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Kabel für Offshore-Windenergieanlagen

15. August 2017
in Armaturen & Leitungen
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Die Bedeu­tung der Wind­ener­gie an der Strom­erzeu­gung nimmt wei­ter zu: 2015 stei­ger­ten die Wind­parks in Deutsch­land im Ver­gleich zum Vor­jahr ihre Leis­tung um rund zwei Drit­tel. Nach Anga­ben des Fraun­ho­fer ISE erzeug­ten die Wind­rä­der zwi­schen Nord­see und Alpen im letz­ten Jahr ins­ge­samt 85,4 Mil­li­ar­den Kilo­watt­stun­den Strom. Der Wind­ener­gie­bran­che zufol­ge betrug der Anteil der Wind­kraft über 13 Pro­zent an der Brut­to­strom­erzeu­gung und rund 14,5 Pro­zent am Stromverbrauch.

Der bei wei­tem größ­te Teil der Strom­erzeu­gung ent­fällt auf Wind­kraft­rä­der, die an Land instal­liert sind. Off­shore-Wind­ener­gie­an­la­gen (OWEA) konn­ten in Deutsch­land nach dem Rekord­jahr 2014 aber auch 2015 neue Best­mar­ken erzie­len. So gin­gen auf See 546 Wind­ener­gie­an­la­gen mit einer Leis­tung von 2.282,4 Mega­watt (MW) erst­mals ans Netz. Ende Dezem­ber 2015 lie­fer­ten damit ins­ge­samt 792 OWEA mit einer Gesamt­leis­tung von 3.294,9 MW Strom ins Netz (Quel­le: Deut­sche Wind­Guard „Sta­tus des Off­shore-Wind­ener­gie­aus­baus in Deutsch­land“). Für 2016 rech­net die Bran­che mit einem Zubau von wei­te­ren 700 MW.

Gegen­über der Onshore-Wind­ener­gie lie­gen die Kos­ten der Off­shore-Wind­ener­gie­nut­zung höher, weil die tech­ni­schen Her­aus­for­de­run­gen deut­lich grö­ßer sind. Denn die OWEA müs­sen im Was­ser gegrün­det, ver­ka­belt, instal­liert und betrie­ben wer­den. Zudem sind die Anla­gen­las­ten im Betrieb grö­ßer als an Land, War­tung und Instand­set­zungs­ar­bei­ten deut­lich auf­wän­di­ger. Weil auf See aber in der Regel höhe­re Win­der­trä­ge erreich­bar sind, kön­nen sich auch OWEA rech­nen. Der prin­zi­pi­el­le Nach­teil der grö­ße­ren Ent­fer­nung zwi­schen Strom­erzeu­gung und Ver­brauch hat für eine Bran­che — die Kabel­her­stel­ler — sogar Vor­tei­le: Um den Strom vom Wind­rad zur Steck­do­se zu brin­gen, sind bei OWEA gro­ße Kabel­län­gen erforderlich.

Als ein Bei­spiel für die not­wen­di­ge Ver­ka­be­lung sei hier der im Okto­ber 2015 in den Regel­be­trieb genom­me­ne Off­shore-Wind­park „Amrum­bank West“ genannt. Auf einer Flä­che von 32 Qua­drat­ki­lo­me­tern rund 35 Kilo­me­ter nord­west­lich von Hel­go­land wur­den in Was­ser­tie­fen von 20 bis 25 Metern 80 ein­zel­ne Wind­ener­gie­an­la­gen, eine Umspann­platt­form und eine Mess­platt­form errich­tet. Die Wind­ener­gie­an­la­gen ver­fü­gen über eine Nenn­leis­tung von jeweils 3,6 MW und einen Rotor­durch­mes­ser von 120 Metern. Mit ihnen kann Strom für 300.000 Haus­hal­te erzeugt werden

