeit zu hoch seien, um in der Windenergieversorgung europäisch denken zu können, also zum Beispiel Windenergie in Form elektrischer Energie aus Spanien nach Deutschland zu bringen.

Moderne Anlagen arbeiten schon nahe dem Optimum

Doch daran, dass die Windkraftanlagen immer besser werden, lässt Kuhl keinen Zweifel. Das Optimum wären nach der Betzschen Theorie fast 60 Prozent der Energie, die aus der Bewegungsenergie des Windes zu gewinnen wären. Es gebe schon Anlagen, die deutlich mehr als 50 Prozent aus dem Energieangebot ausschöpften. Dazu hat auch die Forschung beigetragen, der sich Kuhl verschrieben hat. Nach einer genauen Analyse der Strömung lassen sich die Rotorblätter im wechselnden Windstrom heutzutage nachstellen. Die Windkraftanlagen werden nicht nur größer, sondern auch leiser.

Die Mechanik harmoniert besser mit der Elektronik und Smart Structures erlauben künftig die Konstruktion von Rotorblättern, die sich unter der Kraft des Windes berechen- und steuerbar verformen, um möglichst viel Energie bei möglichst geringer Belastung der mechanischen Bauteile aus dem Windstrom zu gewinnen. Für diese Fragen, ist sich Kuhl sicher, interessierten sich immer mehr junge Ingenieure, „denn sie sind in einer anderen Zeit aufgewachsen als die Generationen vor ihnen.“

Am 24. April von 18.00 bis 20.00 Uhr findet im Schlosshotel in Kassel ein offener Vortrag unter dem Titel: „Technologische Herausforderung der Windenergie" mit Prof. Kuhl statt. Interessierte können sich unter: http://unikims.de/vortragsreiheanmelden.

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