Der Wind­park erhielt eine rund 100 Kilo­me­ter lan­ge Inner­park­ver­ka­be­lung von den 80 Wind­ener­gie­an­la­gen zur Umspann­platt­form, die den Drei­pha­sen­wech­sel­strom (Dreh­strom) von 33 Kilo­volt (kV) auf 155 kV trans­for­miert. Der Strom wird dann über ein Export­ka­bel zur 8 Kilo­me­ter ent­fern­ten Kon­ver­ter-Platt­form gelei­tet, die den Drei­pha­sen­wech­sel­strom auf die Span­nungs­ebe­ne ± 320 kV trans­for­miert und anschlie­ßend in Gleich­strom umwan­delt. Per Hoch­span­nungs-Gleich­strom-Über­tra­gung (HGÜ) fin­det anschlie­ßend die Wei­ter­lei­tung über ein am Mee­res­bo­den ver­leg­tes See­ka­bel zum 85 km ent­fern­ten Büsum und von dort wei­te­re 45 Kilo­me­ter bis zum Netz­ver­knüp­fungs­punkt in Bruns­büt­tel statt, wo der Gleich­strom wie­der in Dreh­strom zurück­ge­wan­delt wird.

Deut­lich klei­ner ist der ers­te deut­sche Off­shore-Wind­park „alpha ven­tus“, der mit­ten in der Nord­see seit Ende 2009 steht. Die von alpha ven­tus pro­du­zier­te Strom­men­ge reicht für die Ver­sor­gung von bis zu 50.000 Haus­hal­ten. Er besteht aus zwölf Wind­ener­gie­an­la­gen mit einer Nenn­leis­tung von je 5 MW und einem Off­shore-Umspann­werk, das den Trans­for­ma­tor und sämt­li­che elek­tro­tech­ni­schen Anla­gen beherbergt.

Auch hier legt der Strom von der Erzeu­gung bis zum Ver­brau­cher einen lan­gen Weg zurück. Inner­halb des Wind­parks wird der Strom von den Wind­ener­gie­an­la­gen zunächst mit 33 kV-See­ka­beln zum Off­shore-Umspann­werk geführt. Dazu wur­den rund 16 Kilo­me­ter Kabel min­des­tens 60 Zen­ti­me­ter tief im Mee­res­grund ver­gra­ben. Nach der Trans­for­ma­ti­on im Off­shore-Umspann­werk auf 110 kV wird die elek­tri­sche Ener­gie durch ein rund 60 Kilo­me­ter lan­ges und in den Mee­res­bo­den ein­ge­gra­be­nes, arm­di­ckes See­ka­bel über die Insel Nor­der­ney bis zur nord­deut­schen Küs­te trans­por­tiert. Als Ein­spei­se­punkt in das deut­sche Strom­über­tra­gungs­netz fun­giert das Umspann­werk Hager­marsch. In die See­ka­bel sind zusätz­li­che Daten­lei­tun­gen aus Glas­fa­ser inte­griert, die den Anschluss des Wind­parks an moder­ne Kom­mu­ni­ka­ti­ons- und Über­wa­chungs­sys­te­me ermöglichen.

Steue­rung und Über­wa­chung an Land

Gesteu­ert und über­wacht wer­den OWEA in der Regel von Land aus. Im Fall alpha ven­tus ist die Leit­stel­le in der Stadt Nor­den im Land­kreis Aurich unter­ge­bracht. Hier lau­fen alle Infor­ma­tio­nen und Daten zusam­men. Auf meh­re­ren Bild­schir­men wird der Betriebs­zu­stand des Wind­parks in Echt­zeit dar­ge­stellt – über Bil­der, Kar­ten, Gra­fi­ken und Zah­len. Zu den erfass­ten Betriebs­da­ten zäh­len unter ande­rem Wind­ge­schwin­dig­keit, Leis­tungs­ab­ga­ben, Dreh­zah­len, Öltem­pe­ra­tu­ren und Aus­rich­tung der Gon­deln. Die Daten wer­den mit Hil­fe eines „Con­di­ti­on Moni­to­ring Sys­tem“ (CMS) über­wacht und aus­ge­wer­tet, um früh­zei­tig unge­wöhn­li­che Wer­te erken­nen und Maß­nah­men ergrei­fen zu kön­nen. Die Betriebs­füh­rer koor­di­nie­ren und über­wa­chen außer­dem die Ein­sät­ze der Ser­vice­teams im Wind­park. Über eine steu­er­ba­re und meh­re­re fixe Web­cams ver­fol­gen die Betriebs­füh­rer auch die Heli­ko­pter­flü­ge und Schiffs­be­we­gun­gen im Windpark.

Gro­ße Ent­fer­nun­gen gilt es auch beim Off­shore-Wind­park Sand­bank zu über­brü­cken. Rund 90 Kilo­me­ter vor Sylt und 110 Kilo­me­ter von der Küs­te ent­fernt wer­den hier in 24 bis 33 Meter Was­ser­tie­fe 72 Wind­tur­bi­nen mit 4 je MW Nenn­leis­tung errich­tet, die bei einer Jah­res­strom­pro­duk­ti­on von 1,4 Tera­watt­stun­den den Ver­brauch von etwa 400.000 deut­schen Haus­hal­ten abde­cken kön­nen. Bei dem 60 Qua­drat­ki­lo­me­ter gro­ßen Wind­park beträgt die Kabel­län­ge von der Kon­ver­ter­sta­ti­on bis zur Küs­te 165 Kilo­me­ter. Wei­te­re 45 Kilo­me­ter kom­men von der Lan­dungs­stel­le des Kabels in Büsum bis zum Umspann­werk dazu. Der Off­shore-Wind­park Sand­bank soll 2017 in Betrieb gehen.

Bei der Inner­park­ver­ka­be­lung wird der Strom von den 72 Wind­ener­gie­an­la­gen zum park­in­ter­nen Umspann­werk trans­por­tiert. Jeweils neun Winde­n­ener­gie­an­la­gen sind über einen Kabel­strang mit dem Umspann­werk ver­bun­den. Jeweils zwei Strän­ge kön­nen so mit­ein­an­der ver­bun­den wer­den, dass auch bei einem Kabel­scha­den der Betrieb der Anla­gen gesi­chert ist. Ins­ge­samt wer­den rund 96 Kilo­me­ter Kabel mit zwei ver­schie­de­nen Quer­schnit­ten (630 und 185 Qua­drat­mil­li­me­ter) inner­halb des Wind­parks ver­legt. Die Kabel ent­hal­ten zudem Licht­wel­len­lei­ter, die den Daten­aus­tausch zwi­schen jeder Wind­ener­gie­an­la­ge und dem Umspann­werk sowie die Fern­steue­rung und Über­wa­chung des Wind­parks vom Kon­troll­zen­trum im däni­schen Esbje­rg ermög­li­chen. Die Kabel wer­den zunächst auf dem See­bo­den abge­legt und spä­ter in Tie­fen von min­des­tens 0,6 Meter bis zu mehr als einem Meter in den Nord­see­bo­den ein­ge­spült. Die Ver­le­ge­ar­bei­ten führt ein spe­zi­el­les Kabel­ver­le­ge­schiff aus, das auch den Trans­port der Kabel vom Her­stel­ler in Groß­bri­tan­ni­en zur See­bau­stel­le übernimmt.

Nicht nur in der Nord­see, auch in der Ost­see ent­ste­hen gro­ße Wind­parks, bei­spiels­wei­se EnBW Bal­tic 1 und 2. Bei Bal­tic 1, dem ers­ten kom­mer­zi­el­len Off­shore-Wind­park Deutsch­lands in der Ost­see, ver­fü­gen die 21 Wind­ener­gie­an­la­gen über eine Gesamt­leis­tung von 48,3 MW. Auf rund sie­ben Qua­drat­ki­lo­me­tern wer­den jähr­lich etwa 185 Mil­lio­nen Kilo­watt­stun­den Strom erzeugt, die den jähr­li­chen Strom­be­darf von 50.000 Haus­hal­ten abde­cken. Die Inner­park­ver­ka­be­lung besteht aus ins­ge­samt 23 Kilo­me­ter 33-kV-See­ka­beln. Die gesam­te Tras­sen­län­ge der Strom­lei­tun­gen beträgt rund 77 Kilo­me­ter, davon ent­fal­len etwa 61 Kilo­me­ter auf die See­ka­bel­län­ge und 16 Kilo­me­ter auf Landleitungen.

Deut­lich grö­ßer ist der im Sep­tem­ber 2015 ans Netz gegan­ge­ne Wind­park Bal­tic 2, der 80 OWEA mit einer Gesamt­leis­tung von 288 MW umfasst. Um die 80 Wind­kraft­an­la­gen mit der Umspann­sta­ti­on zu ver­bin­den, waren ins­ge­samt rund 85 Kilo­me­ter See­ka­bel zu ver­le­gen. Über die­se See­ka­bel wird nicht nur der Strom trans­por­tiert, auch die Infor­ma­tio­nen und Daten zwi­schen den Anla­gen und der Leit­war­te in Bar­höft wer­den über hoch­sen­si­ble Licht­wel­len­lei­ter aus­ge­tauscht, die in die Kabel inte­griert sind. Ein spe­zi­el­les Export­ka­bel trans­por­tiert dann den von 33 auf 150 kV trans­for­mier­ten Strom von der Umspann­sta­ti­on – via EnBW Bal­tic 1 – zum Umspann­werk Bent­wisch an Land. Hier wird die Span­nung von 150 auf 380 kV trans­for­miert und die Ein­spei­sung ins deut­sche Ver­bund­netz vor­ge­nom­men. Die Kabel­län­gen betra­gen etwa 120 Kilo­me­ter auf See und 16 Kilo­me­ter an Land.

Neben den Instal­la­tio­nen der Umspann­sta­ti­on, der Fun­da­ment­struk­tu­ren und der Wind­ener­gie­an­la­gen zählt die Instal­la­ti­on der Inner­park­ver­ka­be­lung bei Off­shore-Wind­parks zu den größ­ten Instal­la­ti­ons­schrit­ten. Eine Stu­die von Uni­con­sult nennt anhand von Erfah­rungs- bzw. Ziel­wer­ten die durch­schnitt­li­chen Instal­la­ti­ons­zei­ten für die ein­zel­nen Groß­kom­po­nen­ten des Off­shore-Wind­parks. Danach wer­den als Instal­la­ti­ons­zeit pro Fun­da­ment zwei Tage und pro Wind­an­la­ge 1,5 Tage benö­tigt. Deut­lich zeit­auf­wän­di­ger ist die Instal­la­ti­on der Umspann­platt­form, für die 70 Tage als Schätz­wert benannt wer­den. Den größ­ten Zeit­auf­wand erfor­dert aber die Ver­ka­be­lung: pro Wind­park sechs bis acht Monate.

Her­stel­lung und Ver­le­gung von Seekabeln

Off­shore-See­ka­bel sind so genann­te Drei­lei­ter­ka­bel. Nach Anga­ben der 50Hertz Trans­mis­si­on GmbH besteht jeder Ein­zel­lei­ter aus dem eigent­li­chen Kup­fer­lei­ter, der inne­ren und äuße­ren Leit­schicht zur Steue­rung der Fel­der sowie einer Hoch­span­nungs­iso­lie­rung aus ver­netz­tem Poly­ethy­len (VPE). Zur Daten­über­tra­gung von Mess- und Steu­er­si­gna­len ist im See­ka­bel ein Glas­fa­ser­ka­bel inte­griert. Umhüllt wird der Kabel­kern von ver­zink­ten Stahl­dräh­ten zum Schutz gegen mecha­ni­sche Schä­den, zum Bei­spiel durch Schiffs­an­ker. Die See­ka­bel wer­den für jede Ver­bin­dung indi­vi­du­ell berech­net und ange­passt. Sie haben einen Durch­mes­ser von bis zu 25 Zen­ti­me­ter und wie­gen etwa 100 Kilo­gramm pro Meter.

Die Ver­le­gung der Kabel im Mee­res­grund stellt dem Unter­neh­men zufol­ge eine gro­ße Her­aus­for­de­rung dar: Die Kabel wer­den zunächst beim Her­stel­ler auf gro­ße Kabel­trom­meln auf­ge­rollt, auf ein Kabel­le­ge­schiff ver­la­den und auf die hohe See hin­aus­ge­bracht. In Küs­ten­nä­he wird das Kabel vom Schiff aus an Land gezo­gen. Schwimm­kör­per hal­ten das Kabel für den Ver­le­ge­vor­gang an der Was­ser­ober­flä­che, damit es durch Stei­ne und Uneben­hei­ten auf dem Mee­res­bo­den nicht beschä­digt wird. Ist das Kabel mit dem Ver­bin­dungs­punkt an Land ver­knüpft, wer­den die Schwimm­kör­per ent­fernt und das Kabel sinkt lang­sam auf den Mee­res­grund. Wenn das Schiff hin­aus­fährt, rollt sich das Kabel von der Rol­le ab und legt sich auf den Mee­res­bo­den. Das Kabel­en­de wird mit­tels einer Muf­fe mit dem Kabel­en­de der nächs­ten Kabel­län­ge verbunden.

Je nach Beschaf­fen­heit des Mee­res­bo­dens gibt es eine Viel­zahl unter­schied­li­cher Lege­me­tho­den und Werk­zeu­ge. Wäh­rend zum Bei­spiel bei har­tem und stei­ni­gem Mee­res­bo­den eher pflu­g­ähn­li­che Werk­zeug­schlit­ten zum Ein­satz kom­men, sind die Ver­hält­nis­se bei Sand­bo­den sehr viel ein­fa­cher. Hier fährt ein Unter­was­ser-Spül­schlit­ten über das gesam­te Kabel und schafft eine meter­tie­fe Rin­ne. Das Kabel sinkt in die Rin­ne und wird durch die Strö­mung auf dem Mee­res­bo­den ein­ge­schlos­sen. Im letz­ten Schritt wird das Kabel­en­de mit dem Trans­for­ma­tor auf der Platt­form ver­bun­den. Das Legen eines 15 Kilo­me­ter lan­gen Kabel­ab­schnit­tes dau­ert etwa drei Tage. Wobei an vie­len Stel­len Unter­was­ser­ar­bei­ter, sprich Tau­cher, benö­tigt werden.

Zu den Her­stel­lern von Off­shore-Kabeln gehört mit Nex­ans Deutsch­land einer der nach eige­nen Anga­ben füh­ren­den Kabel­her­stel­ler in Euro­pa. Das Unter­neh­men lie­fert seit fast 30 Jah­ren welt­weit aus dem Werk Han­no­ver ver­schie­de­ne Typen von VPE-iso­lier­ten See­ka­beln. Der Kabel­auf­bau wird dabei durch die unter­schied­li­chen Anfor­de­run­gen sowie Umge­bungs­be­din­gun­gen bestimmt und rich­tet sich dabei immer nach natio­na­len und inter­na­tio­na­len Stan­dards. Weil die Anfor­de­rungs- und Umge­bungs­pro­fi­le sehr dif­fe­ren­ziert sind, wer­den See­ka­bel pro­jekt­spe­zi­fisch hergestellt.

Für die inter­ne Wind­park­ver­ka­be­lung eig­nen sich laut Nex­ans vor allem war­tungs­freie 36-kV-VPE-Kabel mit inte­grier­ten Licht­wel­len­lei­ter­ele­men­ten für die Daten­kom­mu­ni­ka­ti­on. Dazu gehö­ren sowohl Kabel­kon­struk­tio­nen mit als auch ohne Längs- und Quer­was­ser­schutz. Vor­teil­haft sind Kon­struk­tio­nen mit Alu­mi­ni­um-Schich­ten­man­tel, denn sie haben ein gerin­ge­res Gewicht, klei­ne­re Durch­mes­ser und klei­ne­re Bie­ge­ra­di­en als Kabel mit Blei­män­teln. Damit ist die Hand­ha­bung beim Ver­le­gen und beim Ein­füh­ren der Kabel in die Tür­me der Wind­kraft-Anla­gen deut­lich besser.

Bes­tens bewährt hat sich, so Nex­ans, die Stahl-Armie­rung. Die Ver­sei­lung der drei Ener­gie-Kabel zusam­men mit der dar­über lie­gen­den Stahl-Armie­rung ermög­licht es, die magne­ti­schen Fel­der auf ein tech­ni­sches Mini­mum zu redu­zie­ren. Dar­über hin­aus stellt die Stahl-Armie­rung auch einen mecha­ni­schen Schutz der Kabel dar, der die enor­men Zug­kräf­te bei der Ver­le­gung und Befes­ti­gung in den Tür­men aufnimmt.

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